近年来,甲烷作为一种强效温室气体,其在全球气候变化中的作用引起了广泛关注。传统观念认为甲烷的生物合成主要发生在缺氧环境中,由严格厌氧的甲烷古菌完成。但最新研究显示,沿海浅层氧化的砂质沉积物中,借助海藻和海草代谢物,存在一类耐氧的甲烷古菌群体能快速生成大量甲烷,颠覆了此前甲烷生成仅限于无氧环境的认知。沿海浅水区域因其独特的生态系统结构和丰富的初级生产力,成为了海洋甲烷排放的重要来源。特别是覆盖着海藻和海草的砂质底质,虽然频繁受到氧气的穿透,却依旧表现出活跃的甲烷生成能力,这一现象引起科学家的浓厚兴趣和深入研究。通过澳大利亚和丹麦等不同地理位置典型沿海区域的实地监测,研究团队发现水体中甲烷浓度远远超过大气平衡水平,同时与地下水或河水输入无明显关联。
甲烷浓度的升高与海藻海草的大量积累密切相关,意味着这些海洋植被代谢释放的有机甲基化合物成为了甲烷生成的底物。海藻和海草作为海洋生态系统中重要的初级生产者,在其生长和腐败过程中会释放多种含甲基的有机物,如三甲胺(TMA)、胆碱、二甲基硫醚(DMS)及其前体物质等,这些化合物可被特定的甲烷古菌作为碳源和电子供体。研究人员设计了一系列实验模拟环境状况,结合流通反应器和沉积物混合培养技术,系统分析了不同条件下甲烷的产生速率。结果显示,含有海藻或海草提取物的沉积物能够显著促进甲烷生成,且该过程对氧气暴露表现出了出乎意料的耐受性。使用特异性甲烷生成抑制剂后,甲烷产量迅速下降,排除了其它非古菌的产甲烷途径。代谢物添加实验明确了以含甲基化合物为底物的甲基营养型甲烷生成为主导途径,而乙酸盐和氢气等传统底物则难以促进甲烷产量,说明在高硫酸盐和频繁氧化的沉积环境中,甲基营养型甲烷古菌具备独特的生态优势。
更为关键的是,研究团队成功分离出两株分别来自不同大陆的甲烷古菌株,均属于耐氧的Methanococcoides属。这些菌株具备完整的甲基营养型甲烷生成通路和丰富的防氧化应激基因组,包括F420H2依赖的氧还原酶、超氧化物还原酶、过氧化氢酶等,赋予它们在反复氧气暴露后迅速恢复活性的能力。这种耐氧性不仅体现在实验室培养中,还反映于自然沉积物生态位中的持续甲烷排放。甲烷生成基因mcrA的高覆盖度在各个采样点均有检测,尤其在有大量海藻堆积的区域,該基因丰度显著提升,证明甲烷古菌在生态系统中活跃生长。海藻和海草代谢物子类的检测与甲烷生成量高度相关,提示底物供应是调控甲烷排放的重要机制。甲烷的排放量受制于水体搅动、风速、沉积物粒径及有机质积累等多因素,在局部尺度上变化范围广泛。
与传统湿地甲烷排放相比,这些浅水沿海砂质沉积物的甲烷通量具有极高的强度和时变性,预示其在全球碳循环中的作用可能被之前低估。同时,随着全球气候变暖和人类活动导致的海洋富营养化,海藻大规模繁殖可能增强这一机制的强度和频率。大量富营养化物质促进海藻和海草过度生长,随后的死亡和沉降增加了沉积物中含甲基有机物的供给,进而刺激耐氧甲烷古菌的活性,形成甲烷排放的正反馈环路。这对"蓝碳"策略提出了挑战,即通过植被吸收CO2以缓解气候变化的成效可能因甲烷排放而被部分抵消。未来研究需聚焦于这一过程在不同生态区和季节的动态变化,尤其关注温带和热带沿海生态系统中耐氧甲烷生成的相对贡献。同时,加强甲烷排放在全球模型中的表征,将对准确预测未来气候变化具有重要意义。
此外,深入解析耐氧甲烷古菌的遗传和生理适应机制,有望推动生物技术领域内的甲烷管理与控制。生态系统层面的管理则应关注减缓水体富营养化及藻类过度生长,通过综合治理维持沿海生态系统的碳平衡。综上所述,海藻和海草代谢驱动的耐氧甲烷古菌活动在沿海浅层氧化砂质沉积物中是一个被忽视但极其重要的甲烷来源。这一发现不仅深化了我们对海洋甲烷生物地球化学循环的理解,也为全球气候变化的评估与应对提供了新的视角和方向。 。
