地球科学进展

地球科学进展 ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (2): 157 -168. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.010

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有氧水环境中藻类产生甲烷的研究进展
于晓涵 1 , 2( ), 李哲 1 , 2, 肖艳 1 , 2( ), 袁翰卿 1 , 2 , 3, 李清 1 , 2 , 3   
  1. 1.中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 中国科学院水库水环境重点实验室, 重庆 400714
    2.中国科学院大学重庆学院, 重庆 400714
    3.重庆交通大学 河海学院, 重庆 400074
  • 收稿日期:2023-10-23 修回日期:2024-01-22 出版日期:2024-02-10
  • 通讯作者: 肖艳 E-mail:yuxiaohan@cigit.ac.cn;yxiao@cigit.ac.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(51979262);重庆市自然科学基金项目(cstc2020jcyj-jqX0010)

Advances of Algal Methane Production in Oxic Aquatic Environment

Xiaohan YU 1 , 2( ), Zhe LI 1 , 2, Yan XIAO 1 , 2( ), Hanqing YUAN 1 , 2 , 3, Qing LI 1 , 2 , 3   

  1. 1.Key Laboratory of Reservoir Aquatic Environment, Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China
    2.Chongqing School, University of Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China
    3.The College of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China
  • Received:2023-10-23 Revised:2024-01-22 Online:2024-02-10 Published:2024-03-05
  • Contact: Yan XIAO E-mail:yuxiaohan@cigit.ac.cn;yxiao@cigit.ac.cn
  • About author:YU Xiaohan, Master student, research area includes algal physiology and ecology. E-mail: yuxiaohan@cigit.ac.cn
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China(51979262);Chongqing Natural Science Foundation(cstc2020jcyj-jqX0010)
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自然水体是重要的甲烷排放来源，传统观点认为甲烷是微生物在严格厌氧条件下利用有机物的最终产物，但越来越多的证据表明有氧水环境中存在甲烷过饱和现象，被称为“甲烷悖论”。近年的研究表明，上述现象的产生与藻类的存在息息相关。藻类不仅可以通过光合作用或利用甲基化前体物质直接产生甲烷，也可为其他微生物提供厌氧微环境以及前体物质间接促进甲烷生成。然而，针对藻类有氧产甲烷的微生态机制方面的研究尚存不足，也使得全球甲烷收支核算仍存在较大不确定性。未来，进一步突破藻类有氧产甲烷的分子调控机理、揭示藻类对外部条件响应的有氧产甲烷特征及其生理适应性机制，将是深化领域研究的重要方向。

关键词: 藻类, 有氧甲烷生成, 甲基化前体物质, 光合作用

Aquatic ecosystems are a significant source of methane emissions. Although methane production has previously been recognized to only occur in oxygen-deprived environments, recent research has shown that aerobic water environments also experience high methane levels, known as the “methane paradox”. This phenomenon is linked to the presence of algae that can directly produce methane through photosynthesis or the use of specific compounds. Moreover, algae create conditions conducive to methane production by other microorganisms. However, the specific ecological mechanism of aerobic methane production by algae remains not yet fully understood, making accurate global methane level accounting difficult. Future studies should focus on uncovering the molecular regulation of aerobic methane production by algae and how they adapt to external conditions.

Key words: Algae, Oxic methane production, Methylated precursor substances, Photosynthesis.

中图分类号: 

表1 含氧海水中与藻类相关的 CH4 含量及其主要来源
Table 1 Algae-related methane concentrations in oxic seawaters and its main sources
研究地点 时间 营养程度 含氧水柱中CH4浓度 有氧CH4主要来源
斯图尔峡湾［ 18 ］ 2008年 — 5~55 nmol/L（8月） 藻类代谢物DMSP是潜在前体
北冰洋中部［ 7 ］ 2010年 太平洋来源水域富营养；大西洋来源水域相对贫营养

