深海冷泉古菌厭氧甲烷氧化研究進(jìn)展

洪義國(guó), 吳佳鵬

廣州大學(xué)大灣區(qū)環(huán)境研究院, 珠三角水質(zhì)安全與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510007

隨著世界石油、天然氣資源的日漸耗盡, 各國(guó)科學(xué)家正在努力尋找新的替代能源。目前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn), 海底深部富含甲烷天然氣水合物, 其含量大約是目前地球化石能源的兩倍(Etiope et al,2014; Suess, 2014; Joye, 2020)。天然氣水合物被稱為是21 世紀(jì)最具有商業(yè)開(kāi)發(fā)前景的戰(zhàn)略資源, 或?qū)⒏淖內(nèi)蚰茉唇Y(jié)構(gòu), 正受到各國(guó)科學(xué)家和各國(guó)政府的重視。此外, 甲烷又是具有強(qiáng)烈溫室效應(yīng)的氣體, 其溫室效應(yīng)大約是CO2的25 倍。在全球變暖和能源短缺的背景下, 富含水合物的海相沉積物中古菌的厭氧甲烷氧化(anaerobic oxidation of methane, AOM)作用日益受到科學(xué)家關(guān)注(Chen et al, 2019)。近年來(lái), AOM 過(guò)程的研究取得了很多進(jìn)展, 本文將從AOM 過(guò)程的研究歷史、甲烷氧化古菌(methane-oxidizing archaea, MOA)的系統(tǒng)進(jìn)化、AOM 的代謝過(guò)程機(jī)制、AOM 在深海冷泉碳酸鹽形成以及控制海底甲烷滲漏的生物地球化學(xué)功能方面進(jìn)行評(píng)述。

1 古菌厭氧甲烷氧化研究的歷史追溯

長(zhǎng)期以來(lái), 甲烷氧化被認(rèn)為是在有氧條件下由嗜 甲 烷 細(xì) 菌( 主 要 為 α-Proteobacteria 和 γ-Proteobacteria)介導(dǎo)完成的, 細(xì)菌從這一代謝過(guò)程中獲得能量(Hanson et al, 1996)。然而, 在厭氧條件下能夠氧化甲烷的微生物卻一直沒(méi)有被發(fā)現(xiàn), 因此在20 世紀(jì)的大部分時(shí)間里, 很多微生物學(xué)家堅(jiān)持認(rèn)為甲烷在厭氧條件下是惰性的。直到20 世紀(jì)70 年代, 一些開(kāi)創(chuàng)性的研究使得這一研究領(lǐng)域有了新突破。在1976 年, Reeburgh (1976)發(fā)現(xiàn), 在卡里亞克海槽的厭氧環(huán)境中, 甲烷代謝與硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)密切相關(guān); 在同一年,Barnes 等(1976)的研究發(fā)現(xiàn), 在海洋沉積物中, 甲烷濃度從沉積物到水體方向漸逐降低, 而硫酸鹽濃度從海體到沉積物方向也逐漸降低, 這表明硫酸鹽可能是AOM 過(guò)程的電子受體。在20 世紀(jì)80 年代,一系列研究表明這種甲烷和硫酸鹽在海洋沉積物中的分布具有普遍類似的特征, 形成了這樣的假說(shuō):AOM 是被甲烷氧化古菌和硫酸鹽還原菌共同作用的結(jié)果(Zehnder et al, 1980), 但是對(duì)于其作用機(jī)制還不明確。到了20 世紀(jì)初, 由于Delong 研究小組的出色工作, 使得這一領(lǐng)域的研究有了重大突破。他們通過(guò)穩(wěn)定同位素分析、基因文庫(kù)構(gòu)建以及熒光探針雜交(fluorescence in situ hybridization, FISH),為這個(gè)假說(shuō)的成立提供了有力的證據(jù), 明確了AOM 是由微生物作用的生物地球化學(xué)過(guò)程(Boetius et al, 2000)。Orphan 等使用FISH 與二級(jí)離子質(zhì)譜技術(shù)(fluorescence in situ hybridization-secondary ion mass spectroscopy, FISH-SIMS)以及FISH 偶聯(lián)免疫磁細(xì)胞捕獲技術(shù), 使得海洋冷泉古菌厭氧甲烷氧化的研究獲得了重要突破, 成為與能源和環(huán)境問(wèn)題密切相關(guān)的研究熱點(diǎn)(Orphan et al, 2001a, b, 2002;Pernthaler et al, 2008)。

