热带湖泊中含氮细菌萜醇的季节性变化及其对甲烷氧化过程的影响

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Seasonal Variations in N-Containing Bacteriohopanepolyols and Their Aerobic Methane Oxidation Implications in a Tropical Lake

本研究通过分析中国广西湖景区Huguangyan Maar湖全年季节变化的含氮BHPs（如BHT-34S、3Me-BHT等），揭示了甲烷氧化菌（MOB）生物标志物的动态特征，发现ethenolamine-BHhexol和N-formylated-aminopentol在夏季分层期及10月翻转期深水层显著富集，表明甲烷氧化菌（MOB）活动存在季节性和垂直分层差异，同时MC-aminoBHPs的特定分布提示不同MOB群落可能。研究结果证实含氮BHPs可有效追踪湖泊中甲烷氧化过程。

　　

摘要

热带湖泊是大气甲烷的重要来源。了解和重建这些系统中的甲烷循环对于限制其气候影响至关重要。某些含氮的细菌霍普烷多醇（BHPs）可能与甲烷氧化菌（MOB）有关，显示出作为好氧甲烷氧化（AMO）生物标志物的潜力，但它们在自然环境中的行为尚未完全明了。在这里，我们展示了中国季节性分层的热带湖——虎光岩玛珥湖（HGY maar lake）中BHPs的季节性变化，特别是与MOB相关的BHPs在一年内的变化情况。本研究检测到了多种BHPs。细菌霍普烷四醇-34S（BHT-34S）、3-甲基-细菌霍普烷四醇（3Me-BHT）和细菌霍普烷五醇（BHpentol）在夏季达到峰值，这可能与细菌生物量或水温升高有关。核苷类BHPs，包括腺苷霍普烷、腺苷霍普烷_HG-diMe和Me-腺苷霍普烷_HG-Me，在深水区含量较高，且与土壤输入无关，支持了这些物质是在湖内产生的。重要的是，除了已知的MOB生物标志物如氨基五醇和氨基四醇外，乙二醇胺-BHhexol和N-甲酰化氨基五醇也显示出追踪MOB的巨大潜力。在分层期间，从5月到9月，这些物质在底层水中的含量显著增加，并在10月湖泊翻转时达到峰值。甲基氨基甲酸酯-氨基BHPs（MC-aminoBHPs）表现出不同的模式：它们仅在水层分层时在深水区富集，但没有明显的10月峰值，这可能表明存在不同的MOB群落或在低氧和高铵条件下更有利于其产生的环境条件。与大多数季节性分层湖泊中的溶解甲烷浓度和AMO变化一致，与MOB相关的BHPs也表现出强烈的季节性模式。本研究首次从BHP的角度揭示了HGY玛珥湖中AMO的季节动态，包括分层期间下层水体中AMO的增强以及10月湖泊翻转时的全湖范围AMO现象。我们的发现支持将含氮BHPs作为有效生物标志物来追踪湖泊中的AMO。

通俗语言总结

甲烷排放量正在迅速增加，因此了解甲烷在环境中如何以及在哪里被去除至关重要。某些细菌会产生称为细菌霍普烷多醇（BHPs）的生物分子，其中一些与利用氧气消耗甲烷的微生物有关。然而，这些化合物如何响应湖泊环境的变化仍不清楚。我们分析了中国南部热带湖泊虎光岩玛珥湖中BHPs的季节性变化。两种化合物——乙二醇胺-BHhexol和N-甲酰化氨基五醇——被确定为好氧甲烷氧化的强指示物。它们的含量在夏季分层期间在深水区最高，并在10月湖泊翻转时再次达到峰值，这与许多分层湖泊中观察到的好氧甲烷氧化周期相符。我们的发现首次从BHP的角度揭示了这一热带湖泊中好氧甲烷氧化的季节动态，并展示了BHPs作为水生系统中消耗甲烷的细菌的分子追踪工具的潜力。

关键点

• 首次从BHP的角度揭示了HML中AMO的季节性变化

• 乙二醇胺-BHhexol和N-甲酰化氨基五醇是有前景的MOB生物标志物

• MC-氨基BHPs可能指示不同的MOB群落

利益冲突

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

数据可用性声明

本文使用的所有数据均可获取。水质数据和BHP数据存储在Zenodo仓库中，可通过DOI链接访问：https://doi.org/10.5281/zenodo.18064359。GDGT数据可在Hu等人的补充材料中找到（2016年）。