秦 宇，黃 璜,，李 哲，魯倫慧，湯 瓊,，蘇友恒,，李欣芮,

(1:重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)(2:中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714)(3:中國(guó)科學(xué)院大學(xué)重慶學(xué)院，重慶 400714)

甲烷(CH4)是大氣里的氣體成分之一，對(duì)氣候會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，是僅次于二氧化碳(CO2)的第二重要溫室氣體(greenhouse gas, GHG)[1].自17世紀(jì)以來(lái)，快速增長(zhǎng)的人類活動(dòng)使得CH4排放量快速增加[1]，目前全球大氣CH4平均濃度已達(dá)1.87 μatm[2]，且近10年其濃度年均增速為7.1×10-3μatm/a[2]，呈現(xiàn)出增速加快趨勢(shì)，CH4對(duì)全球溫室效應(yīng)的影響在逐步擴(kuò)大.內(nèi)陸水體(inland waters)主要包括湖泊、河流、水庫(kù)和淺水池塘等，通常情況下不包含自然濕地(natural wetland).盡管內(nèi)陸水體占地球水生態(tài)系統(tǒng)總面積很小，但它們?nèi)燥@著影響著全球碳收支平衡，是全球大氣溫室氣體的重要貢獻(xiàn)者[3-4].

水體中CH4濃度隨時(shí)間和深度的變化是CH4產(chǎn)生與消耗平衡的最終結(jié)果(CH4動(dòng)態(tài)平衡).傳統(tǒng)認(rèn)為，CH4在水體底部或沉積層嚴(yán)格厭氧環(huán)境下由產(chǎn)甲烷古菌產(chǎn)生并釋放進(jìn)入水體.產(chǎn)生的CH4向上覆水運(yùn)輸過程中易被甲烷氧化菌大量利用與消耗，從而明顯減少水-氣界面的CH4擴(kuò)散通量，最終未被消耗的CH4釋放進(jìn)入大氣[5].甲烷氧化菌(methane-oxidizing bacteria，MOB)由氧是否作為電子受體劃分為好氧甲烷氧化菌和厭氧甲烷氧化菌兩類.內(nèi)陸水體中，CH4的氧化過程主要是由好氧甲烷氧化菌介導(dǎo)的，而這一氧化過程可能會(huì)消耗盡全部的水體CH4產(chǎn)量[6-8].在好氧甲烷氧化菌影響因素方面，好氧甲烷氧化過程除自身生物生境偏好的影響外也會(huì)受到一系列非生物因素影響，并最終影響內(nèi)陸水體中CH4收支.本文嘗試對(duì)當(dāng)前好氧甲烷氧化過程的微生物生理生態(tài)、全球范圍內(nèi)內(nèi)陸水體好氧甲烷氧化速率、主要影響因素等進(jìn)行匯總整理，并從生物因素、非生物因素兩個(gè)方面，對(duì)當(dāng)前內(nèi)陸水體好氧甲烷氧化研究進(jìn)展進(jìn)行探討.

1 好氧甲烷氧化菌作用機(jī)理及類別

好氧甲烷氧化菌是甲基營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌的一個(gè)分支，MOB廣泛分布于各種水體環(huán)境中[9].其中甲烷單加氧酶(Methane monooxygenase，MMO)，包括可溶性甲烷單加氧化酶(soluble MMO, sMMO)和顆粒性甲烷單加氧化酶(particulate MMO，pMMO)，是推動(dòng)微生物代謝層面上CH4氧化的關(guān)鍵[10-12].兩類MMO會(huì)催化氧化CH4為甲醇(CH3OH)，CH3OH會(huì)被進(jìn)一步氧化為甲醛(HCHO).而后HCHO通過戊糖-磷酸核酮糖(RuMP)途徑或者絲氨酸(Serine)途徑進(jìn)一步反應(yīng)被轉(zhuǎn)化為甲酸或者細(xì)胞質(zhì)，最終所有的反應(yīng)會(huì)將CH4反應(yīng)成為CO2，好氧甲烷氧化菌具體代謝過程如圖1所示.目前普遍認(rèn)為，sMMO僅存在于少數(shù)的甲烷氧化菌中，pMMO存在于幾乎所有已知的甲烷氧化菌中[13-14].最初，基于生理、形態(tài)、超微結(jié)構(gòu)和化學(xué)分類學(xué)特征，好氧甲烷氧化菌被分為Type Ⅰ型與Type Ⅱ型兩大類.Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌特征是：(ⅰ)以RuMP作為反應(yīng)途徑去同化產(chǎn)生的甲醛;(ⅱ)細(xì)胞內(nèi)主要含有16-C脂肪酸；(ⅲ)胞內(nèi)膜形態(tài)呈現(xiàn)為束狀分布；Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌特征是(ⅰ)以Serine作為反應(yīng)途徑去同化產(chǎn)生的甲醛；(ⅱ)細(xì)胞內(nèi)的優(yōu)勢(shì)脂肪酸為18-C脂肪酸;(ⅲ)胞內(nèi)膜分布在菌內(nèi)細(xì)胞壁的周圍[15].對(duì)16S rRNA基因序列的系統(tǒng)進(jìn)化分析也證實(shí)了上述分類，進(jìn)一步將Type Ⅰ型和Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌分別歸于γ-變形菌和α-變形菌[16].