2 厭氧甲烷氧化古菌的系統(tǒng)進(jìn)化

到目前為止, 還沒(méi)有獲得厭氧甲烷氧化菌的純培養(yǎng)菌株, 所以對(duì)于海底冷泉厭氧甲烷氧化的研究都是基于分子生態(tài)學(xué)的方法進(jìn)行的。綜合目前的16S rRNA 基因和mcr-A 功能基因研究結(jié)果, 參與AOM 過(guò)程的微生物包括以硫酸鹽為電子受體的甲烷氧化古菌、以亞硝酸鹽為電子受體的甲烷氧化古菌, 以及以金屬離子為電子受體的甲烷氧化古菌。

以硫酸鹽為電子受體的甲烷氧化古菌包括三個(gè)類群: ANME-1、ANME-2 和ANME-3。其中ANME-1是最早鑒定的厭氧甲烷氧化古菌。研究者對(duì)加利福尼亞北海岸Eel 河盆地的研究發(fā)現(xiàn), 冷泉區(qū)沉積物中存在古菌特異性的古脂(Archaeol), 而且其 δ13C值強(qiáng)烈虧蝕, 用 16S rRNA 基因分析鑒定為ANME-1。 ANME-1 類群在系統(tǒng)進(jìn)化上分為ANME-1a 和ANME-1b 兩個(gè)亞群, 與甲烷微菌屬(Methanomicrobiales) 和 甲 烷 八 疊 球 菌 屬(Methanosarcinales)關(guān)系較近, 但在進(jìn)化樹(shù)上卻有獨(dú)立的分支(Boetius et al, 2000)。隨后的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn), ANME-2 和ANME-3 兩個(gè)甲烷古菌類群也參與了 AOM 的代謝過(guò)程, 而且 ANME-2 又分為ANME-2a、ANME-2b 和ANME-2c 三個(gè)亞群, 在進(jìn)化上與甲烷八疊球菌屬較近; ANME-3 與甲烷球菌屬 (Methanococcoides)較近(Orphan et al, 2001a,2002; Pernthaler et al, 2008)。這三個(gè)甲烷氧化古菌類群的 16S rRNA 基因序列差異較大, 其同源性在80%左右, 表明具有逆向甲烷生成的甲烷古菌向著多個(gè)方向進(jìn)化。最近的研究進(jìn)展也表明多種古菌參與了厭氧甲烷氧化的過(guò)程, 例如嗜熱古菌Candidatus Ethanoperedens (Hahn et al, 2020)和Asgard 古菌(Seitz et al, 2019)。甲基輔酶M 還原酶(Methyl coenzyme M reductase, MCR)是甲烷生成過(guò)程中的末端酶, 催化輔酶 B(H-S-CoB)和甲基輔酶M(CoM-S-CH3)還原, 產(chǎn)生甲烷和CoM-S-S-CoB。2002 年, Luton 等比較了甲烷古菌的mcrA 基因和16S rDNA 基因的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)甲烷古菌mcrA 基因與16S rDNA 基因在系統(tǒng)進(jìn)化上的關(guān)系非常吻合, 發(fā)展了mcrA 基因作為檢測(cè)甲烷古細(xì)菌多樣性和分布的功能基因標(biāo)記(Luton et al, 2002)。2003年以后的大量研究表明, mcrA 基因包含a、b、c、d、e 五個(gè)亞群。由于mcrA 基因與MOA 密切相關(guān), 因此成為研究厭氧甲烷氧化古菌的一個(gè)有力分子工具。通過(guò)綜合的系統(tǒng)進(jìn)化對(duì)比分析, 發(fā)現(xiàn)c、d 的mcrA 亞群與ANMEⅡ古菌相對(duì)應(yīng), a、b 的mcrA 亞群與ANMEⅠ古菌相對(duì)應(yīng), e 的mcrA 亞群可能與ANME Ⅲ或其它甲烷古菌相對(duì)應(yīng)(Hallam et al,2003; Dhillon et al, 2005; Chistoserdova et al, 2005;Nunoura et al, 2006)。

