省植物园城市生态研究团队在顶级期刊SBB发表重要研究成果！

研究背景：

城市化进程促使自然生态系统发生深刻转变，多维度重塑了生态系统的结构与功能。湿地生态系统作为甲烷（CH₄）排放的主要来源，其甲烷排放量约占全球大气甲烷排放总量的18%~29%。微生物在全球甲烷循环中占据核心地位，然而，现有研究多关注城乡梯度下湿地微生物分类组成与分布差异，且多数研究仅聚焦单一环境介质，对功能特性转变的认识不足，尤其是将微生物差异与甲烷功能动态联系起来，对城乡梯度下湿地微生物分类组成与甲烷功能动态的耦合关系、微生物在不同界面参与甲烷循环的复杂调控机制缺乏系统性解析。本研究依托湖南长株潭城市群生态系统定位观测研究站，对湿地土壤和水体的甲烷通量开展原位测定，并采用标记基因分析与宏基因组学相结合的方法，全面探究微生物功能特征及其与甲烷通量的响应机制。研究旨在增进对湿地甲烷循环的理解，提升对湿地生态系统甲烷动态变化的预测能力，为制定针对性的温室气体减排管理策略提供参考。

研究结果：

研究发现城市湿地的甲烷净排放量显著高于乡村湿地，这一差异与微生物代谢策略的适应性转变相关：

（1）环境驱动的微生物群落分化：城市湿地与乡村湿地的环境条件（如土壤pH、有机碳含量）存在差异，这些差异与甲烷循环相关微生物群落组成及功能潜力变化密切相关。

图1 城乡湿地水体和土壤样品中甲烷相关的微生物群落组成及贡献

（2）微生物的适应性特征：乡村湿地产甲烷途径主要通过acetate/CO₂还原型产甲烷代谢途径，其氧化途径以完全氧化为主；城市湿地微生物群落展现出双重适应性策略，包括更广泛的代谢灵活性，产甲烷过程以利用辅酶M依赖型产甲烷途径（coenzyme M-dependent methanogenic pathway，e.g., comDE）和三甲胺分解代谢途径（trimethylamine catabolism pathway, e.g., mtbA, mtmBC），形成底物利用的冗余机制，甲烷氧化则优先碳同化策略，强化甲烷的消耗与碳固定；更强的网络协作性，尽管城市湿地中产甲烷菌丰度极显著低于乡村湿地，但微生物间的互作网络复杂度更高，这种协作可通过代谢物共享（如氢传递）或功能互补，导致干扰条件下甲烷通量的增加。

图2：城乡湿地的甲烷代谢途径及微生物功能基因相对丰度

（3）不同界面甲烷代谢的差异化调控：水体中，较强的微生物网络调控作用有助于实现功能补偿，即当某一类群丰度减少时，其他类群可通过代谢途径的协同激活填补功能缺口；土壤中，环境筛选效应（如氧化还原电位、重金属含量）驱动微生物群落形成代谢冗余，即多种类群通过相似代谢路径执行甲烷转化功能，增强系统抗干扰能力。

图3 城乡湿地水体和土壤样品中的微生物相互作用及关键物种丰度

图4（a）水-气界面与（c）土-气界面的甲烷通量偏最小二乘路径模型（PLS-PM）。

建议：

为在保护城市湿地生态功能的同时减少甲烷排放，本研究基于实证提出以下调控策略：

（1）减少富含三甲胺（TMA）的底物输入，如工业废水（食品加工、化工生产尾水）及生活污水（如含蛋白质类废物的餐厨废水），通过切断产甲烷菌的 TMA 分解代谢底物链（抑制“胆碱→TMAO→TMA”降解路径），以限制产甲烷菌的三甲胺分解代谢途径，从源头削弱厌氧环境下的甲烷生成潜力；

（2）在湿地水体-土壤界面增设好氧-厌氧梯度调控区，利用氧化还原电位的界面差异选择性富集甲烷氧化菌（如甲基球菌属）；

（3）对土壤（调节pH值、有机质含量）和水体（管控营养物质）进行介质差异化管理；

（4）将微生物数据（如产甲烷菌丰度、甲烷氧化菌关键代谢酶活性及表征微生物群落互作关系的网络模块化指数）纳入气候模型构建，通过量化“微生物功能冗余度→环境扰动→甲烷通量” 的响应关系，提升模型对湿地甲烷动态的预测精度。本研究也明确，未来仍需进一步研究，以区分湿地生态系统本底性质（如土壤母质类型、初始碳库）与城市化进程（如不透水面增加）对甲烷排放的各自贡献。

该研究成果以“Microbial mechanisms underlying differences of methane emissions between urban and rural wetlands”为题，发表于土壤科学顶级期刊Soil Biology and Biochemistry (Q1, IF=10.3)。论文作者为湖南省植物园城市生态所易心钰副研究员，通讯作者为廖菊阳研究员。研究获得国家自然科学基金项目（32401392, 32271731）、湖南省自然科学基金项目（2023JJ40396）、湖南省林业科技创新项目（XLKY202216, XLKY202319）的资助。（撰稿/易心钰 编辑/余帆 编审/李蔚婷）

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2025.109993