《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Temperature sensitivity and electron acceptor regulation of denitrifying anaerobic methane oxidation in coastal mangrove sediments
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温度对红树林沉积物中硝酸盐/亚硝酸盐依赖的厌氧甲烷氧化（DAMO）的影响研究，发现35℃时DAMO活性最高且最稳定，硝酸盐作为电子受体较亚硝酸盐更有效促进DAMO，并伴随关键微生物群落（Methanoperedenaceae和Methylomirabilota）丰度变化。
Jie Ye|Jiping Wang|Manli Bai|Chaojie Wang|Guoyuan Chen
厦门理工学院环境科学与工程学院，中国福建省厦门市361024
摘要
反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）过程连接了碳循环和氮循环，但其在不同电子受体条件下的温度响应机制仍不甚明了。在本研究中，我们使用来自中国福建漳江口的红树林沉积物进行了温度控制的培养实验，以探究DAMO活性及其相关的微生物群落特征。通过监测CH?通量和δ13CO?值，并结合16S rRNA基因测序来评估功能响应。结果显示，在所有处理条件下，CH?浓度均持续下降，同时δ13CO?值也出现负向变化，证实了DAMO的发生。DAMO活性随温度显著增强，在35°C时达到最高速率和最大累积氧化量。硝酸盐（NO??）比亚硝酸盐（NO??）或对照组（NO?? > NO?? ≈对照组）更能促进DAMO活性。表观活化能（E?）最初较高，但随后迅速下降并稳定在较低水平；Methanoperedenaceae和Methylomirabilota属的丰度与累积甲烷氧化量呈正相关。LEfSe分析显示，在硝酸盐添加条件下Calditrichota和Gemmautomonadetes属细菌富集，在亚硝酸盐添加条件下则Methanosarcina属细菌富集。总体而言，我们的发现表明温度是DAMO的主要驱动因素，而电子受体决定了活性的稳定性和强度。持续的硝酸盐供应结合温暖的环境条件，能够提升红树林沉积物中的DAMO性能，而不会导致微生物群落发生显著重组。
引言
甲烷（CH?）被认为是导致全球变暖的主要温室气体之一。当前大气中的甲烷浓度已增加到工业革命前（约1750年）水平的2.5倍以上[1]。甲烷对全球变暖的贡献约为20%，并且在100年的时间框架内，其全球变暖潜能是二氧化碳（CO?）的约28倍[2]。
微生物介导的甲烷氧化过程在减缓温室气体排放方面发挥着重要作用。大量甲烷在进入大气之前被微生物氧化，尤其是在厌氧环境中，甲烷的厌氧氧化（AOM）可以显著降低潜在排放量。AOM最初是在海洋沉积物中被发现的，主要与硫酸盐还原反应耦合[3]，每年消耗约300 Tg的CH?，并去除约90%的海洋甲烷通量[4]。最近的研究表明，AOM还可以与硝酸盐（NO??）、亚硝酸盐（NO??）和一氧化二氮（N?O）的还原反应耦合，这一过程统称为依赖反硝化的厌氧甲烷氧化（DAMO）[5]、[6]、[7]。该过程广泛存在于淡水沉积物、湿地和稻田等生态系统中[8]。参与DAMO的关键微生物包括Methanoperedenaceae（旧称ANME-2d）和Methylomirabilota门（旧称NC10）的成员[9]。前者通过甲基辅酶M还原酶（Mcr）的逆反应氧化甲烷，并将其与硝酸盐还原反应耦合[6]；后者则以亚硝酸盐为电子受体，将其还原为一氧化氮，后者进一步歧化为内源性O?，从而通过颗粒状甲烷单加氧酶（pMMO）驱动类似有氧条件的甲烷氧化[5]、[10]。此外，有研究表明某些DAMO微生物还可以利用一氧化二氮（N?O）作为最终电子受体进行AOM[11]。
