季节性温度升高通过特定的微生物过程影响淡水栖息地中一氧化二氮和甲烷的积累

《Environmental Pollution》：Seasonal temperature rise influences nitrous oxide and methane accumulation in freshwater habitats via distinctive microbial processes

季节性温度升高影响破碎河流中N?O和CH?动态，冬季水温8.3–12.1°C，夏季27.7–36.1°C，导致水体CH?浓度显著上升（0.049–34.06 μmol/L），N?O浓度下降（0.022–0.059 μmol/L）。机制涉及颗粒物增多促进产甲烷菌活性，甲烷氧化菌Methylocystis减少抑制CH?氧化；同时温度升高增强Denitromonas和Steroidobacteraceae等反硝化菌及完全硝化菌的相对丰度，促进N?O还原。研究为破碎河流温室气体管理提供新机制。

　　

马腾飞|刘文科|邢崇阳|陈雅松|傅慧敏|白继春|孙婉|刘梦梦|程顺利|彭梦文

中国重庆科技与商业大学智能制造服务国家研究基地，重庆400067

摘要

在全球变暖的背景下，季节性温度升高与淡水栖息地中一氧化二氮（N₂O）和甲烷（CH₄）动态之间的微生物机制仍不清楚。本研究在冬季和夏季从中国重庆的梁滩河四个不同栖息地采集了水样和沉积物样本，分析了环境参数、N₂O/CH₄浓度以及微生物群落。结果表明，季节性温度升高（冬季：8.3–12.1°C；夏季：27.7–36.1°C）与水中CH₄浓度增加（0.049–2.40 μmol/L vs 0.054–34.06 μmol/L）和N₂O浓度降低（0.022–0.112 μmol/L vs 0.009–0.059 μmol/L）有关。从机制上讲，季节性温度升高导致总颗粒物（甲烷生成菌的关键底物）增加，而Methylocystis（主要的甲烷氧化菌）数量减少，这可能促进了CH₄的积累。对于N₂O，季节性变暖与Steroidobacteraceae和Dechloromonas（能够进行完全反硝化的细菌）的相对丰度增加有关。这些发现有助于更好地理解季节性温度升高如何影响淡水栖息地中的温室气体动态，并为河流治理和温室气体减排提供有价值的见解。

引言

随着全球变暖的加剧，各种生态系统中温室气体的排放受到了越来越多的关注（Wang et al., 2022）。河流生态系统是两种强效温室气体（CH₄和N₂O）的主要来源。由于人类活动的不断增加，过去十年河流中这些气体的排放量显著增加（Upadhyay et al., 2023）。研究表明，全球10–15%的N₂O排放来自河流和溪流（Dou et al., 2016; Persat, 2017），而河流和溪流占内陆水域CH₄总排放量的大约50%（Kirschke et al., 2013）。随着水生温室气体排放的持续增加，河流生态系统被认为是人为温室气体释放的关键热点（Zheng et al., 2022）。

自然河流的一个显著特征是其自由流动的特性，但它们经常被人工障碍物（如大坝、堰、水闸、涵洞、渡口、坡道）分割成碎片化的河流系统（Grill et al., 2019）。这种分割会显著改变河流生态系统的温室气体排放——例如，通过改变河流障碍物的高度，破坏了水文连通性和生物地球化学循环（Xing et al., 2023）。此外，自然河流的物理化学参数会随季节变化，冬季到夏季的温度升高是这些变化的关键驱动因素；这种季节性变暖进一步影响了微生物过程，从而影响了温室气体的产生（Liu et al., 2005）。具体来说，河水温度的变化调节了溶解氧（DO）水平、pH值以及沉积物中物质的溶解或释放。此外，水和沉积物中的微生物群落组成和结构对温度波动非常敏感（Soja and Wiejaczka, 2014）。