圖1 好氧甲烷氧化菌代謝過程化學(xué)反應(yīng)路徑

隨研究深入，好氧甲烷氧化菌的分類系統(tǒng)更加細(xì)化.目前，γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria，約16屬，也稱之為Type Ⅰ型).α-變形菌綱(Alphaproteobacteria，約6屬，Type Ⅱ型)被劃分為IIa型和IIb型好氧甲烷氧化菌[17-18]；γ-變形菌(Type Ⅰ型)的劃分方式仍然存在一定分歧，一般的劃分方式是將Methylococcaceae科劃分為Ia型和Ib型，Methylothermaceae科劃分為Ic型好氧甲烷氧化菌[19].在2007年的Nature報(bào)道的3株極端嗜酸(pH<2)的好氧甲烷氧化菌，它們均屬于疣微菌門(Verrucomicrobia，目前已知2屬)，這種新發(fā)現(xiàn)細(xì)菌被劃分為Ⅲ型好氧甲烷氧化菌[20-22]，而其相應(yīng)的循環(huán)途徑(CBB)是將CO2作為碳源供給自己的代謝活動(dòng)，且這種CO2的利用除從自身產(chǎn)出的也可以利用水環(huán)境中的，這與NC10門厭氧甲烷氧化菌的代謝過程是相同的.現(xiàn)階段，內(nèi)陸水體中好氧甲烷氧化菌研究大多圍繞γ-變形菌和α-變形菌的生態(tài)位分化展開.在此基礎(chǔ)上，好氧甲烷氧化菌系統(tǒng)分類研究則更加強(qiáng)化了對(duì)菌種的地理空間分布及生境偏好研究，這為內(nèi)陸水體中CH4氧化的分析過程提供新思路.

2 內(nèi)陸水體好氧甲烷氧化菌生境偏好

好氧甲烷氧化菌最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)初，但直到1970s，才對(duì)其進(jìn)行了廣泛的分離和鑒定，以便進(jìn)行詳細(xì)的生理分析.大多數(shù)已知的好氧甲烷氧化菌在中等酸堿度(pH 5～8)以及溫度范圍(20～35℃)下生長(zhǎng)最好，同時(shí)隨著生物化學(xué)進(jìn)步嗜冷(生長(zhǎng)<15℃)、嗜熱(生長(zhǎng)>40℃)、嗜堿(pH>9.0)和嗜酸(pH<5)的特殊好氧甲烷氧化菌在極端水環(huán)境中被逐漸分離出來(lái)[23-24].對(duì)于非極端條件下內(nèi)陸水體而言，溫度和溶解氧(DO)濃度、CH4濃度聯(lián)系緊密，三者構(gòu)成了好氧甲烷氧化菌活性變化與代謝區(qū)域的直接影響因素，因而研究好氧甲烷氧化菌生境時(shí)往往伴隨著三大影響因素的研究[25-28].

內(nèi)陸水體中Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌通常被認(rèn)為是CH4氧化的“先鋒隊(duì)”.在一些水體表層沉積物中Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌的pmoA基因拷貝量甚至比Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[29-30].Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌則更像是CH4氧化的“常備軍”.盡管Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌不常占優(yōu)，但卻呈現(xiàn)出對(duì)生境脅迫(溫度、DO、pH等)的高耐受性，具有更強(qiáng)的“彈性”或穩(wěn)定性以應(yīng)對(duì)生境變化[31].故有研究者傾向于將Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌的生存策略歸納為“C型”(競(jìng)爭(zhēng)者)，而Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌的生存策略則是更接近于“S型”(脅迫耐受者)[32].

2.1 好氧甲烷氧化菌的溫度偏好

Shivaji等[33]認(rèn)為每種類型的好氧甲烷氧化菌都有適宜生長(zhǎng)的溫度，溫度的變化也可能導(dǎo)致好氧甲烷氧化菌群落的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時(shí)有研究表明降水與溫度的相互作用對(duì)部分好氧甲烷氧化菌豐度帶來(lái)明顯變化[34].同時(shí)溫度也會(huì)影響好氧甲烷氧化菌的酶活性，如羥丙酮酸還原酶、己糖磷酸合酶、甲酸脫氫酶和核糖二磷酸羧化酶活性等[35].盡管Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌和Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌在較寬的溫度范圍內(nèi)都具有活性[36]，但通常情況下，Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌在高于15℃的溫度下生長(zhǎng)較好[37-38]，Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌則在低溫(5～15℃)下更有利[24]，例如在南極分離的Methylomonasscandinavica就屬于耐低溫菌[39-40].但Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌不止一個(gè)屬種可以適應(yīng)高溫環(huán)境，其中Methylococcus和Methylocaldum就是一類特殊的耐熱菌，而Type Ⅰ型中的Methylothermusthermalis最高活性下的溫度超過了55℃[41].而擁有高耐受性的Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌也存在耐低溫的菌種[42].

