近日，兰州大学泛第三极环境中心生物地球化学循环团队在期刊FEMSMicrobiologyEcology上发表了题为“Exploringmethanogenicarchaeaandtheirthermalresponsesintheglacier-fedstreamsedimentsofRongbukRiverbasin,Mt.Everest”的研究论文。该论文以“巅峰使命”2022——珠峰极高海拔地区综合科学考察研究期间获得的珠峰绒布河的河流沉积物宝贵样品为研究对象，结合5℃和15℃的厌氧微宇宙培养以及16SrRNA基因扩增子测序技术分析了冰川补给溪流（GFS）沉积物中的产甲烷古菌群落、温度敏感性及关键环境驱动因素。本研究为GFS沉积物中的产甲烷古菌提供了新的认识，明确了低温、寒冷且受到氧气胁迫的GFS河流沉积物中生存着丰富的产甲烷古菌，这些古菌在温度升高后表现出较高的产甲烷活性。

甲烷作为仅次于二氧化碳的重要温室气体之一，约贡献了当前全球温室效应的25%，其在大气中的浓度变化对地球气候系统具有显著的调控作用。现有研究表明，河流-溪流系统是全球CH₄生物地球化学循环的重要贡献者，源头溪流作为河流网络的初级组成单元，其甲烷通量贡献尤为突出，约占全球河流系统总排放量的75.5%。冰川补给溪流（GFS）是一种特殊的源头溪流，是冰川前缘地貌和生态的重要组成部分，受气候变化和冰川融化的影响很大。与常规河流系统相比，冰川前缘溪流（GFS）的水文条件更为极端，具有温度低、辐射强、底质差等特质。目前关于GFS产甲烷菌的研究极为有限，仅有两项研究通过宏基因组测序证实了其沉积物中产甲烷古菌的存在。因此，冰川补给溪流系统中产甲烷菌的群落结构、多样性及其对全球甲烷循环的贡献，仍是亟待解决的重要科学问题。

GFS呈现出显著的地形异质性特征，其河道在短距离内即可形成剧烈的海拔梯度变化。这种独特的地形特征导致溪流环境参数（包括水温、溶解氧、营养盐浓度等）及微生物群落结构均呈现明显的海拔梯度变化。然而，关于产甲烷古菌群落在该系统中的垂直地带性分布规律，目前仍缺乏系统性的研究证据。温度作为调控产甲烷代谢的关键环境因子，通过直接调控酶活性和影响底物可利用性等机制影响甲烷生成过程。气候模型预测显示高海拔地区正经历着放大化的增温效应，其升温速率可达全球平均值的2-3倍。然而，GFS沉积物中产甲烷微生物群落对温度变化的响应机制及其代谢适应性，特别是极端低温环境下的甲烷生成潜力，仍是当前研究的重要认知缺口。这一认知局限严重制约了我们准确预测冰冻圈生态系统对全球变化的响应与反馈。

样品采集

在珠穆朗玛峰绒布河沿岸的七个地点收集了河流沉积物样本.每个采样点的海拔高度为R14369m；R24541m；R34603m；R44633m；R54769m；R64966m与R75145m

                         图1绒布河流域GFS沉积物的研究区域和采样点以及河流沉积物的主要特征

主要结果与讨论

                                   图2CH₄的累积量、甲烷产生的速率和Q10

                              图3厌氧培养前后样本中细菌和古菌16SrRNA基因的拷贝数

生活在GFS沉积物中的产甲烷古菌与青藏高原的其他非冰川厌氧生态系统一样多样，且在高温下，GFS沉积物中的产甲烷古菌具有很高的甲烷生产潜力，与之前研究的大多数河流沉积物相当。除了甲烷的产生，古菌16SrRNA基因的拷贝数增加了10倍以上，表明这些微生物能够在更有利的条件下增殖。这些数据间接支持沉积物甲烷生成是冰川融化季节GFS中观察到的甲烷排放的关键因素。随着温度的升高，兼性乙酸营养型产甲烷菌Methanosarcinaceae的相对丰度增加最为显著。这一转变表明，在高温下，乙酸营养型甲烷生成可能成为GFS沉积物中甲烷产生的主要途径。这与前人的研究结果一致。

                                图4主要古菌在科上的相对丰度及其与海拔的相关性

随着温度的升高，GFS沉积物中的产甲烷古菌群落发生了显著的海拔依赖性变化。具体而言，氢依赖的甲基营养型产甲烷菌Methanomasilicoccaceae与海拔高度呈强正相关（P<0.001），在海拔4600米以上达到古菌群落的15%-20%。我们还发现，Methanoregulaceae和Methanocellaceae的相对丰度分别与海拔呈正相关和负相关。

                                         图5古菌群落的多样性

                                     图6影响甲烷产生速率和Q10的因素

pH、TP和C/N对甲烷和二氧化碳的产生及其温度敏感性有显著影响，其中pH值在调节沉积物中甲烷的产生方面起着特别关键的作用。甲烷和二氧化碳的产生速率与pH值呈显著负相关（图6)，强调了pH值在调节温室气体排放中的重要性，并表明pH值是这些温室气体产生速率与海拔高度相关的模式的关键驱动因素。值得一提的是，我们发现总有机碳（TOC）、总磷（TP）和总氮（TN）对GFS沉积物中的古菌群落组成没有明显的影响，这与之前对河流沉积物的研究中观察到的结果形成鲜明对比，这可能与GFS是一个极度贫营养的环境有关。

结论

结果表明绒布河流域GFS沉积物含有丰富多样的产甲烷菌群落，包括氢营养型、乙酸营养型和氢依赖的甲基营养型。这些微生物可以在温度升高的情况下增殖并产生大量的甲烷，这表明GFS沉积物可能在冰川河流域内的甲烷循环中发挥关键作用。

原文连接：https://doi.org/10.1093/femsec/fiaf044