新近发现的湖泊好氧产甲烷过程是湖泊及全球甲烷循环研究新的补充，但其过程机制仍缺乏统一的理论框架支撑。在这一背景下，中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域水安全全国重点实验室张路研究员团队系统整合了全球湖泊好氧甲烷研究的进展，从化学热力学及生物地球化学等角度，重点阐述了甲基化氮（N）、硫（S）、磷（P）化合物作为关键前体物质，通过酶促生物反应和化学转化途径生成甲烷的过程，以及由光合作用、固氮作用等基础代谢过程驱动的好氧甲烷产生机制。提出了环境条件和反应路径差异化的现象背后，存在一个统一的理论框架：即甲烷产生路径（包括好氧与厌氧）均以“甲基与氢的结合”为核心。而好氧产甲烷过程中，甲基主要源自甲基化氮（N）、硫（S）、磷（P）化合物的去甲基化（酶促或化学途径）及光合作用和固氮酶介导的CO₂还原；氢则来自水光解、Fenton反应或细胞代谢过程（如糖酵解、三羧酸循环）。该核心机制的提出为理解甲烷生成的生化和化学基础提供了新视角（图1）。

图1. 湖泊好氧产甲烷的核心机制

    一、甲基化化合物去甲基化

    甲基是构成甲烷的基本单元，主要来源于甲基化磷、氮、硫化合物的去甲基化，包括两种机制：酶促去甲基化与活性氧（ROS）驱动的化学去甲基化。

    酶促途径在长期甲烷排放中占主导。该过程不仅为微生物提供氮、磷、硫等必需营养，还具有底物特异性并受代谢调控（图2）。其中，甲基膦酸盐（MPn）在磷限制湖泊中可作为替代磷源，被浮游细菌和蓝藻分解，释放甲基并进一步与氢结合形成甲烷。甲基硫化合物则通过浮游植物和异养细菌的复杂酶系统进行代谢，但其实际贡献因生态系统差异较大。甲基化氮化合物在降解过程中会逐步释放甲基，虽间接证据支持其参与好氧产甲烷，但直接转化路径仍有待明确。

图2. 酶促反应催化的甲基化化合物去甲基化产甲烷途径

    ROS驱动的化学去甲基化多发生于氧化应激条件下（如高温、紫外线、物理损伤等），甲基化合物作为抗氧化剂参与中和ROS，可能引发甲烷短暂释放（图3）。该过程可通过Fenton反应实现：Fe²⁺与H₂O₂反应生成高活性自由基，进攻甲基前体并释放甲烷。这一机制广泛存在于生物细胞（如抗氧化响应）与非生物环境（如溶解性有机质光降解）中，且光照和温度可通过促进ROS生成以调控甲烷产率。

图3. 活性氧驱动的好氧产甲烷机制

    二、生物代谢驱动的CO₂还原

    除甲基化合物转化外，与光合作用和固氮酶关联的代谢过程也是好氧甲烷产生的重要途径。尽管机制不同，两者均以CO₂为前体，依赖细胞内还原力完成甲烷合成（图4）。

    光合作用途径中，多种淡水藻类（如硅藻、蓝藻和绿藻）在无外源有机前体条件下生成甲烷，¹³C标记实验证实碳酸氢盐直接参与甲烷合成，且产甲烷速率与光照正相关。其可能机制包括光驱动CO₂直接还原，或经Calvin循环固定为有机物后再经去甲基化产生甲烷。

    固氮酶则在ATP和电子供体协助下催化CO₂还原为甲烷。该过程依赖光照，光不仅能激活氮酶，还通过光合作用间接提供ATP与还原力（如NADPH）。在蓝藻中，营养细胞与异形胞之间的代谢协作进一步提高了该路径效率，这为藻华期间甲烷排放热点现象提供了部分解释。

图4. 光合作用和固氮酶介导的好氧产甲烷过程

    三、氢来源及其环境调控

好氧甲烷生成依赖多样氢源，主要包括水光解（光驱动）、Fenton 反应（化学来源）以及细胞代谢（包括糖酵解、三羧酸循环、脂质代谢和蛋白质降解等）。这些氢源通常与特定产甲烷路径耦合，例如，水光解支持光合相关产甲烷，Fenton反应产生的氢则主要用于ROS化学路径。环境因子如光照、氧气和铁有效性显著影响氢的供应，进而调控甲烷产量。

四、复杂性、挑战与未来展望

    湖泊好氧产甲烷受到生态系统复杂性的强烈影响。富营养化湖泊中，藻华提升甲基前体浓度并促进降解产甲烷；贫营养湖泊则依赖营养限制触发特定路径（如磷限制激活MPn代谢，氮限制激发固氮酶路径）。沉水植物、浮游动物、真菌等生物通过提供前体或营造微环境间接影响产甲烷过程。值得注意，全球变化进一步加剧了该过程的不确定性，气候变暖推升水温，改变浮游植物群落与前体积累；紫外线增强促进DOM光解与ROS生成；富营养化与新兴污染物（如微塑料）刺激微生物代谢。这些因子构成复杂的响应网络，亟需研究其综合效应。

    此外，当前研究仍面临几大挑战：一是各路径生态贡献率难以量化；二是关键分子机制不明；三是路径间交互作用复杂；四是全球模型难以整合好氧路径。未来需借助多尺度方法，结合控制实验、高频监测与模型模拟，厘清不同路径的环境响应与贡献率，最终为全球甲烷预算提供可靠依据。

上述研究近期表于Water Research，中国科学院南京地理与湖泊研究所赵仲婧博士为第一作者，张路研究员为通讯作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院国际合作项目以及湖泊与流域水安全全国重点实验室自主部署项目联合资助。

 文章信息：

    Zhao, Z., Wang, H., Zhao, Z., Yao, X. & Zhang, L.*(2025). Same core just with the paradoxical condition: A review of biogeochemical mechanisms of oxic methane production in lakes. Water Research, 287, 124446. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124446

  相关文章：

    Zhao, Z., Zhang, L., Yao, X., Wang, H., Saadu, T., & Zhao, Z. (2025). Precision methane quantification in aquatic environments: Overcoming the challenge of dissolved oxygen interference in MIMS. Water Research, 280, 123532.

    Zhao, Z., Zhang, T., Zhao, Z., Yao, X., Wang, H., & Zhang, L. (2025). Cold-Temperate Mountainous Freshwater Produces Methane by Algal Metabolism. Environmental Science & Technology, 59, 9093−9103.