2.2 好氧甲烷氧化菌的溶解氧濃度偏好

內(nèi)陸水體不同類別的好氧甲烷氧化菌群落分布會(huì)受到DO濃度的明顯影響，有研究發(fā)現(xiàn)分層明顯的水體中，地表水和中層水主要由Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌主導(dǎo)，而Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌在深水中占主導(dǎo)[43].在內(nèi)陸水體中，所有好氧甲烷氧化菌很少出現(xiàn)在水體表層，這是因?yàn)樗w表層過高的DO濃度會(huì)抑制好氧甲烷氧化菌活性，所以通常好氧甲烷氧化菌豐度最高處發(fā)生在沉積物或水體內(nèi)的好氧-厭氧交界處，即DO濃度和CH4濃度梯度相交處[44].然而Pavin湖中的缺氧層中檢測(cè)到了Methylobacter屬好氧甲烷氧化菌[45]，且部分的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌更適應(yīng)極端缺氧條件.同時(shí)原位實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌在極端缺氧環(huán)境中有不同屬的存在.例如Kalyuzhnaya等[46-48]研究發(fā)現(xiàn)，Methylobacteralcaliphilumstrain 20Z在DO含量小于5%時(shí)，好氧甲烷氧化菌的活性會(huì)受抑制使反應(yīng)速率下降，MethylobactertrichosporiumOB3b與MethylobacterparvusOBBP對(duì)于DO含量變化響應(yīng)不明顯，而Methylobactertrichosporium最適DO含量在1.6%～18%之間.這一系列研究表明好氧甲烷氧化菌，特別是Methylobacter屬在低DO含量條件下具有更高的活性.而從生物因子角度解釋[49]，好氧甲烷氧化菌產(chǎn)生活性氧產(chǎn)物(包括超氧陰離子自由基、過氧化氫和羥基自由基)作為代謝過程中的副產(chǎn)物，這會(huì)對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成氧化損傷，因此大量好氧甲烷氧化菌生存于DO濃度更低且CH4濃度更高的水體深層，既滿足了基本的氧需求也滿足反應(yīng)底物濃度的需求.而在缺氧情況下，Oswald等[28]通過放射性示蹤實(shí)驗(yàn)揭示了CH4氧化的光誘導(dǎo)作用下，看似缺氧的水層存在DO，并且在同一區(qū)域發(fā)現(xiàn)了Methylobacter屬的好氧甲烷氧化菌[50].而在瑞士LagodiCadagno湖，研究者發(fā)現(xiàn)光穿透好氧區(qū)到達(dá)缺氧區(qū)，好氧甲烷氧化菌可以利用藻類光合作用所產(chǎn)生的DO在缺氧區(qū)內(nèi)進(jìn)行好氧甲烷氧化過程[51].這意味著光通過水中生物進(jìn)行隱性光合作用，可以擴(kuò)大適合好氧甲烷氧化菌的氧化帶，從而推動(dòng)好氧甲烷氧化菌的代謝反應(yīng).

2.3 好氧甲烷氧化菌的甲烷濃度偏好

好氧甲烷氧化菌的代謝過程活性也會(huì)受限于CH4濃度，其濃度和可利用性是影響代謝過程的關(guān)鍵因素之一，低CH4濃度會(huì)導(dǎo)致整體的好氧甲烷氧化菌氧化活性下降[52-53].Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌對(duì)CH4濃度變化響應(yīng)較Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌明顯[54]，在相對(duì)適宜的水環(huán)境條件下占優(yōu).而Crevecoeur等[9]在加拿大魁北克自然水域的研究中發(fā)現(xiàn)Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌在極端的CH4濃度下(過高或過低)傾向于占優(yōu).其原因可能是Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌對(duì)生境脅迫的高耐受性，在極端CH4濃度下尤為重要[31].因而Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌可能在支持其快速生長(zhǎng)的穩(wěn)點(diǎn)環(huán)境中占主導(dǎo)地位，而Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌則更能承受環(huán)境的波動(dòng)影響，并逐漸在極端環(huán)境下占主導(dǎo)地位.

2.4 好氧甲烷氧化菌的其他環(huán)境因子偏好

3 內(nèi)陸水體好氧甲烷氧化速率數(shù)據(jù)分析

3.1 同位素測(cè)試甲烷氧化速率方法

好氧甲烷氧化菌對(duì)不同重量碳元素的CH4分子利用程度不同，所以出現(xiàn)了在氧化一部分CH4分子后，剩余的CH4分子中13CH4相對(duì)富集的情況[65]，這樣的過程叫做同位素分餾.同位素在動(dòng)力學(xué)上的差異使我們可以利用CH4在氧化前后δ13C比值的差異來(lái)定量地表示CH4氧化的速率.

在前期探索中，許多研究者發(fā)現(xiàn)CH4的氧化符合Rayleigh蒸餾公式[65]，Coleman等[66]在1981年發(fā)表的文章中推導(dǎo)并定義了一套CH4氧化公式，該公式與Rayleigh公式本質(zhì)上相同，都是對(duì)分餾系數(shù)α的探討，后續(xù)在研究CH4氧化速率中使用的分餾系數(shù)α含義也來(lái)源于此.之后在2002年Bastviken等[5]比較了當(dāng)時(shí)主流的幾種CH4氧化測(cè)試方法，發(fā)現(xiàn)14C、13C和質(zhì)量平衡模型都能展示相同的規(guī)律，之后很多文獻(xiàn)[6-8]使用13C法來(lái)測(cè)量CH4氧化速率的公式大多是基于此，本文章的文獻(xiàn)調(diào)查采用的好氧甲烷氧化速率也是基于此.但是在自然界，并不是所有的地區(qū)都存在一個(gè)較高且合適的CH4濃度，同時(shí)也不能忽視好氧水體自生產(chǎn)CH4現(xiàn)象[67].傳統(tǒng)的測(cè)試方法在測(cè)量更低CH4濃度條件下的氧化速率時(shí)就無(wú)法得到精確的數(shù)據(jù)，并且在水體自身產(chǎn)生CH4的情況下會(huì)低估氧化速率.而采用放射性同位素3H標(biāo)記的CH4分子可以在CH4濃度非常低的情況下測(cè)得CH4氧化速率.但在實(shí)際操作中，放射性同位素3H受本身造價(jià)以及更嚴(yán)格的控制條件要求并未大范圍運(yùn)用在內(nèi)陸水體中，而主要利于海水的CH4氧化測(cè)試.