以金屬離子(Fe3+、Mn4+)作為電子受體的甲烷氧化古菌目前還不是很明確, 初步認(rèn)為ANME-2 及其ANME-2a、ANME-2c、ANME-2d 均可參與此類反應(yīng)(Ettwig et al, 2016)。隨著研究的繼續(xù)深入, 應(yīng)用16S rRNA 基因結(jié)合mcrA 功能基因標(biāo)記, 可能會(huì)陸續(xù)鑒定出更多類群的厭氧甲烷氧化古菌。

3 AOM 是由厭氧甲烷氧化古菌和硫酸鹽還原菌互養(yǎng)完成的“逆甲烷生成”過(guò)程

根據(jù)地球化學(xué)和群體細(xì)胞外學(xué)特征, 科學(xué)家建立了“逆甲烷產(chǎn)生”過(guò)程的假說(shuō), 認(rèn)為相關(guān)的產(chǎn)甲烷古菌在特殊環(huán)境條件下進(jìn)化出反向甲烷產(chǎn)生的能力,甲烷氧化過(guò)程為菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和繁殖提供必要的碳源和能源。

Delong 的研究小組利用環(huán)境基因組的方法對(duì)這一假說(shuō)的驗(yàn)證提供了證據(jù)(Hallam et al, 2004。他們利用密度梯度離心的方法, 從加利福尼亞海岸Eel河盆地的冷泉樣品中富集菌體細(xì)胞, 然后建立了全基因組鳥(niǎo)槍DNA 文庫(kù)(whole-genome shotgun, WGS)和fosmid DNA 文庫(kù)。對(duì)這兩種文庫(kù)分析后發(fā)現(xiàn), 在樣品微生物群體中, ANME-1、ANME-2 和SRB 菌體細(xì)胞占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。而且除mer 基因(Methenyltetrah ydromethanopterin reductase)外, 在文庫(kù)中包含相對(duì)豐富的mcr、mtr、mtd、mch、ftr 和fmd 編碼與甲烷產(chǎn)生相關(guān)酶的所有基因。另外在文庫(kù)中發(fā)現(xiàn)了有編碼F420依賴的呼吸鏈相關(guān)蛋白基因的存在。這些分析結(jié)果為“逆甲烷產(chǎn)生”過(guò)程的假說(shuō)的成立提供了有力證據(jù), 這種在熱力學(xué)上很難進(jìn)行的反應(yīng)可能通過(guò)偶聯(lián)F420依賴的呼吸鏈電子傳遞產(chǎn)生能量而得以克服?；蚪M學(xué)的研究角度為這種特殊海洋環(huán)境中的AOM 生物地球化學(xué)過(guò)程提供了更深入的理解(Chistoserdova et al, 2005; Evans et al, 2015)。

