探秘海底爱吃甲烷的微生物

洪义国

甲烷是重要的能源物质。随着全球石油和天然气资源的日渐耗尽，各国的科学家正致力于寻找新的接替能源。 目前的研究已经发现，海洋中富含甲烷天然气水合物（俗称可燃冰），全球海底的储量大约是目前地球化石能源的两到三倍（图1）。根据目前我国科学家的探测，南海储存有丰富的可燃冰，储量相当于650亿吨石油，按着目前的用量可供我国用130年。天然气水合物是21世纪最具有商业开发前景的战略资源之一，是即将改变全球能源竞争格局的创新产业，因此受到各国科学家和各国政府的重视。另外，甲烷又是强烈的温室气体，其温室效应大约是二氧化碳的25倍。

①全球天然气水合物分布图（据美国地址地质调查数据，http://woodshole.er.usgs.gov）

在过去的200多年中，地球大气层中的甲烷含量在逐渐上升，其浓度已经是200年前的两倍，已经占到大气温室气体效应的20%。然而，据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告，海洋对大气圈中甲烷的贡献仅为2%，但海洋沉积物实际产生的甲烷量远高于这个比例。有研究表明，黑海沉积物生物代谢产生的甲烷每年约为2.9 × 1011摩尔，而释放进入大气的仅为4.1×109摩尔，有99%的甲烷在沉积物中被消耗；在亚马逊大陆架沉积物的研究中也发现，几乎全部的甲烷在沉积物中被消耗。那么，我们不禁要问，那些“失踪”的甲烷哪里去了？为了寻找这个科学问题的线索，2008年，我们踏上南海北部开放航次科学考察船，开始了对深海底部的科学探索。

南海海洋研究所“实验3号”科学考察船历经了24天的海上调查作业（图2） ，航行3500多海里。其中在东沙西南深水海域发现3处冷泉碳酸盐岩区，并采集到了大块体冷泉碳酸盐岩，发现了活体双壳类冷泉生物及冷水珊瑚（图3） ，初步证实在该海域存在现代冷泉生态系统。所谓海底冷泉，是指来自海底沉积地层（或更深）的气体以喷涌或渗漏的方式注入海洋中的一种海洋地质现象，它普遍发育于主动大陆边缘和被动大陆边缘。海底冷泉研究在天然气水合物、全球气候变化、极端生物群落等研究方面都具有重要意义。主要是海底的液态甲烷形成“湖泊”，温度不到4摄氏度，生活有大量的嗜甲烷微生物。

②施放采样器到深海底抓取表层沉积物样品

③南海冷泉区获得的碳酸盐（左）以及双壳类冷泉生物及冷水珊瑚样品（右）

我们把海上获得的珍贵样品带回实验室，对样品中的微生物群体进行了深入的研究。利用分子探针【小贴士1】，我们发现在这些样品中含有丰富的厌氧甲烷氧化古菌【小贴士2】，它们又可以进一步分成三个亚类群，分别为ANME-1、 ANME-2和ANME-3。接下来的研究进一步发现，三个甲烷古菌类群参与了甲烷氧化的代谢过程。此外，硫酸盐还原菌与甲烷氧化古菌密切共生在一起，表明了硫酸盐还原菌与甲烷氧化古菌有密切的关系。菌群中有明显的结构分布特征：大约100个古细菌细胞聚居在菌团的中央，周围被硫酸盐还原菌包围，形成近似球形结构（图4A）。

目前，很多研究已经证实海底的甲烷厌氧氧化是由甲烷氧化古细菌和硫酸盐还原细菌相互协作的过程（图4B ） 。在甲烷氧化菌与硫酸盐还原菌的协作过程中，甲烷氧化与硫酸盐还原是两个相对独立的过程，那么是什么机制把这两个过程联系到一起的呢？有科学家推测，首先甲烷氧化菌氧化甲烷产生一种未知的中间电子载体，然后硫酸盐还原细菌以硫酸盐为氧化剂还原这种电子载体，这种中间电子载体可能为氢气、甲酸盐、乙酸盐或者其他的小分子化合物，通过电子载体的桥梁作用，把甲烷氧化与硫酸盐还原紧密联系到了一起。这一问题目前还没有统一的结论，有待未来进行更多的研究。

④甲烷氧化古菌与硫酸盐还原菌共生消耗甲烷示意图（Ophan et al.， 2001， Science， 293：484-487）

通过甲烷氧化菌和硫酸盐菌的密切合作，有效控制海底储藏的甲烷强温室气体向大气的渗漏。诸多研究证实，海底的甲烷氧化过程是海洋沉积物中甲烷消耗的主要途径，可以有效阻止海洋沉积物产生的甲烷进入上覆沉积物-水体界面。据估算，海洋古菌甲烷氧化过程年消耗甲烷为25～94Tg，占大气圈各类甲烷源年排放总量的5%～20%，因此该过程在甲烷的全球收支平衡及大气温室效应中扮演极为关键的角色。另外，由于这一过程同时消耗沉积物间隙水中甲烷和硫酸盐，产生无机碳和挥发性硫，继而影响海洋沉积物中的碳和硫的生物地球化学循环过程。

通过这次考察和后续的研究，我们不仅了解到南海海域存在冷泉区，而且进一步认识到，那些“吃”甲烷的微生物是控制海底甲烷渗漏的天然屏障。这也提醒我们要慎重开发海底天然气水合物，避免破坏这一重要屏障而对全球气候造成不可控制的影响。

小贴士

XIAOT IE SHI

生物是由基因控制的，某些生物具有与其代谢相适应的特异性基因，这类基因通常可以用来鉴定和区分微生物种群，通常叫做分子探针。

小贴士

XIAO TIE SHI

20世纪70年代后期，美国人Woese等发现了地球上的第三生命形式——古菌，才导致了生命三域学说的诞生。该学说认为生命是由古菌域（Archaea ）、细菌域（Bacteria）和真核生物域（Eucarya）所构成。古菌域包括嗜泉古菌界（Crenarchaeota） 、广域古菌界（Euryarchaeota）和初生古菌界（Korarchaeota）等；细菌域包括细菌、放线菌、蓝细菌和各种除古菌以外的其他原核生物；真核生物域包括真菌、原生生物、动物和植物。