3.2 全球內(nèi)陸水體好氧甲烷氧化速率調(diào)查統(tǒng)計(jì)

本文調(diào)查收集了好氧甲烷氧化速率(methane oxidation rate，MOX)研究全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)共40余篇文獻(xiàn)，文獻(xiàn)均來(lái)自于Web of Science中公開發(fā)表的文獻(xiàn)，搜索關(guān)鍵詞為Methane oxidation、Aerobic methane oxidation、Aerobic methane-oxidizing bacteria、Methane oxidation rate.對(duì)檢索到的文獻(xiàn)進(jìn)行分類，刪除海洋、河流入?？?、土壤研究.文獻(xiàn)調(diào)查含39個(gè)湖泊、1個(gè)河流、2個(gè)水庫(kù).此外，為方便比較，文獻(xiàn)檢索中增加了7個(gè)河口與海岸案例(圖2).

圖2 全球內(nèi)陸水體好氧甲烷氧化速率分析

圖2中，A為相關(guān)檢索案例在全球的分布情況，本圖在Kottek等[68]的柯本氣候圖底圖上修改；圖2B為不同緯度水體中MOX分布；C為不同水深MOX分布；Oxic MOX代表在好氧環(huán)境下MOX(DO>2 mg/L)；Oxic-Anoxic表示水體中好氧-缺氧界面的MOX(DO=2 mg/L臨界值)；圖2C中直線代表水深與Oxic MOX線性擬合結(jié)果(P<0.05)，虛線代表水深與Oxic-Anoxic MOX線性擬合結(jié)果(P<0.05)；圖2D為不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下MOX的統(tǒng)計(jì)，包含了Oxic和Oxic-Anoxic兩種情況；圖2E為好氧環(huán)境(Oxic)、好氧-缺氧界面間(Oxic-Anoxic)的MOX統(tǒng)計(jì)；圖2F為不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)水體DO濃度與MOX的關(guān)系.為方便作圖表達(dá)，刪除了若干個(gè)極端數(shù)據(jù)值(洪水爆發(fā)期、河流入海口海水倒灌等多種使水體短時(shí)間發(fā)生劇烈變化的情況).

MOX測(cè)定的研究案例，大部分集中在北緯30°～75°的溫帶和寒帶地區(qū)(圖2B)，且主要位于北美與歐洲(圖2A).湖泊是開展內(nèi)陸水體好氧甲烷氧化研究的主要對(duì)象.但大體上，緯度差異并未影響不同內(nèi)陸水體的MOX.例如，位于北緯45°加拿大的Morency湖泊[69]和北緯71°俄羅斯的Lena河流[70]對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，Lena河外來(lái)輸入有機(jī)質(zhì)濃度較低且本身底物產(chǎn)CH4能力較低，MOX為0.000419 μmol/(L·d)，比Morency湖泊少4個(gè)數(shù)量級(jí)；北緯65°N，屬寒帶氣候的俄羅斯Svetloe湖MOX為0.0009 μmol/(L·d)[71]比北緯46°屬溫帶氣候的美國(guó)俄勒岡州Spirit湖[72]MOX小3個(gè)數(shù)量級(jí).雖然Svetloe湖營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更豐富，即便如此，排除掉少數(shù)數(shù)量級(jí)相差過大水體，對(duì)主要數(shù)量級(jí)上的MOX做線性回歸依然發(fā)現(xiàn)緯度對(duì)MOX無(wú)顯著性相關(guān).營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、DO濃度變化亦未顯著影響MOX變化(圖2E、F)，但在中-富營(yíng)養(yǎng)水體中MOX均值略高于貧營(yíng)養(yǎng)水體(圖2D).富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊高光合速率、有機(jī)物生產(chǎn)力使得產(chǎn)CH4底物濃度上升，而缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入的貧營(yíng)養(yǎng)湖過低CH4濃度限制著水體的CH4氧化[57,73].在不同水深MOX分布中(圖2C)，發(fā)現(xiàn)貧營(yíng)養(yǎng)水體MOX與水深無(wú)顯著相關(guān)(P>0.05)，而中-富營(yíng)養(yǎng)水體MOX與水深顯著負(fù)相關(guān)(Spearman，P<0.05)，其原因可能是CH4由底部產(chǎn)生直至上覆水過程中，由于水體過深導(dǎo)致氣體在水柱中停留時(shí)間過長(zhǎng)的綜合作用下整個(gè)水柱CH4氧化發(fā)生明顯改變[74].

4 不同類型內(nèi)陸水體好氧甲烷氧化過程研究進(jìn)展

不同類型水體具有明顯差異的水文條件、水環(huán)境條件與水生態(tài)特征，所處地理區(qū)域及所受人類社會(huì)活動(dòng)影響大小的不同，故本小節(jié)將對(duì)不同類型內(nèi)陸水體(湖泊、河流、水庫(kù)為主)以及其他內(nèi)陸水環(huán)境好氧甲烷氧化過程進(jìn)行綜述，以期對(duì)不同內(nèi)陸水體好氧甲烷氧化變化情況有更加明晰的把握.