生物化學(xué)的研究也為這一假說(shuō)提供了進(jìn)一步的證據(jù)。2003 年, Krüger 等報(bào)道了一個(gè)鎳蛋白參與了AOM 的過(guò)程, 他們分析了一個(gè)黑海西北陸架的冷泉樣品, 發(fā)現(xiàn)樣品中有約70%的ANME-1 菌群, 25%的SRB, 其余5%為其他微生物。在12℃條件下進(jìn)行培養(yǎng), 該菌群依賴硫酸鹽的甲烷氧化率為0.1nmol·min-1·mg protein-1。色譜分析顯示, 在樣品菌體抽提物中包含分子量為905kDa 和951kDa 的兩種鎳復(fù)合物, 組成比為1: 4。較輕的鎳復(fù)合物經(jīng)鑒定與F430相同, 但較重的鎳復(fù)合物是以前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的(Krüger et al, 2003)。而且在北太平洋Hydrate Ridge和波羅的海的Eckernfi?de Bay 的冷泉樣品中也同樣發(fā)現(xiàn)了951kDa 的鎳復(fù)合物, 然而在一個(gè)產(chǎn)甲烷的污泥中卻只有905kDa 的鎳復(fù)合物。經(jīng)過(guò)硫酸銨沉淀和離子交換色譜, 一種包含951kDa 鎳復(fù)合物的蛋白被分離純化(Ni-Ⅰ蛋白), 這一蛋白占到樣品中抽提蛋白的7%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 與MCR 蛋白(Ni-Ⅱ蛋白)一樣, 這一蛋白由三個(gè)亞基組成, 其氨基酸序列與從該樣品中鑒定的一個(gè)34.8kb 的DNA 片斷上的三個(gè)ORF 的編碼高度一致, 而且與產(chǎn)甲烷古菌的MCR 酶高度同源。其中β 和γ 亞基非常保守, 其活性位點(diǎn)與MCR 基本一致。但α 卻有顯著差異, 在MCR α 亞基上的一個(gè)活性中心位點(diǎn)(VX2CCX4CX5C)與Ni-Ⅰ蛋白α 亞基相應(yīng)的序列又很大不同。Ni-Ⅰ蛋白α 亞基與其它MCR 的α 亞基的系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn), 這一蛋白在進(jìn)化上與MCR α 有了明顯較大的距離。這也表明, 在ANME 古菌進(jìn)化過(guò)程中, Ni-Ⅰ蛋白的 α 亞基也隨之產(chǎn)生了平行進(jìn)化(parallel evolution)。綜合以上分析得出結(jié)論, ANME 古菌的Ni-Ⅰ蛋白參與了AOM 的代謝過(guò)程, 從分子水平為AOM 的反甲烷產(chǎn)生的假說(shuō)提供了有力的證據(jù)。

一般認(rèn)為甲烷厭氧氧化是由甲烷氧化古菌和硫酸鹽還原細(xì)菌共同完成的一個(gè)兩步反應(yīng)過(guò)程, 其反應(yīng)方程可以表示為: CH4+ SO2- 4→ 5CO2+ HS+H2O, 這種微生物細(xì)胞之間的相互作用, 稱之為互養(yǎng)作用(syntrophy)。通過(guò)互養(yǎng), 幾個(gè)代謝過(guò)程被同時(shí)驅(qū)動(dòng), 因此有人認(rèn)為互養(yǎng)作用在生物細(xì)器的進(jìn)化中具有中心作用(Martin et al, 1998)。2015 年, 美國(guó)Orphans 實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了有關(guān)AOM 過(guò)程中甲烷氧化古菌和硫酸鹽還原細(xì)菌互養(yǎng)過(guò)程機(jī)制的研究, 從多方面提供了重要證據(jù)(Green-Saxena et al, 2014), 而且在冷泉微生物群體中還發(fā)現(xiàn)了真菌的存在(Sapir et al, 2014)。在從美國(guó)俄勒岡州海岸卡斯卡底古陸海底甲烷冷泉區(qū)的樣品具有高的依賴甲烷的硫酸鹽還原率。16S rRNA 分析表明, 樣品中主要為甲烷古菌和硫酸鹽還原菌。通過(guò)16S rRNA 特異性的寡核苷酸熒光探針定點(diǎn)雜交分析, 發(fā)現(xiàn)菌群中有明顯的結(jié)構(gòu)分布: 大約100 個(gè)古菌細(xì)胞聚居在菌團(tuán)的中央, 周圍被SRB 細(xì)菌包圍, 形成近似球形結(jié)構(gòu)(Boetius et al, 2000)。Orphan 等使用FISH、FISH-SIMS 以及FISH-IMCC 的方法檢測(cè)到其中的古細(xì)菌群體δ13C值高度虧損(-96‰)表明古菌群體是甲烷營(yíng)養(yǎng)型的,從而說(shuō)明甲烷氧化是由菌群中的古菌負(fù)責(zé)完成的;而且發(fā)現(xiàn)嗜甲烷菌與硫酸鹽還原菌在代謝上相互依賴(Dekas et al, 2016)。