太平洋来源水域5~7 nmol/L

大西洋来源水域3.5~4 nmol/L

 微生物利用藻类代谢物DMSP
智利中部的大陆架时间 序列站［ 11 ］ 2013年 —

3.08~16 nmol/L

9月至次年4月（南半球春夏季）出现最大值

 与藻类代谢物DMSP有关
中国南海北部［ 19 ］ 2019年 —

大陆架大陆坡1.7~5.4 nmol/L（CH4饱和度：6月181%，10月178%，3月129%）

海盆区2.2~3.0 nmol/L（CH4饱和度：6月140%；9月110%）

 缺氧微环境；藻类代谢物DMSP/DMSO是潜在前体
北太平洋西部及其边缘 海域［ 20 ］ 2020年 北太平洋西部与南海贫营养；黄海富营养

北太平洋西部与南海1.8~4.4 nmol/L

黄海3.0~5.0 nmol/L

 微生物（包括蓝藻）利用MPn
副热带北大西洋［ 21 ］ 2022年 贫营养 3~10 nmol/L（1~3月） 可能由蓝藻控制
表2 含氧湖水中与藻类相关的 CH4 含量及其主要来源
Table 2 Algae-related methane concentrations in oxic lake waters and its main sources
研究地点 时间 营养程度 含氧水柱中甲烷浓度/（nmol/L） 有氧甲烷主要来源 面积/km2
大施泰希林湖［ 16 ］ 2011年 贫营养 温跃层处甲烷浓度达到最大值 1 440 （7月） 吸附在藻类上的产甲烷菌产生 4.3
克伦威尔湖［ 22 ］ 2014年 贫营养 200~250；添加N/P后可达530 （6月） 藻类影响产甲烷菌的乙酸发酵途径 0.11
大施泰希林湖［ 23 ］ 2014年 贫营养 90~760 （夏季） 与浮游植物光合作用或固氮作用有关 4.3
哈尔威湖［ 24 ］ 2017年 中营养

<400 （4~5月）

<750 （6~9月）

<500 （10月）

 蓝藻利用MPn；与藻类衍生有机物有关； 非微生物生产 10.2
大施泰希林湖［ 15 ］ 2020年 贫营养 350~950 （6月） 与浮游植物光合作用有关 4.3
黄石公园湖［ 25 ］ 2021年 贫—中营养

21~51 （7月）

12~26 （8月）

 微生物降解甲胺产甲烷 340
5个温带小湖泊［ 26 ］ 2022年 — 250~900 （夏季） 浮游植物直接产生 0.008~0.44
威尔斯湖［ 27 ］ 2023年 富营养

75 （5月）

750 （6月）

560 （7月）

275 （9月）

 浮游植物和/或其他微生物利用甲基化 前体物质 0.17
图1 不同藻类（阴影部分）与其他物种CH4 产率的比较［ 28 - 30 ］
深蓝色、浅蓝色和橙色分别代表自海洋、淡水和土壤环境中分离的藻类；绿色代表非藻类真核生物；紫色代表产甲烷菌。藻类部分中斜线填充部分代表藻类利用甲基膦酸酯（Methylphosphonate，MPn）产生CH 4，未填充部分代表光合作用过程中产生CH 4
Fig. 1 Comparison of CH4 production rates between different algae （shading） and other species［ 28 - 30 ］
Dark blue， light blue and orange represent algae isolated from marine， freshwater and soil environments， respectively； green represents non-algal eukaryotes； and purple represents methanogens. In the shadow part， the oblique filling part represents the algae using MPn to produce CH 4， and the unfilled part represents the CH 4 produced during photosynthesis
图2 生命系统中ROS驱动的CH4 形成的拟议机制［ 51 - 52 ］
DMSP为二甲基巯基丙酸内盐；DMS为二甲基硫；TMA为三甲胺；ROS为活性氧
Fig. 2 Proposed mechanism of ROS-driven CH4 formation in living systems［ 51 - 52 ］
DMSP is dimethylsulfoniopropionate； DMS is dimethyl sulfide； TMA is trimethylamine； ROS is Reactive Oxygen Species
图3 细胞内固氮酶产生CH4 的可能代谢途径［ 61 ］
ATP为三磷酸腺苷，ADP为二磷酸腺苷；（a）细胞以硫代硫酸盐作为电子源、碳酸氢盐作为碳源；（b）细胞以乙酸盐作为电子源和碳源；S 2O 3 2 - 为硫代硫酸盐；HCO 3 - 为碳酸氢盐；CH 3COO -为乙酸盐
Fig. 3 Possible metabolic pathways of CH4 production by intracellular nitrogenase［ 61 ］
ATP： Adenosine Triphosphate， ADP： Adenosine Diphosphate； （a） Cells grown with thiosulfate as electron source and bicarbonate as carbon source； （b） Cells grown with acetate as electron source and carbon source； S 2O 3 2 - is thiosulfate； HCO 3 - is bicarbonate； CH 3COO - is acetate
图4 含氧水柱中与藻类相关的CH4 生物地球化学过程
MPn为甲基膦酸酯；DMSP为二甲基巯基丙酸内盐；ROS为活性氧
Fig. 4 Algae-related methane biogeochemical processes in oxygenated water column
MPn is methylphosphonate； DMSP is dimethylsulfoniopropionate； ROS is Reactive Oxygen Species
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