4.1 湖泊中的好氧甲烷氧化過程

CH4的產(chǎn)生與氧化問題已在湖泊中進(jìn)行了廣泛研究，CH4是湖泊中碳代謝的主要產(chǎn)物，在湖泊中產(chǎn)生的CH4被氧化的比例可能很大(30%～90%).垂向分層通常是深水湖泊的一個(gè)屬性，溶解物質(zhì)的積累導(dǎo)致上、下層間的密度差異阻止了其完全混合，相應(yīng)的DO分層情況也十分明顯[75]；而在一些存在湖面傾覆現(xiàn)象的湖泊，湖水因?yàn)樗w混合導(dǎo)致深層儲(chǔ)存的CH4向湖面移動(dòng)，也會(huì)因?yàn)镃H4富集引發(fā)好氧甲烷氧化菌的大量繁殖與生態(tài)演替同步對(duì)過量釋放的CH4進(jìn)行消耗[76].好氧甲烷氧化過程是一種需氧過程，準(zhǔn)確的說(shuō)在通常情況下是一種微需氧過程.CH4氧化受到DO濃度的限制[77].在深層厭氧的大型湖泊中本身的MOX大小往往取決于CH4氧化層(好氧甲烷氧化菌聚集并進(jìn)行代謝的微氧區(qū)域)的深度，CH4氧化層區(qū)域越廣，MOX就越高，這種氧化層的差異在季節(jié)性分層中尤為明顯[78].而與深水湖相比，淺水湖水分層不易出現(xiàn)，很多水體全年水柱都是有氧狀態(tài)[79]，這也使得可能經(jīng)過計(jì)算后水體無(wú)明顯的好氧甲烷氧化過程，導(dǎo)致部分淺水湖對(duì)好氧甲烷氧化菌研究需要延展到沉積物中.

雖然DO是好氧甲烷氧化過程所必需的物質(zhì)，但過高濃度會(huì)影響好氧甲烷氧化菌的活性從而降低MOX[80].研究資料[25-28]表明最高M(jìn)OX情況通常出現(xiàn)在低DO濃度區(qū)域，并伴隨較高CH4濃度，而湖泊表層DO濃度過高M(jìn)OX顯得會(huì)極為微小甚至無(wú)法檢測(cè).有研究者[80-81]發(fā)現(xiàn)低DO濃度與高有機(jī)物沉積速率相結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致“新鮮”有機(jī)物更好地埋藏在沉積物中，有利于CH4生成.同時(shí)湖泊水體的水柱缺氧時(shí)的水柱分層阻礙了底部水和地表水之間的交換，這又會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)底部水中CH4的積累.然而湖泊中微氧并不總是能觀察到最高CH4濃度，其原因可能是過高M(jìn)OX導(dǎo)致CH4凈產(chǎn)出量減少，這也解釋了為什么可能在深水湖泊出現(xiàn)MOX大于CH4產(chǎn)生速率的情況.

對(duì)低緯度熱帶湖泊、溫帶湖泊和北方湖泊進(jìn)行比較，與大多數(shù)生物代謝過程一樣，CH4氧化也會(huì)表現(xiàn)出溫度依賴特點(diǎn)[25]，一年四季的高水溫可能會(huì)使好氧甲烷氧化菌有著更高的活性，因此常常能觀察到低緯度熱帶湖泊MOX大于后者[78,82]，且通常較高溫度下可以觀察到水體有著較快的MOX周轉(zhuǎn)率[52].而高緯度湖泊占地球上所有湖泊的很大一部分，一年中的很多個(gè)月都可能被冰覆蓋，冰融化時(shí)期CH4排放占全年CH4排放的比例較大，高M(jìn)OX也會(huì)出現(xiàn)在此階段[77].這主要是因?yàn)閮鐾林蠨OC大量輸入所帶來(lái)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠提高水體CH4濃度[74].例如yedoma類型凍土(主要出現(xiàn)在西伯利亞、阿拉斯加和加拿大西北部以前未冰化地區(qū)一種富含有機(jī)物的凍土)由于溫度升高凍土融化會(huì)帶來(lái)大量的產(chǎn)CH4底物[77].

內(nèi)陸湖泊中Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌主導(dǎo)著整個(gè)湖泊和水柱層的CH4氧化活動(dòng)，對(duì)CH4循環(huán)有著更顯著的作用，例如 Washington、Constance湖以及其他湖泊[30,43,83]，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌通常是溫帶湖泊中上層細(xì)菌群落的重要組成部分[24]，對(duì)于逃逸到水體中上層的CH4起主要的消耗作用.對(duì)部分湖泊中上層水樣進(jìn)行功能基因測(cè)序，發(fā)現(xiàn)Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌中的Methylobacter屬占主導(dǎo)地位[45,84-85]，而在Rotsee湖和Zug湖中，利用穩(wěn)定同位素標(biāo)記與單細(xì)胞成像質(zhì)譜聯(lián)用，發(fā)現(xiàn)Type Ⅰ型甲烷氧化菌中的Crenothrixpolyspora參與了氧躍層以下的CH4氧化過程[86].一些低緯度熱帶湖泊中雖然表層的好氧甲烷氧化菌是以Type Ⅱ型為主，但在營(yíng)養(yǎng)程度更高的深層水體與底部沉積物依然是好氧甲烷氧化菌更為富集[87].而在湖泊沉積物中Methylomonas、Methylosinus、Methylocystis等多種Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌是CH4氧化過程的主要貢獻(xiàn)者[30,83,88].