在MOA 與SRB 的互養(yǎng)過(guò)程中, 甲烷氧化與硫酸鹽還原是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程, 那么把這兩個(gè)過(guò)程聯(lián)系到一起形成共養(yǎng)作用(syntrophy)機(jī)制是什么呢？有人推測(cè), MOA 氧化甲烷產(chǎn)生一種未知的中間電子載體, 然后SRB 以硫酸鹽為氧化劑還原這種電子載體, 這種中間電子載體可能為H2、甲酸鹽、乙酸鹽或者其他化合物(圖1)。對(duì)這一問(wèn)題目前還沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論, 需要更多生物化學(xué)以及熱力學(xué)的理論探索。除了硫酸根作為電子受體外, 在理論上硝酸根、三價(jià)鐵、錳等也都可以作為末端電子受體氧化甲烷。在2006 年, Marc Strous 團(tuán)隊(duì)報(bào)道一個(gè)微生物菌群能夠厭氧甲烷氧化偶聯(lián)反硝化。這一微生物菌群是從厭氧環(huán)境中分離到的, 包含兩種菌: 一種為到目前為止還沒(méi)有純培養(yǎng)的細(xì)菌, 另外一種為海洋甲烷古菌。海洋甲烷古細(xì)菌進(jìn)行AOM 代謝, 而細(xì)菌進(jìn)行反硝化反應(yīng), 這個(gè)偶聯(lián)反應(yīng)可以表示為:5CH4+ 8NO3+ H+→ 5CO2+ 4N2+14H2O (每升甲烷氧化釋放的自由能ΔG0= -765kJ·mol-1CH4), 這個(gè)反應(yīng)直接把碳和氮的物質(zhì)循環(huán)緊密聯(lián)系起來(lái), 推測(cè)在整個(gè)自然界的生物地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮重要作用(Raghoebarsing et al, 2006)。最新的單細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明了MOA 與SRB 的互養(yǎng)過(guò)程中發(fā)生了直接的電子轉(zhuǎn)運(yùn)(McGlynn et al, 2015), 而且發(fā)現(xiàn)鐵氧化能顯著促進(jìn)MOA 與SRB 的互養(yǎng)代謝活性(Sivan et al, 2014;Glass et al, 2014)。

圖1 厭氧甲烷氧化過(guò)程Fig. 1 Schematic diagram of reverse methanogenesis,X-electron transporter

對(duì)于金屬離子驅(qū)動(dòng)的AOM 的反應(yīng)機(jī)理目前還不是很明確, 根據(jù)研究推測(cè)可能的機(jī)制有三種: 第一種認(rèn)為微生物還原金屬離子直接耦合甲烷厭氧氧化, 與硫酸鹽還原耦合甲烷厭氧氧化機(jī)制相類似(Norei et al, 2013); 第二種是在硫化物存在條件下,形成零價(jià)硫, 零價(jià)硫通過(guò)歧化反應(yīng)生成硫酸鹽和負(fù)二價(jià)硫, 其中硫酸鹽可以驅(qū)動(dòng)甲烷氧化的發(fā)生(Sivan et al, 2011; Riedinger et al, 2014); 第三種是反應(yīng)體系中的H2被Fe3+還原菌利用至低濃度后, 通過(guò)反向產(chǎn)甲烷作用氧化甲烷(Sivan et al, 2011)。

