近日，海南大学高树基教授团队博士后许子夫在淡水“甲烷悖论”研究中取得重要进展。研究发现，分层水库中的天然溶解有机磷可在磷胁迫条件下促进富氧水体中甲烷的快速产生，这一过程发生于数小时内，与经典的甲基膦酸盐降解途径存在明显差异。相关成果以“A non-methylphosphonate process for immediate oxic methane production in stratified freshwaters”为题，发表于Nature旗下高水平学术期刊Nature Water（2025年影响因子 IF = 30.7）。
甲烷是一种重要的温室气体，湖泊和水库是其重要排放源。传统认识认为，生物产甲烷主要发生在严格无氧的环境中，但大量观测发现，氧气充足的表层水体同样存在甲烷积累，这一现象被称为“甲烷悖论”。由于靠近水气界面，这部分甲烷可能更容易进入大气，因此，厘清其产生机制对理解水体甲烷排放具有重要意义。海洋研究提出，微生物在缺磷条件下降解甲基膦酸盐（MPn）获取磷，同时释放甲烷。然而，这一机制能否解释淡水中的甲烷快速积累，仍缺乏充分证据。
研究团队以福建石兜水库为研究对象，结合全年高分辨率水柱观测、小时尺度原位培养、底物调控实验、磷核磁共振及宏基因组分析，系统探究了富氧水层中的甲烷产生过程。观测发现，表层甲烷富集主要出现在稳定分层期，并在秋季水体翻转后消失。短时间原位培养进一步捕捉到数小时内的甲烷净积累，但随着培养瓶内可利用底物的逐渐消耗，这一甲烷产生过程迅速减弱。这表明，该过程具有快速、短暂的特点，较长时间的培养可能遗漏其早期动态。
天然有机磷的供应，是理解这一快速响应的关键。研究团队将甲烷富集层的微生物与下方富含溶解有机磷的水体滤液重新组合，发现初始两小时内的甲烷净积累速率显著提高；进一步补充无机磷后，这一响应则受到明显抑制。2022年和2024年开展的两次独立实验均得到一致结果（图1）。这些证据表明，富氧水体中的甲烷快速产生与磷胁迫条件下天然有机磷的微生物利用过程密切相关。
图1 天然有机磷促进甲烷快速积累，无机磷补充抑制这一响应。
这一快速响应能否由经典的甲基膦酸盐途径解释？实验发现，添加甲基膦酸盐并未增强最初数小时内的甲烷积累，其促进作用在超过24小时后才显现，与天然有机磷引起的快速响应明显不同。同时，磷核磁共振分析未观察到明显的膦酸盐特征信号，宏基因组分析也未检出甲基膦酸盐合成的关键基因mpnS。动力学、化学和基因证据共同表明，甲基膦酸盐不太可能是这一快速过程的主要底物。
基于上述发现，研究提出了分层淡水中天然有机磷利用与甲烷快速产生相联系的过程框架（图2）。水体分层可能限制深层无机磷向表层补给，维持表层磷胁迫；富氧层内部的局地交换则可能将下方积累的天然有机磷输送至甲烷产生的活跃水层。在这一背景下，微生物利用天然有机磷的过程伴随着小时尺度的甲烷产生。由于产生位置较浅，这部分甲烷到达水气界面的路径更短，其潜在排放意义值得关注。
图2淡水层化系统中天然有机磷利用与甲烷快速产生概念图
该研究揭示了淡水磷循环与甲烷产生之间此前认识不足的联系，表明除经典的甲基膦酸盐途径外，天然有机磷库中的其他活性组分也可能参与富氧环境下的甲烷快速产生。研究也提示，理解和评估淡水甲烷来源，需要关注营养限制、底物供应与水体分层的共同作用，并在适当的时间尺度上捕捉快速发生的生物地球化学过程。
论文第一作者为海南大学博士后许子夫，通讯作者为海南大学高树基教授。研究得到海南省科技人才创新项目（KJRC2023B04）、国家自然科学基金项目（92251306、U25A20638）及海南大学一流学科突破计划（XKTP2025A05）的支持。
论文信息：Xu, Z., Ge, L., Chen, H. et al. A non-methylphosphonate process for immediate oxic methane production in stratified freshwaters. Nat Water (2026). https://doi.org/10.1038/s44221-026-00736-4.