4.2 河流中的好氧甲烷氧化過程

河流水文水動(dòng)力條件明顯不同于其他內(nèi)陸水體，且受人類社會(huì)活動(dòng)影響較大.相對(duì)于大氣，許多河流表層的CH4和CO2都過飽和，河流也因此成為了快速的碳循環(huán)場(chǎng)所.雖然一部分碳最終被輸入到海洋，但更多的碳在河流中代謝并以CH4氣體的形式流失到大氣中[89]，由于這種快速的異源輸入，河流向大氣排放CH4的潛力在不斷接受社會(huì)影響下對(duì)大氣中的溫室氣體影響日益加重.河流礫石河床會(huì)對(duì)CH4生產(chǎn)做出快速的響應(yīng)，即CH4的氧化，從而減輕CH4通過沉積物層的擴(kuò)散(清水河流水柱CH4氧化層一般可以忽略不計(jì))，所以一旦CH4處于河流沉積物中上層，可滲透的有氧礫石河床便成為減少CH4擴(kuò)散排放的最終屏障.而由于不同河流水體之間的水力條件差異較大且水體本身周轉(zhuǎn)周期較快，同時(shí)河流一般無(wú)法像水庫(kù)以及湖泊出現(xiàn)特別明顯的水分層現(xiàn)象，微氧區(qū)域很難出現(xiàn)在河流水體中.

在所有水層中，表層水體接受的光輻射強(qiáng)度最大，河流由于其水深較淺受到光照影響也就最為明顯.光輻射強(qiáng)度過大會(huì)抑制好氧甲烷氧化菌的活性[28]，使得在晝夜循環(huán)中MOX表現(xiàn)出較大的差異.同時(shí)由于水體光輻射強(qiáng)度會(huì)受到DOC濃度的影響而加快衰減，因而上部光照充足的水層中DOC濃度是光照對(duì)MOX影響的重要預(yù)測(cè)因子，但是在光線抑制不再是有效驅(qū)動(dòng)因素的黑暗深層水中會(huì)被DO濃度所取代[25].河流沿程光照條件復(fù)雜、微氧區(qū)域分散、DOC輸入來(lái)源眾多(很多河流靠近人類生活生產(chǎn))，所以單條河流好氧甲烷氧化菌生境的研究對(duì)整個(gè)河流生態(tài)體系代表性意義并不大，更多對(duì)河流的研究都集中在了MOX與其影響因素上.

CH4作為好氧甲烷氧化菌主要的碳源能量，MOX與CH4生產(chǎn)率是相輔相成的，且MOX對(duì)CH4濃度變化響應(yīng)最為敏感[27,69].當(dāng)河流中的DO濃度滿足好氧甲烷氧化菌需求，CH4濃度對(duì)MOX的影響明顯高于DO濃度.與在許多湖泊和土壤中一樣，CH4異養(yǎng)作用在河床沉積物中也受底物限制，因此MOX隨CH4濃度的增加基本呈線性增加[8].中小型河流中，河床礫石級(jí)配對(duì)MOX有一定影響.Shelley等[8]發(fā)現(xiàn)粗砂礫河床MOX因CH4底物濃度較低而受限；在較細(xì)的泥沙淤積區(qū)域MOX顯著升高(細(xì)顆粒沉積物由于其密集的形態(tài)擁有更大的CH4容量，會(huì)同時(shí)生成CH4和氧化CH4)，受溫度影響顯著，并超過CH4產(chǎn)生速率.若河流受光條件不佳甚至受到遮擋，河流MOX則顯著升高約78%[90]；而在Elbe河的研究發(fā)現(xiàn)，好氧甲烷氧化過程主要存在于河床，MOX在上游山區(qū)河段明顯強(qiáng)于下游低地河段[91-92].Barbosa等[82]對(duì)河流的季節(jié)性研究則發(fā)現(xiàn)，河流由于季節(jié)性枯水與豐水在水位和流量上有很大波動(dòng)，使MOX有顯著改變.而其中部分河流季節(jié)性豐水期會(huì)發(fā)現(xiàn)夏、秋季CH4總損失量會(huì)高于春、冬季[52,82]，且季節(jié)性降雨所導(dǎo)致的水溫變化可直接影響微生物代謝率，例如產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌.而由于咸水中存在的物理、化學(xué)機(jī)理，河流入?？谔幍柠}度和懸浮顆粒物濃度能強(qiáng)烈影響MOX，有研究表明水體中鹽度能對(duì)MOX產(chǎn)生一定抑制作用，而懸浮顆粒物濃度對(duì)MOX表現(xiàn)為積極影響[52].