3.3 AOM 過(guò)程中的熱力學(xué)問(wèn)題

在ANME 和SRB 互養(yǎng)的過(guò)程中, 其ΔG 值隨著甲烷濃度的變化呈現(xiàn)很大的差異。當(dāng)甲烷壓力在0.1MPa 時(shí), 釋放的自由能為ΔG 值為-30kJ·mol-1;而當(dāng)甲烷的濃度為 8MPa 時(shí), ΔG 值達(dá)-40kJ·mol-1(Boetius et al, 2000)。根據(jù)吉布斯(Gibbs)自由能計(jì)算, 由ADP 和PO34-合成ATP 需要的能量為 50～70kJ·mol-1, 生命最小的吉布斯自由 能為20kJ·mol-1(Schink, 1997)。這樣, 發(fā)生在淺水中的AOM 反應(yīng)過(guò)程就很難達(dá)到生命所需要的最小量值。但是在深海高壓條件下, AOM 過(guò)程的ΔG 值會(huì)升高,而且如果甲烷氧化的產(chǎn)物迅速得到轉(zhuǎn)移和消耗, 就會(huì)使得反應(yīng)順利進(jìn)行。盡管這樣, 偶聯(lián)SO2- 4 還原的 AOM 過(guò)程產(chǎn)生的能量仍然很低, 而且又要被ANME 和SRB 共享, 所以生長(zhǎng)都會(huì)非常緩慢, 是已知的維持生命活動(dòng)的最小代謝方式?？傊? 對(duì)于ANME 與SRB 互養(yǎng)的AOM 過(guò)程機(jī)制仍然不清楚,有待進(jìn)一步研究。

4 AOM 在海底冷泉碳酸鹽的形成過(guò)程中發(fā)揮重要作用

在富含天然氣水合物的冷泉區(qū)域, 微生物的生物地球化學(xué)代謝過(guò)程相當(dāng)活躍。在許多天然氣滲漏發(fā)育區(qū)域, AOM 作用引起環(huán)境堿度增加, 進(jìn)而沉淀出冷泉碳酸鹽巖, 在海底表層沉積物中形成塊狀碳酸鹽巖結(jié)殼(Michaelis et al, 2002; Marlow et al, 2014;Meister et al, 2018)。因此, 海底冷泉碳酸鹽巖是天然氣滲漏經(jīng)微生物作用的結(jié)果, 是海底天然氣滲漏作用的標(biāo)志。

