甲烷作为一种重要的温室气体,对全球气候变化有着显著影响。长期以来,甲烷的生物来源多被认为限定于厌氧环境中,而海洋浅层氧化区常被视为甲烷消耗的场所。然而,近期的科学研究逐步揭示了一个令人惊讶的现象:耐氧甲烷菌(Methanogens)能在含氧的浅层沉积物中,尤其是在富含海藻与海草代谢物的区域,积极产生甲烷。这一发现不仅挑战了传统生物甲烷生成的环境限制,也为我们理解沿海生态系统的碳循环和气候作用机制带来了革新性视角。耐氧甲烷菌的存在意味着甲烷生产可以在氧气频繁出现的沙质海岸沉积物中持续进行。研究显示,这些微生物主要属于甲烷球菌科(Methanosarcinaceae)家族,它们对氧气的耐受性超出众多已知严禁氧甲烷菌种类的范围。
这为解释近海水体中甲烷的高浓度过饱和现象提供了生物学依据。甲烷浓度在调查的澳大利亚及丹麦多个海岸现场均远高于大气平衡水平,且在海藻和海草覆盖丰富的区域表现得尤为突出。研究表明,海藻与海草释放的大量含甲基化合物,如三甲胺(TMA)、胆碱及二甲基硫醚等,成为了耐氧甲烷菌的关键底物,驱动了甲烷的快速生成。这一发现强调了海洋初级生产者与微生物甲烷排放之间存在反馈回路,进一步说明沿海植物生态系统不仅为碳汇,也可能成为重要甲烷释放源。实验室模拟的沉积物流通反应器及湿润沙样液化斜膜实验均确认,耐氧甲烷菌能够在多次氧化暴露后迅速恢复甲烷生产活性。这种快速恢复能力区别于多数已知甲烷菌,后者通常在氧气暴露后需数周或更久才能重新活跃。
通过从不同地理环境分离的两种甲烷球菌属新株培养分析,进一步揭示其基因组中除甲基化基因外,还具备多种抗氧化酶系统,如超氧化物还原酶和过氧化氢酶,这为其在含氧环境中的存活和功能发挥提供分子支持。利用宏基因组测序技术,研究人员也证实了该类耐氧甲烷菌在多个全球性沙质海岸沉积物中的广泛分布。甲烷合成关键酶mcrA基因的丰度虽较低,但其生物活性和甲烷生成潜力极高,足以在动态氧化的近岸沉积物环境中持续产生显著甲烷排放。传统观点认为,含有丰富硫酸盐和反复氧暴露的海岸沉积物不适合甲烷菌生存,而事实却表明,甲基营养型甲烷菌能够利用低竞争的甲基底物,在这类生态环境中取得生存与优势。更重要的是,这类甲烷菌反映出微生物进化适应的多样性,展示了甲烷代谢过程在氧化与还原环境交替下的复杂调控。季节性及生态演替等因素使海藻和海草的生物质及代谢物浓度产生明显波动,这导致相关甲烷排放具有极大的时空变异性。
此外,海洋局部的水动力条件如潮汐、波浪引起的水体和底泥中气体输送和混合增强了甲烷向大气的释放效率。随着全球气候变化引起水温升高和营养盐富集,海藻与海草的生长量普遍增加,进而增强了甲基化合物的输入和甲烷产生潜力。沿岸水体富营养化所致的海藻爆发和沉积物生物量增加,可能导致沿海区域甲烷排放的显著上升,成为全球甲烷预算中此前低估的一个重要来源。这一新认识对沿海"蓝碳"生态系统作为碳汇的评估带来了挑战,因为甲烷相关的温室效应可能部分或全部抵消海藻和海草生态系通过二氧化碳固定带来的减排效益。因此,在制定气候变化缓解策略时,需要综合考虑碳汇与非二氧化碳温室气体排放的动态平衡。未来的研究应聚焦于沿海不同类型沙质沉积物对甲烷排放的贡献差异、耐氧甲烷菌的生理生态特征、多样性,以及其与环境因子的响应机制。
同时,持续的观测和建模工作对于准确量化沿海浅层沉积物东北甲烷释放规模及其对全球气候系统的反馈效应至关重要。调整管理策略以减少人为影响如营养盐输入和陆源污染,或可有效调控沿海甲烷排放量,从而实现沿海生态系统气候调节功能的最大化。综上所述,海藻及海草驱动的耐氧甲烷菌甲烷排放现象揭示了一个此前忽视的重要生态过程,推动了甲烷循环科学的新进展,并为理解和管理全球甲烷排放源提供了更加全面的视角。 。