4.3 水庫(kù)中的好氧甲烷氧化過程

水庫(kù)是受人為影響下的大型內(nèi)陸水體，由于其產(chǎn)CH4底物與CH4的來(lái)源豐富，CH4的生產(chǎn)、運(yùn)輸、氧化過程更為復(fù)雜.水庫(kù)CH4主要排放途徑分為三類：淺水區(qū)氣泡釋放、水-氣界面擴(kuò)散釋放、水輪機(jī)和溢洪道下游的消氣釋放.與湖泊相同，由于熱帶地區(qū)水庫(kù)水溫較高，有利于有機(jī)物的降解，CH4生產(chǎn)和氧化高于相似條件下的溫帶、北方水庫(kù)，同時(shí)MOX也相應(yīng)很高[27,93].水庫(kù)由于其調(diào)蓄作用導(dǎo)致其水力條件季節(jié)性變化明顯，而季節(jié)變化帶來(lái)的溫度變化有時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響CH4在亞熱帶和熱帶水庫(kù)的深層區(qū)域中的生產(chǎn)，使得CH4氧化受CH4濃度限制[94].同時(shí)在春季和夏季，有的水庫(kù)強(qiáng)分層，DO滲透并不夠，好氧甲烷氧化菌只能在更小的范圍內(nèi)活動(dòng)[93].這與Lofton等[95]提出的特定基質(zhì)-溫度相互作用理論相吻合，只有CH4處于飽和條件下MOX受到溫度的影響能明顯觀察到，即在限制CH4濃度時(shí)溫度對(duì)MOX影響并不明顯，因此MOX還依賴于一套與溫度相互關(guān)聯(lián)的其他環(huán)境變量，這在溫度分層和氧分層尤為明顯的深水水庫(kù)十分重要.同時(shí)溫度對(duì)底層水中CH4氧化的影響可能受到水中DO濃度的調(diào)節(jié)，而在低氧條件下，溫度變化沒有明顯影響CH4氧化[25].且由于水庫(kù)的水分層現(xiàn)象，在不同水層運(yùn)輸過程中CH4向上擴(kuò)散和DO向下滲透都會(huì)受到一定的影響[96].因此在水庫(kù)水分層與混合不同階段會(huì)發(fā)現(xiàn)CH4濃度和DO濃度有相當(dāng)大的差異，好氧甲烷氧化菌生長(zhǎng)區(qū)域也會(huì)因此受限.Type Ⅰ型甲烷氧化菌和Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌在水庫(kù)中因DO構(gòu)成的氧化層中均有廣泛的分布.在亞熱帶水庫(kù)(Little Nerang Dam、Lake Baroon 和Lake Wivenhoe)可以發(fā)現(xiàn)豐富Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌(如Crenothrixpolyspora、Methylomonas、Methylocaldum)[93].而位于法屬圭亞那的Petit-Saut Reservoir則觀察到了Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌占據(jù)著主要的CH4氧化活動(dòng)[27].

水庫(kù)擁有著特殊水利條件與消落帶漲落情況，這使得水庫(kù)有著高外來(lái)輸入有機(jī)碳的特點(diǎn).低中營(yíng)養(yǎng)內(nèi)陸水體中陸地來(lái)源的 DOC會(huì)明顯影響水體的顏色，水體顏色變化比溫躍層深度更能減少光的穿透，達(dá)到光抑制作用[97]，使得表層光照強(qiáng)度下降從而提高表層MOX，并由于表層水DO的更多消耗進(jìn)一步導(dǎo)致缺氧性水層擴(kuò)展到了較淺的深度，形成深層水體缺氧狀態(tài).因此控制水庫(kù)等內(nèi)陸水體的CH4氧化有2個(gè)尤為重要的變量——DO濃度和有效光輻射，這兩者會(huì)受到水體中DOC濃度的影響，從而使得DOC濃度間接影響MOX.同時(shí)，水庫(kù)底部的有機(jī)物本身礦化過程所導(dǎo)致的耗氧也會(huì)影響CH4通過好氧甲烷氧化菌被氧化.而對(duì)于菌種本身來(lái)說(shuō)，DOC濃度過高通常會(huì)伴隨著更高的好氧甲烷氧化菌豐度，且可能會(huì)出現(xiàn)更高的Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌比例[63].

4.4 其他內(nèi)陸水環(huán)境的好氧甲烷氧化過程

濕地生態(tài)系統(tǒng)是陸地自然生態(tài)系統(tǒng)與水體自然生態(tài)系統(tǒng)的特殊過渡型生態(tài)系統(tǒng).濕地生態(tài)系統(tǒng)占內(nèi)陸面積不超過10%，含碳量占內(nèi)陸總儲(chǔ)存碳量的18%[98]，但向大氣釋放CH4總量卻占據(jù)了全球自然生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放總量的30%左右[99].好氧甲烷氧化菌在濕地生態(tài)系統(tǒng)中約能氧化掉其CH4產(chǎn)量的一半左右，但無(wú)法像內(nèi)陸水體一樣提供更為廣的好氧甲烷氧化菌生存區(qū)域而導(dǎo)致部分濕地其CH4氧化可能是由厭氧微生物介導(dǎo)，同時(shí)濕地水文條件也決定了濕地生態(tài)系統(tǒng)有著較高的CH4逃逸率，使其成為了自然生態(tài)系統(tǒng)主要的排放源之一[82].目前濕地發(fā)現(xiàn)的好氧甲烷氧化菌主要為α-變形菌和γ-變形桿菌，并未發(fā)現(xiàn)Verrucomicrobia門.其中屬于Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌最先由McDonald團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)揭示了偏酸性濕地的主要菌種來(lái)源是Methylosinus和Methylocystis，后者發(fā)現(xiàn)在偏酸性濕地處于更加常見的位置[100-102].而后Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌也在一些自然濕地被逐步發(fā)現(xiàn)[103]，其中Kip等[104]首次發(fā)現(xiàn)了適應(yīng)酸性濕地環(huán)境的Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌.在大量的濕地研究中Methylocystis通常占據(jù)著主要的CH4氧化工作，在偏酸性濕地基本也是Type Ⅱ型好氧甲烷氧化菌；而在極端寒冷條件下的濕地生態(tài)系統(tǒng)中Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌占比更大.相應(yīng)的，我國(guó)對(duì)于若爾蓋濕地、日干喬濕地等地區(qū)近些年也開啟了相應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)Type Ⅰ型好氧甲烷氧化菌占比更大，且Methylobacter、Methylocystis兩類菌種是主要的CH4氧化參與者[17,105].