一般而言, 間隙水甲烷和硫酸鹽濃度、CO2及甲烷碳同位素、甲烷厭氧氧化速率和硫酸鹽還原速率等參數(shù)在沉積剖面上的變化可以指示海洋沉積物中存在AOM 反應(yīng)帶, 該反應(yīng)帶亦稱作為硫酸鹽-甲烷過(guò)渡帶(sulfate-methane transition, SMT)。SMT 通常有以下特征: (1)甲烷濃度剖面在硫酸鹽還原帶的上部都非常低, 直到在界面附近由于AOM 作用使硫酸鹽被消耗殆盡后才快速變高; (2)由于AOM 作用, 短時(shí)間內(nèi)甲烷被快速消耗, 使甲烷濃度在剖面上呈現(xiàn)下凹狀; (3)SMT 界面附近, 由于AOM 過(guò)程不斷消耗12CH4, 致使13CH4不斷被富集, 使得CH4的δ13C 值不斷升高, 從約-90‰升高到-20‰, 所以MOA 菌體細(xì)胞的δ13C 值一般較低, 而SRB 的δ13C值較高, 這些已經(jīng)被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)(Nauhaus et al,2007; Wegener et al, 2008)。2013 年, 在東沙西南深水海域發(fā)現(xiàn)3 處冷泉碳酸鹽巖區(qū), 并采集到了大塊體冷泉碳酸鹽巖, 發(fā)現(xiàn)了活體雙殼類冷泉生物及冷水珊瑚, 初步證實(shí)在該海域存在現(xiàn)代冷泉生態(tài)系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)研究與工程研究所的彭曉彤研究員團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用納米離子探針(Nano-SIMS)以及同步輻射X 射線近邊吸收譜等技術(shù)手段, 對(duì)沖繩海槽海底冷泉區(qū)富鐵碳酸鹽煙囪體開(kāi)展了系統(tǒng)研究,在微米尺度上獲取了富鐵碳酸鹽煙囪體中的硫同位素信息并判別了硫的來(lái)源, 同時(shí)結(jié)合鐵同位素和碳同位素的數(shù)據(jù), 從冷泉沉積環(huán)境中識(shí)別了由鐵氧化驅(qū)動(dòng)的厭氧甲烷氧化過(guò)程(Fe-driven AOM)過(guò)程形成的碳酸鹽煙囪體, 分析了Fe-driven AOM 過(guò)程對(duì)碳酸鹽煙囪體形成的影響, 提出了海底冷泉區(qū)富鐵碳酸鹽煙囪體的形成模式, 揭示了Fe-driven AOM 過(guò)程對(duì)于海洋冷泉環(huán)境中甲烷氧化的重要性, 表明在高鐵輸入的海域, Fe-driven AOM 是阻礙沉積物中甲烷向上層水體擴(kuò)散的另一道重要屏障(Peng et al,2017)。此外, 最新的研究表明錳還原與甲烷的氧化也密切關(guān)聯(lián)(Leu et al, 2020)。

基于以上的結(jié)論, 在深海地區(qū)尋找甲烷冷泉的探索中, 碳酸鹽是其存在的重要標(biāo)志性物質(zhì)。而由于 AOM 過(guò)程與碳酸巖的形成密切相關(guān), 因此ANME 的存在也是甲烷冷泉存在的重要間接證據(jù)之一。ANME 的特異性古脂、16S rDNA 以及mcr-A功能基因標(biāo)記都可以作為分子工具輔助尋找深海天然氣水合物。

5 AOM 有效控制海底冷泉區(qū)強(qiáng)溫室氣體甲烷向大氣的滲漏

在過(guò)去的200 多年中, 地球大氣中的甲烷含量在逐漸上升, 其濃度是200 年前的兩倍, 已經(jīng)占到大氣溫室氣體效應(yīng)的20%(Frankenberg et al, 2005)。然而, 據(jù)1992 年IPCC 報(bào)告, 海洋對(duì)大氣圈中甲烷的貢獻(xiàn)僅為2%(Houghton et al, 1992), 但海洋沉積物實(shí)際產(chǎn)生的甲烷量遠(yuǎn)高于這個(gè)比例。Reeburgh(1996)的研究表明, 黑海沉積物中由于生物過(guò)程產(chǎn)生的甲烷每年約為2.9×1011mol, 而釋放進(jìn)入大氣的僅為4.1×109mol, 99%的甲烷在沉積物中被消耗; Blair 等(1995)對(duì)亞馬遜大陸架沉積物的研究也發(fā)現(xiàn), 幾乎全部的甲烷在沉積物中被消耗。那么“失蹤”的甲烷去哪里了？諸多研究證實(shí)AOM 過(guò)程是海洋沉積物中 CH4消耗的主要途徑(Burns,1998; Moore et al, 2004; Treude et al, 2005)。AOM 過(guò)程有效阻止海洋沉積物產(chǎn)生的甲烷進(jìn)入沉積物-水體界面。據(jù)Reeburgh 和Alperin 估算, 海洋AOM 過(guò)程年消耗甲烷約為25～94Tg, 占大氣圈各類甲烷源年排放總量的5%～20%, 故其在甲烷的全球收支平衡及大氣溫室效應(yīng)過(guò)程中扮演極為關(guān)鍵的角色(Reeburgh, 2007)。因此AOM 在全球大洋海底缺氧帶(oxygen minimum zone, OMZ)廣泛分布, 在全球甲烷循環(huán)和全球碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用。另外, 由于AOM 過(guò)程同時(shí)消耗沉積物間隙水中甲烷和硫酸鹽, 產(chǎn)生無(wú)機(jī)碳和揮發(fā)性硫, 繼而影響海洋沉積物碳和硫的生物地球化學(xué)循環(huán)(Hensen et al, 2003)。

