从营养物质到信号分子：在磷限制条件下，DOP代谢驱动需氧甲烷的产生

《Water Research》：From Nutrients to Signaling Molecules: DOP Metabolism Drives Aerobic Methane Production Under Phosphorus Limitation

DOP-CH4耦合机制揭示富氧磷受限水体中甲烷生成新途径，通过phnJ基因和δ13CH?信号验证，提出磷限制→DOP利用→C-P解酶表达→甲烷释放的概念框架，拓展传统厌氧甲烷生成理论。

　　

李晨|韩松杰|张文强|单宝清

中国科学院生态环境科学研究中心环境生物技术实验室，中国北京100085，邮政信箱2871

摘要

“海洋CH?悖论”现象发生在富含氧气但CH?过饱和的海洋表层水中，这挑战了传统的厌氧甲烷生成途径。值得注意的是，许多含氧且磷限制的湖泊通常表现出显著的磷（P）限制以及溶解有机磷（DOP）利用的潜在增强趋势。这些湖泊的营养特征与海洋表层水相似，表明“DOP-CH?”代谢途径也可能存在于含氧且磷限制的湖泊中。通过检测功能性基因（如phnJ）和观测到相对富集的δ13CH?信号，本文提出了一个概念框架：‘磷限制的水体 → DOP利用增强 → C–P裂解酶表达 → 好氧CH?的产生和释放’。这一机制有可能扩展到所有具有类似营养结构的水体。基于这项研究，重新评估了DOP的作用。未来的生态模型构建迫切需要将这类代谢信号分子纳入框架，以探索它们在连接微生物生态调节、温室气体排放和对全球变化响应中的作用。

部分摘录

重要的DOP

DOP参与生物代谢，在生态系统中作为无机磷（Pi）利用和再生的关键桥梁。在生物体生长过程中，磷被合成有机化合物，在细胞组成、代谢和生理调节中发挥重要作用。含磷有机物通过渗出、排泄或生物体的衰败和分解等过程释放到周围环境中。DOP可以被

低磷水体的营养特征

海洋系统的研究表明，在磷浓度有限的地区，DOP占总磷库的很大比例，并作为维持生物生长的主要磷来源（Ogbebo等人，2009年）。这种现象不仅限于海洋环境。同样，寒冷地区的湖泊，特别是在北极、亚北极和高海拔山区广泛分布的湖泊，主要是寡营养甚至超寡营养的，也表现出

DOP–CH?耦合机制

传统观点认为CH?主要来源于厌氧分解过程。因此，“海洋甲烷悖论”促使人们重新评估好氧环境中的潜在CH?生成机制。这一代谢途径依赖于微生物中的phn操纵子这一功能性基因簇。关键基因phnJ编码负责切割C-P键的催化亚基，推动磷酸盐中稳定C-P键的分解（White等人

展望

目前对DOP介导的CH?释放机制的理解仍处于探索阶段。虽然现有研究表明该途径可能存在于海洋和某些淡水系统中，但关于其在磷限制和含氧淡水湖泊中的分子机制、发生条件和生态效应的直接证据仍然缺乏。为了将这项研究推向实证和定量理解，需要采取综合的多学科方法

CRediT作者贡献声明

李晨：撰写——初稿。韩松杰：撰写——初稿。张文强：概念化、撰写——审阅与编辑、资金获取。单宝清：概念化。

资助

本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFC3204003）的支持。

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

表1，图1

未引用的参考文献

Karl和Bj?rkman，2015年；Sepulveda-Jauregui、Walter Anthony和Martinez-Cruz，2015年；Walter、Smith和Stuart Chapin III，2007年；Wang、Du和Wei，2021年

CRediT作者贡献声明

李晨：撰写——初稿，研究。韩松杰：撰写——初稿。张文强：撰写——审阅与编辑，资金获取，概念化。单宝清：概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。