淺水池塘作為內(nèi)陸水體的一部分其碳動(dòng)態(tài)關(guān)注度也在逐漸升高[106].這類小型淺層水系統(tǒng)其系統(tǒng)特征會(huì)影響CH4排放以及氧化，并能從一定程度上解釋部分地區(qū)CH4排放被低估的現(xiàn)象有可能來(lái)自于淺水池塘[107].例如，在人為活動(dòng)影響下的水產(chǎn)養(yǎng)殖池是強(qiáng)溫室氣體CH4排放源，通常其氣泡形態(tài)排放的CH4占比會(huì)明顯高于其他水體[108-109].而其他內(nèi)陸環(huán)境，例如森林、草原甚至垃圾填埋場(chǎng)也會(huì)發(fā)現(xiàn)好氧甲烷氧化菌的身影，但由于其不容易滿足好氧甲烷氧化菌生存與代謝環(huán)境使得好氧甲烷氧化菌無(wú)法大量氧化CH4的產(chǎn)出.

5 內(nèi)陸水體好氧甲烷氧化過程對(duì)全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)

內(nèi)陸水體作為全球CH4預(yù)算的重要來(lái)源，自然生態(tài)中考慮到開放水域和植物介導(dǎo)的通量, 湖泊生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為對(duì)總的自然CH4排放有6%～16%的貢獻(xiàn)[110].河流向大氣釋放CH4年均總量約為26.8 Tg/a; 水庫(kù)向大氣釋放CH4年均總量約為17.7 Tg/a[4,111], 兩者分別占全球內(nèi)陸水體向大氣釋放CH4總量的16%、22%.內(nèi)陸水體對(duì)大氣溫室氣體的貢獻(xiàn)是CH4在水環(huán)境中“源”與“匯”動(dòng)態(tài)平衡下的結(jié)果，也就是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)出與甲烷氧化菌氧化共同調(diào)節(jié)下的整體反饋.實(shí)際上來(lái)自于水體產(chǎn)生的CH4總量遠(yuǎn)大于監(jiān)測(cè)到輸入大氣的CH4總量.但由于兩類菌在溫室效應(yīng)下溫度抬升的響應(yīng)不同，這種“源”與“匯”的動(dòng)態(tài)平衡始終以“源”大于“匯”的正向反饋為主，形成了全球變暖正反饋回路機(jī)制[112].即溫度抬升刺激“源”大于“匯”的動(dòng)態(tài)平衡導(dǎo)致CH4排放進(jìn)一步增加繼續(xù)擴(kuò)大全球變暖，這樣CH4反饋回路也同步反映在了全球碳循環(huán)的反饋回路中.在最近的研究中，通過將甲烷氧化菌對(duì)CH4的敏感程度進(jìn)行劃分，所展現(xiàn)出的CH4高敏性甲烷氧化菌對(duì)全球碳循環(huán)的CH4“匯”有著更為明顯作用，使得好氧甲烷氧化過程對(duì)全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)日漸明晰[113].而隨著研究者不斷對(duì)極端生境下新類型甲烷氧化菌以及更多兼性甲烷氧化菌的發(fā)現(xiàn)，也對(duì)全球碳收支運(yùn)算提出了更高更精細(xì)的要求，推動(dòng)著人類對(duì)CH4循環(huán)、碳循環(huán)的進(jìn)一步認(rèn)知.

從菌種本身來(lái)看，好氧甲烷氧化菌廣泛的分布在內(nèi)陸水體(湖泊、河流、水庫(kù)、淺水池塘)、濕地、森林、草原等陸地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境中.菌群以碳源作為生產(chǎn)代謝的能源，其介導(dǎo)的好氧甲烷氧化過程是全球碳循環(huán)重要的微生物調(diào)節(jié).一方面，好氧甲烷氧化過程理想情況下幾乎可以氧化掉所有水體底部產(chǎn)生的CH4，是CH4由水體向大氣釋放過程中的“生物過濾器”和“最后屏障”[114-116].另一方面，好氧甲烷氧化過程使CH4成為水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳源[117].它直接促進(jìn)了好氧甲烷氧化菌的增殖，并逐漸豐富形成了以“好氧甲烷氧化菌-浮游或底棲動(dòng)物”為核心的微食物環(huán)[118-119]，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能產(chǎn)生顯著影響[120].

6 展望

盡管目前對(duì)不同類型好氧甲烷氧化菌的生境偏好已有基本輪廓，但對(duì)于動(dòng)態(tài)水文環(huán)境如何影響好氧甲烷氧化菌菌群建構(gòu)與生態(tài)功能迄今仍鮮有報(bào)道，這成為了當(dāng)前動(dòng)態(tài)水文環(huán)境下好氧甲烷氧化過程水文生態(tài)機(jī)制仍不明晰的關(guān)鍵制約因素，特別是突發(fā)的極端因素變化(如氣溫驟變、強(qiáng)降雨、季節(jié)性干旱、洪澇等)，從而導(dǎo)致好氧甲烷氧化菌的生存條件改變，需要更多細(xì)致的研究.且在當(dāng)前內(nèi)陸水體好氧甲烷過程研究中，超過90%的研究案例集中于水文環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的湖泊或濕地系統(tǒng)，而在流動(dòng)性較強(qiáng)或水動(dòng)力條件較為復(fù)雜的水體中，好氧甲烷氧化過程的研究積累卻極為有限.這一塊重要的內(nèi)陸水體組成部分?jǐn)?shù)據(jù)上的空白，是今后研究?jī)?nèi)陸水體好氧甲烷氧化過程需要補(bǔ)充的重要內(nèi)容.