微生物活动在N₂O的产生中起着关键作用，主要是通过活性氮的氧化还原反应（Babbin and Ward, 2013）。在硝化过程中，氨（NH₃）在有氧条件下被氧化为亚硝酸盐（NO₂^-），同时产生N₂O作为副产物；在反硝化过程中，硝酸盐（NO₃^-）在厌氧条件下被还原为氮气（N₂），N₂O作为中间产物生成。大多数河流中的N₂O产生发生在底泥中，强烈的微生物活动驱动了大量的N₂O形成（Beaulieu et al., 2011）。不完全反硝化是河流中N₂O排放的主要驱动因素（Lansdown et al., 2015），微生物介导了这一关键的生物地球化学过程（He et al., 2018）。虽然陆地和水生系统中的温度变化会改变与N₂O相关的微生物的结构和功能（Deng et al., 2020），但在碎片化河流中，温度变化与N₂O相关微生物群落及N₂O排放之间的联系仍不清楚。同样，河流中的温度升高会改变溶解氧水平——这对氨氧化细菌（AOB）的N₂O产生至关重要（Peng et al., 2014），并改变微生物物种组成（Peng et al., 2015），但这些温度驱动的变化如何调节淡水栖息地中的N₂O排放尚不明确。

关于CH₄的动态，其在厌氧环境中的产生完全由产甲烷古菌介导，而在有氧条件下则由甲烷氧化微生物氧化CH₄。好氧甲烷氧化菌将CH₄转化为更简单的化合物（如甲醇、醋酸、二氧化碳）（Liu et al., 2022），氧气供应对这一过程至关重要。在河流生态系统中，溶解氧是微生物代谢活动的主要氧气来源（Kallistova et al., 2017），温度驱动的溶解氧浓度变化会显著影响CH₄的排放通量（Wang et al., 2020）。无论是在有氧还是厌氧条件下，温度变化引起的溶解氧波动都会改变与CH₄相关的微生物的代谢活动（Cheng et al., 2024）。此外，温度升高还会加速微生物代谢，间接影响溶解氧水平，可能增加CH₄的排放（Muloiwa et al., 2024; Ruff et al., 2024）。然而，温度对与CH₄相关微生物的结构和功能的影响，以及这种影响如何体现在碎片化河流中的CH₄动态上，仍不清楚。

为了解决关于温度如何调节淡水栖息地中温室气体动态的机制知识空白，本研究在中国重庆的典型碎片化河流（梁滩河）进行。在两个季节（冬季和夏季）从四个不同的栖息地采集了水样和沉积物样本，以捕捉季节性温度变化的影响。测量了环境参数，并量化了水中的N₂O和CH₄浓度。此外，还利用16S rRNA基因的高通量测序技术对水和沉积物中的微生物群落进行了分析。本研究的主要目的是阐明季节性温度升高如何影响微生物群落的结构和功能，并进一步理清这些微生物变化与碎片化河流生态系统中N₂O和CH₄动态之间的关联。

研究区域和采样

研究区域和采样

梁滩河（29°26′–29°52′N, 106°18′–106°24′E）是中国重庆嘉陵河右岸的一条一级支流。样本分别于2020年冬季和2021年夏季在梁滩河的四个不同栖息地（溪流、湖泊、河流、池塘）采集，旨在捕捉季节性温度升高对环境参数、微生物群落和温室气体积累的影响。每个栖息地在五个地点进行了采样，

季节性温度升高对碎片化河流中水和沉积物物理化学性质的影响

对水质参数的分析显示，碎片化河流中的水质参数存在明显的季节性变化（冬季 vs. 夏季），水温、总颗粒物（TPM）和溶解氧（DO）发生了显著变化，这些变化可能受到季节性温度升高的影响（图1）。冬季水温范围为8.3°C至12.1°C，夏季为27.7°C至36.1°C（图1a）。所有四个栖息地的pH值均呈弱碱性（图1b）。总体而言，冬季的溶解氧浓度略高于夏季（图1c）。

结论

本研究通过冬季和夏季的对比，研究了季节性温度升高对碎片化河流中N₂O和CH₄积累的影响，以梁滩河为典型案例，重点关注了微生物过程的中介作用。根据测量的环境参数和微生物群落分析，核心发现是季节性温度升高与碎片化河流中CH₄积累增加和N₂O积累减少显著相关，

作者贡献声明

傅慧敏：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，概念构思。邢崇阳：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理。陈雅松：方法学研究，调查。白继春：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。刘文科：撰写 – 审稿与编辑，调查，正式分析。马腾飞：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，监督，概念构思。刘梦梦：调查。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢以下机构的支持：中国国家重点研发计划（2023YFC3207600）、国家自然科学基金（52500023、52200038、42207243）、重庆科技与商业大学高层次人才研究项目（2456003）、重庆水产养殖循环水保障技术人才引领创新与创业项目（CQYC202203091297）、湖北联合基金（2023AFD190），