特定来源的二氧化碳产生及在溶解有机物厌氧降解过程中的乙酸裂解甲烷生成作用

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Source-specific carbon dioxide production and acetoclastic methanogenesis upon anaerobic degradation of dissolved organic matter

溶解有机物（DOM）不同来源的厌氧降解速率及产气机制研究。通过同位素分馏与高分辨质谱分析，发现生物活性高的DOM（水生植物、藻类、污水）在56天内 DOC损失达77%，其CO?产量是土壤DOM的7-9倍，CH?浓度达1.59 μmol/L，δ13C-CH?升高至-40‰，表明醋酸途径主导产甲烷。δ13C-DOC是预测CO?和CH?浓度的关键因子。

　　

周永强|吴佳怡|周雷|张云林|张庆顺|张立伟|José R. Paranaíba|Christopher C. Keneally|Justin D. Brookes|David P. Hamilton|Erik Jeppesen

中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域科学国家重点实验室太湖湖泊生态系统研究实验室，南京 211135，中国

摘要

湖泊接收并处理多种来源的溶解有机物质（DOM），这些物质对系统中二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）的产生有不同的贡献。在本研究中，我们从土壤、藻类、沉水植物和污水中分离出DOM，并通过高频同位素和超高分辨率质谱分析追踪了其56天内的厌氧代谢过程。生物可降解的藻类、污水和植物来源的DOM在56天内损失了大约80%的DOC，导致藻类来源的DOM产生的CO₂浓度高达1422 μmol L^?1，CH₄浓度高达1.59 μmol L^?1。这些浓度分别是土壤来源DOM的6到9倍，以及初始水平的30到90倍。计算出的碳同位素分馏因子（α_C）从初始的1.05–1.10下降到第56天的1.03–1.04，δ¹³C-CH₄值上升至–40‰，表明乙酸裂解型甲烷生成途径占主导地位。极端梯度增强模型确定δ¹³C-DOC是预测CO₂和CH₄浓度的关键指标。1毫克藻类DOM的降解产生了47 μmol CO₂和0.04 μmol CH₄，分别比土壤来源的降解产物高出7倍和4倍。通过量化降解系数并将δ¹³C-DOC作为关键指标，我们超越了定性分析；所有来源中乙酸裂解型甲烷生成的立即启动为模拟自然系统中混合DOM池的排放提供了机制框架。

引言

尽管湖泊仅覆盖了地球陆地表面的约2.2%（Pi等人，2022年），但它们在全球碳循环中扮演着极其重要的角色。湖泊接收、储存并转化来自周围流域的大量碳（Regnier等人，2022年），在其水体中维持了约729 Tg的溶解有机碳（DOC）（Toming等人，2020年）。这一庞大的DOC池支持了强烈的微生物代谢，推动了二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄的产生和排放，全球湖泊的年排放量分别估计为571 TgC和117 TgC（Holgerson和Raymond，2016年；Rosentreter等人，2021年）。这些巨大的碳通量来自相对较小的表面积，使湖泊成为高效的生物地球化学反应器，其碳转化速率通常超过许多陆地生态系统（Drake等人，2018年）。微生物对溶解有机物质（DOM）的代谢具有选择性，而不是无差别的，微生物优先利用特定的DOM组分，从而驱动了底物和气体产物的同位素分馏（Xenopoulos等人，2021年）。然而，由于DOM在化学上具有多样性且其转化过程依赖于特定途径，因此将CO₂和CH₄的产生定量与DOM来源和反应性联系起来仍然具有挑战性。重要的是，许多湖泊中的CH₄产生主要发生在厌氧条件下，此时DOM促进了终端矿化途径。

湖泊DOM的代谢性和最终命运从根本上受其来源和分子组成的控制（Kellerman等人，2015年）。湖泊DOM代表了新产生的自源物质和来自陆地的有机物质的混合体，这些物质在传输和储存过程中经历了不同程度的降解。这种来源的异质性体现在不同的分子特征和δ¹³C特征上，这些特征共同为追踪DOM的来源和转化提供了关键线索。一般来说，来自土壤渗滤液的陆地DOM富含芳香结构，具有较高的C/N比，而来自藻类或沉水植物的自源DOM以及受生活污水影响的DOM通常含有更多脂肪族、氮含量较高的化合物，具有较低的C/N比（Kellerman等人，2018年；Zhou等人，2022年）。这些组成差异直接影响了微生物的可利用性：氮含量较低的（高C/N比）陆地DOM会对分解者产生营养限制，从而减缓矿化过程，相对于氮含量较高的自源或污水来源的DOM而言。作为湖泊有机碳中最活跃的组分，DOM是驱动异养呼吸和甲烷生成的主要底物（Kothawala等人，2020年）。生物可降解的DOM在氧化和厌氧条件下都可以迅速转化为低分子量的中间产物（如乙酸盐）和溶解的无机碳（包括CO₂（Drake等人，2015年），而氧化还原状态和途径选择决定了CO₂与CH₄的相对产量（Stanley等人，2016年）。在这些转化过程中，残余DOM以及产生的CO₂和CH₄中的δ¹³C特征性分馏为检测主导的代谢途径和降解程度提供了敏感的指标。此外，启动效应——即易降解的DOM（如藻类分泌物）刺激其他更难降解的DOM池（如土壤来源的有机物质）的共同矿化——可以进一步调节净矿化速率和温室气体产量（Bianchi等人，2015年）。