6 研究展望

AOM 是涉及能源和環(huán)境的重要古細(xì)菌代謝過(guò)程, 對(duì)這一現(xiàn)象已經(jīng)進(jìn)行了30 多年的研究, 特別是近10 年的研究, 對(duì)AOM 的認(rèn)識(shí)才有所突破。盡管AOM 的意義重大, 但對(duì)于其生物學(xué)作用機(jī)制知道的還很少, 仍然存在諸多需要解決和完善的問(wèn)題,未來(lái)的研究可以從以下幾方面來(lái)進(jìn)行。

1) AOM 菌的純培養(yǎng)研究。到目前為止, 還沒(méi)有獲得ANME 的純培養(yǎng)菌株, Girguis 等(2003)在持續(xù)流生物反應(yīng)器中得到了ANME 的富集培養(yǎng), 為進(jìn)一步研究AOM 過(guò)程的生物化學(xué)特征提供了基礎(chǔ)。只有得到了ANME 的純培養(yǎng)菌, 才能從細(xì)胞學(xué)水平深入研究AOM 的作用機(jī)制。

2) AOM 的“逆向甲烷生成”和與SRB 的互養(yǎng)機(jī)制理論的進(jìn)一步完善。雖然從多方面為AOM 的作用機(jī)制提供了證據(jù), 但要更清楚的弄清這一過(guò)程還需要更多細(xì)胞水平上的直接證據(jù)。

3) AOM 過(guò)程的生態(tài)作用估價(jià)。AOM 在冷泉區(qū)碳酸鹽生成和控制甲烷滲漏的自然生態(tài)過(guò)程的作用,是AOM 過(guò)程研究的一個(gè)核心問(wèn)題。盡管對(duì)于黑海、波羅的海和墨西哥的加利福尼亞灣等幾個(gè)海區(qū)的AOM 過(guò)程進(jìn)行了研究, 但還需要其他相關(guān)海域的研究來(lái)提供更多數(shù)據(jù)。

4) 進(jìn)一步研究AOM 菌的生態(tài)分布與天然氣水合物分布的地化關(guān)系, 建立有效的檢測(cè)ANME 菌的分子生物學(xué)方法。

國(guó)內(nèi)有關(guān)AOM 的研究還不多。西沙海槽位于南海北部陸坡區(qū)的新生代被動(dòng)大陸邊緣型沉積盆地,新生代最大沉積厚度超過(guò)7000m。綜合資料表明,南海陸坡和陸隆區(qū)應(yīng)有豐富的天然氣水合物礦藏,估算其總資源量達(dá)643.5～772.2 億噸油當(dāng)量, 大約相當(dāng)于我國(guó)陸上和近海石油天然氣總資源量的1/2(Chen et al, 2005)。然而, 天然氣水合物在南海區(qū)的確切分布及特征目前仍不清楚。由于AOM 過(guò)程與冷泉碳酸鹽的形成密切相關(guān), 因此研究ANME 菌在我國(guó)沿海海區(qū)的分布可以為尋找天然氣水合物儲(chǔ)藏區(qū)提供科學(xué)參考。