湖泊是温室气体甲烷（CH₄）的重要自然排放源。根据IPCC第六次评估报告，CH₄的百年尺度增温潜势约为二氧化碳（CO₂）的27.2–29.8倍，对全球变暖的贡献率约为20%。尽管湖泊仅占全球地表面积的约0.9%，其年CH₄排放量估计约为71.6 Tg，与覆盖地球面积71%的海洋排放量相当。近年来，大量野外观测表明，湖泊表层有氧水体普遍存在CH₄过饱和现象，即“甲烷悖论”，其排放量约占湖泊CH₄总排放的66%。然而，有氧条件下CH₄产生的微生物学机制仍缺乏系统性认知和直接实验证据。

    针对上述科学问题，中国科学院南京地理与湖泊研究所高光研究员团队以水体生物地球化学循环的“热点”——有机聚集体（organic aggregates，OAs）为研究对象（图1），在抚仙湖、西蠡湖、太湖和星云湖四类典型湖泊生态系统中，分级采集了四个粒径范围的OAs（>112 μm、64–112 μm、5–64 μm、0.2–5 μm）。研究结合定量PCR（qPCR）与高通量测序技术，系统分析了产甲烷古菌mcrA基因与细菌膦酸盐降解产甲烷相关phnJ基因的绝对丰度及其群落组成，并利用多元统计与偏最小二乘路径模型（PLS-PM）识别了关键环境驱动因子。

    研究结果显示，mcrA基因丰度（2.17–4.23×10⁵ copies/mL）普遍高于phnJ基因（0.98–1.16×10⁵ copies/mL）。两者丰度受到湖泊类型、OAs粒径及其交互作用的显著影响（图1），并随湖泊营养水平升高而增加，呈现出相似的粒径依赖性分布模式。进一步分析表明，有机质组成、营养盐浓度与水体理化条件共同调控了产甲烷微生物的分布格局。

图1 mcrA 和 phnJ 功能基因的丰度模式及其环境相关性

    基于以上结果，研究提出了湖泊有氧水体产甲烷的“双途径机制”（图2）：（1）古菌在OAs内部形成的缺氧微生境中执行经典产甲烷代谢；（2）细菌在磷限制或藻源性甲基膦酸盐（如MPn）丰富条件下，通过膦酸盐降解途径在有氧环境中产生CH₄副产物（相关裂解C-P或C-S键并释放 CH₄的酶系统对氧气不敏感）。该机制框架合理解释了有氧水体中CH₄持续过饱和的现象，并为改进淡水生态系统CH₄排放估算及全球碳循环模型提供了科学基础。

图2概念模型：不同粒径的有机聚集体塑造了有氧甲烷产生过程中古菌与细菌特异途径

    本研究在多湖型、跨营养梯度及不同粒径OAs的系统框架下，首次揭示了mcrA与phnJ两类关键功能基因的丰度格局及其驱动机制，提出并验证了“OAs微生境主导、古菌—细菌双途径协同作用”的新型产甲烷机制，为理解湖泊有氧水体CH₄生成提供了关键微生物学证据与新视角。

    相关成果以“Organic Aggregate Microniches Govern Oxic Methane Emissions via Distinct Methanogenic Archaea and Bacteria Pathways”为题，发表于Environmental Science & Technology期刊，并被选为补充封面。汤祥明副研究员为通讯作者，研究生申震、李星辰为共同第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

    论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c10042