在DAMO过程中，氧气水平、硝酸盐和亚硝酸盐浓度等环境条件对其代谢效率和微生物群落结构有显著影响。然而，温度被认为是影响DAMO速率和微生物活性的关键因素。Q??值和阿伦尼乌斯（Arrhenius）框架被广泛用于生物地球化学研究中定量描述温度敏感性[12]、[13]。Q??值反映了DAMO的温度响应模式，而阿伦尼乌斯框架通过分析温度与反应速率之间的关系（通过活化能和指数前因子）提供了研究温度对反应速率影响的基本理论基础[14]。
红树林湿地生态系统是海洋生态系统和陆地生态系统之间的关键界面，也是地球上碳含量最丰富的生态系统之一[15]。周期性的潮汐淹没为DAMO的发生和持续提供了适宜的厌氧条件。同时，20世纪人为氮输入量显著增加，为红树林生态系统中的DAMO提供了大量的电子受体[16]。然而，大多数现有研究通常仅在单一电子受体条件下探讨温度对DAMO过程的影响，或仅提供温度效应的定性描述。相比之下，关于不同电子受体途径（如依赖硝酸盐与依赖亚硝酸盐的DAMO）之间温度敏感性参数（如Q??值和活化能E?）的定量比较研究仍然较少，尤其是在红树林沉积物系统中[17]。这些知识空白限制了我们对DAMO如何参与全球碳和氮循环的理解，并限制了其在温室气体减排工程中的潜在应用。
本研究旨在阐明温度和电子受体（NO??、NO??）对红树林沉积物中DAMO的调控机制，并填补不同电子受体途径下温度敏感性（Q??、E?）比较的研究空白。具体而言，我们关注（i）在不同温度和电子受体条件下DAMO速率和活化能的差异，（ii）DAMO核心类群（如Methanoperedenaceae、Methylomirabilota属成员）对硝酸盐和亚硝酸盐添加的响应，以及（iii）利用指示性类群揭示电子受体对微生物群落结构的选择性影响及其功能意义。这些发现将为评估气候变暖和氮输入增加情景下红树林湿地的甲烷减排潜力和调控策略提供关键见解。
采样地点
本研究选择漳江口红树林湿地保护区（23°55′20″N, 117°25′10″E）作为采样地点（图S1）。该保护区位于中国福建省漳州市的漳江入海口。该地区具有典型的亚热带海洋季风气候，夏季炎热，冬季温和，年平均气温为21°C，年平均降水量为1714.5毫米。保护区的土壤酸碱度从酸性到中性不等[
CH?浓度和δ13CO?的时间变化
在所有电子受体条件下，CH?浓度随温度下降，在前14天内减少最为明显，之后趋于稳定（图1）。温度和电子受体均显著影响CH?的去除程度，两者之间存在显著交互作用（P < 0.01）。在35°C时甲烷消耗最快，28天后的残留浓度范围为79至155 ng/g土壤，低于15°C时的120–165 ng/g土壤。在所有条件下
DAMO活性对温度和电子受体的响应特征
通过对红树林沉积物进行多时间点的培养实验，本研究展示了温度和电子受体对DAMO过程的双重调控作用。甲烷浓度的持续下降以及电子受体（NO??/NO??）的减少表明13CH?逐渐被氧化为CO?，证实了DAMO反应的发生（图1）[5]、[6]，并揭示了其在不同处理条件下的动态变化。
结果表明，温度是
结论
本研究系统地探讨了温度和电子受体对红树林沉积物中DAMO的影响。结果表明，温度是DAMO的主要驱动因素。在35°C时，DAMO的速率和累积氧化量最高，Q??值介于1.2至1.6之间。同时，E?从培养初期的高水平迅速下降至后期较低水平。电子受体决定了DAMO活性的潜在强度和稳定性：
CRediT作者贡献声明
Manli Bai：方法学、数据分析。Chaojie Wang：方法学、概念构建。Jie Ye：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、方法学、实验设计、数据管理。Jiping Wang：监督。Guoyuan Chen：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
我们衷心感谢国家自然科学基金（项目编号41801219）和厦门市自然科学基金（项目编号3502Z202373064、3502Z202573074）的慷慨支持。