尽管之前有研究比较了不同颗粒有机物质（POM）来源的厌氧分解（Grasset等人，2018年），但对于不同DOM池产生的CO₂和CH₄产量的定量和机制理解仍然很不完整。虽然POM也参与自然沉积物中的厌氧碳矿化，但我们有意分离出DOM以明确其特定的生化途径和气体产量。这种方法使我们能够量化DOM驱动的基线，该基线可以通过现场环境中同时发生的POM水解来增强。具体而言，精确的来源特异性动力学、触发的初始代谢途径以及气体产生的可识别分子驱动因素仍然不清楚，而这些信息对于预测复杂DOM混合物的排放至关重要。在这里，我们量化了常见DOM来源在厌氧降解动力学上的差异，以及这种差异如何影响CO₂和CH₄的形成。我们从四种广泛的来源（土壤渗滤液、藻类生物量、沉水植物和生活污水）中分离出DOM，并使用高频测量DOC、溶解的CO₂和CH₄及其δ¹³C特征，以及DOM荧光和超高分辨率质谱（FT-ICR MS）表征，追踪了其56天内的厌氧代谢过程。我们假设生物可降解的DOM（来自藻类、沉水植物和污水的DOM）会更快地失去DOC，并产生更高的CO₂和CH₄产量，且同位素轨迹（δ¹³C-CH₄和α_C）会迅速向乙酸裂解型甲烷生成的特征转变。除了测试这些机制外，我们的设计还提供了来源解析的产量限制，并确定了可用于预测不同系统中厌氧CO₂和CH₄产量的光学和分子DOM描述符。

实验设置

我们使用了四种类型的DOM进行了厌氧瓶培养：（1）沉水植物；（2）藻类；（3）污水；（4）土壤来源的DOM。对于沉水植物组，2024年8月我们从太湖（中国的一个大型富营养化浅湖）的一个东湾使用网具收集了10公斤的Vallisneria natans（图S1）。沉水植物的叶子被仔细清洗，切成约2厘米的片段，并在20 ± 2°C的黑暗条件下浸泡在Milli-Q水中三天。所得混合物为

不同组中DOM的快速降解

对四种不同来源的DOM进行实验室生物培养后，发现DOC的降解速率迅速但不同，同时稳定同位素δ¹³C-DOC也发生了总体减少。在56天的培养过程中，沉水植物来源的DOM从第0天的47.8 mg L^?1减少到第56天的11.2 mg L^?1（减少了77%），其δ¹³C-DOC从–17.6‰减少到–32.9‰（图2a和b）。污水来源的DOM从42.2 mg L^?1减少到9.6 mg L^?1（减少了77%），δ¹³C-DOC从–16.7‰减少到

讨论

我们的发现提供了直接证据，表明不同来源的DOM快速降解可以驱动大量且可变的CO₂产生和乙酸裂解型甲烷生成。我们量化了四种主要DOM来源的厌氧CO₂和CH₄产量系数，使得可以通过基于过程的建模来测试这些速率。快速的α_C下降到约1.03表明即使对于土壤来源的DOM，乙酸裂解型甲烷生成也占主导地位。脂肪族化合物的优先消耗优于总体指标

CRediT作者贡献声明

周永强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，软件，资源获取，正式分析，数据管理，概念化。吴佳怡：撰写 – 原始草稿，调查，正式分析，数据管理。周雷：撰写 – 审稿与编辑，资源，正式分析，数据管理。张云林：撰写 – 审稿与编辑，验证，正式分析，数据管理。张庆顺：撰写 – 审稿与编辑，软件，资源，正式

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号42322104和42471123）、NIGLAS基金会（项目编号2022NIGLAS-CJH04）、KBSI（项目编号C512110）以及江苏省青蓝计划青年和中年学术领袖科学研究基金的支持。Erik Jeppesen感谢云南省院士和专家工作站（项目编号202405AF140006）的支持。我们还要感谢Mike Peacock和Charlotte Grasset的宝贵帮助