甲烷作为一种重要的温室气体,其在全球气候变化中的作用越来越受到关注。传统观点认为甲烷的产生主要集中在缺氧环境中,产甲烷古菌是一类严格的厌氧微生物,它们对氧气极为敏感,通常被限制在稳定的无氧环境中。然而,近期研究发现,在沿海浅水区域,尤其是沙质渗透沉积物的表层,即使在频繁暴露于含氧环境下,也存在活跃的产甲烷古菌群落,这一现象颠覆了人们对甲烷产生环境的传统认识。研究显示,这些耐氧甲烷古菌能够利用海藻和海草等大型水生植物代谢产物中的甲基化物质,实现高效的甲烷生成过程,进而驱动沿海区域的甲烷排放。沿海浅水区域的甲烷排放在全球海洋甲烷预算中占比高达七成,但其具体机制及贡献存在较大不确定性。大量海藻、海草枯萎的有机物在沉积物中分解释放多种甲基化代谢物,如三甲胺、甲基胺和二甲基硫等,这些化合物成为耐氧甲烷古菌的底物,促进了甲烷的产生。
相关实地监测、实验模拟和基因组学研究共同证实,产甲烷古菌,特别是甲烷赛科菌科(Methanosarcinaceae)中的甲烷球菌属(Methanococcoides)具有较强的耐氧性和快速从暴露于氧气环境中的恢复能力。通过对澳大利亚和丹麦沿海多个沙滩采样,研究人员发现表层水体中甲烷浓度远高于大气平衡浓度,且该现象与地下水或河流输送无明显关联,而是与海藻海草的积累有显著相关性。实验室模拟中,底泥与海藻提取液共同存在时,甲烷产生速率达到最高,单独底泥或海藻水解液中甲烷产量则显著降低,说明微生物主要存在于底泥,且海藻及海草提供的代谢底物促进产甲烷过程。针对各种潜在甲烷生成途径的研究确认,产甲烷主导路径为甲基营养型甲烷化过程,且特定专一性抑制剂对甲烷生成有完全抑制作用,进一步排除了其他细菌途径的贡献。甲基营养型产甲烷的优越性在于其对氧的耐受性较强,且能在底泥中大量竞争性电子受体存在的条件下,如硫酸盐等,维持生存和活性。这赋予了这类甲烷古菌适应浅层氧化环境的能力。
通过全基因组测序,两个新分离的甲烷细菌株拥有完备的甲基营养型代谢路径基因群,以及多种抗氧化酶系,如F420还原酶、超氧化物还原酶和过氧化氢酶等,这些基因的存在为其在氧化压力下的存活提供了分子基础。此外,微生物生态学调查显示这些产甲烷古菌在不同地区的表层沙底都不同程度存在,尤其在海藻和海草丰富的地方更为活跃,代谢产物的丰富度呈正相关。研究进一步表明,产甲烷古菌不仅能够在暴露于氧气的环境中快速恢复,且甲烷产生速率在具体条件下能达到甚至超过传统湿地环境。氨氧化和硫酸盐还原菌等竞争者通常限制了产甲烷古菌的生存,但甲基化底物的丰富使得这些古菌获得了生存优势。气候变化背景下,沿海地区受温度升高与富营养化的影响,藻类和海草的繁茂及枯萎物积累可能更加频繁和普遍,这将可能加剧此类环境中耐氧产甲烷古菌的活性及甲烷排放。甲烷作为强效温室气体,其排放的增加可能抵消沿海蓝碳生态系统通过碳汇作用所带来的碳固定效益,复杂化全球气候调控策略。
因此,未来沿海生态系统的温室气体收支评估及相关气候模型,应充分纳入耐氧产甲烷古菌利用巨型水生植物代谢物驱动的甲烷生成机制。更大范围、更长期的现场观测结合微生物基因组学研究,将帮助科学界深化对这一新型甲烷源的理解。此类研究倡导关注海洋与沿海生态系统的多样性和复杂性,强调刚被认识的微生物功能对全球气候系统的潜在影响。耐氧产甲烷古菌的发现推动了微生物生态学和地球系统科学的交叉创新,未来也为探索海洋碳循环、环境恢复及气候缓解提供了新视角和策略。 。
