海洋中的甲烷氧化现象

海洋中的甲烷氧化现象

Emily J. Beal Christopher H. House Vicoria J. Orphan

甲烷缺氧氧化菌有助于调节地球的气候，并且在地球形成早期，可能是微生物生态系统中的一个重要组成部分。通常认为缺氧甲烷氧化作用（AOM）由硫酸盐的含量控制，尽管其他电子受体能提供更多的化学势能。加利福尼亚州伊尔河盆地(ERB)的沉积物不断向上释放甲烷，我们发现在这些海洋沉积物中的微生物能利用锰（水钠锰矿）和铁（水合铁氧化物）氧化甲烷，这表明海洋的缺氧甲烷氧化作用不仅仅与硫酸盐含量有关，而是与多种氧化剂具有直接或间接的关系。河流源源不断地向海洋输入大量的铁、锰元素，因此，与铁、锰相关的缺氧甲烷氧化作用具有重要的全球化意义。

淡水体系中，在硫酸盐缺失的情况下，硝酸盐或亚硝酸盐也能使缺氧甲烷氧化作用进行。相关试验结果表明，向缺氧状态的底泥或消化污泥中投加锰（M n O2）或铁（FeCl2和FeCl3）会提高甲烷氧化的速率。但是，却没有在硫酸盐缺失的情况下海洋底泥发生缺氧甲烷氧化作用的直接证明。沉积物孔隙水的相关地球化学研究发现，在发生缺氧甲烷氧化作用的底泥中铁和锰元素被还原，而海洋沉积物中缺氧甲烷氧化的最大发生速率往往不与硫酸盐的最大还原速率相伴发生。在Franciscan Complex经抬升的伊尔河盆地沉积物中，由甲烷引起的碳酸盐13C衰竭与碳酸锰(MnCO

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)之间存在着很强的相关性。此外，在黑海与甲烷渗漏相关的碳酸盐中也存在着锰和其它金属富集的现象。

在海洋体系的缺氧甲烷氧化过程中，水钠锰矿和水合铁氧化物可以作为电子受体。大量的锰（～19 Tg/a）和铁（～730 Tg/a）由河流源源不断地进入海洋。铁就是以这种方式先进入发源于美国加州北部海岸的伊尔河，再通过沉积物释放进入伊尔河盆地。如果全球范围的高价铁和高价锰都用来氧化甲烷的话，那么将占缺氧甲烷氧化总量的1/4。就算海洋中输入通量中的小部分的铁、锰参与缺氧甲烷氧化，也将会对甲烷总量产生较大的影响，因为铁、锰元素在被沉积物深埋之前都可以进行100~300次的氧化与还原反应。

伊尔河盆地沉积物的甲烷释放试验由甲烷、带13C示踪原子的甲烷、二氧化碳和人工配置的无硫酸盐海水进行。在提供硫酸盐、水钠锰矿、氢氧化三铁、水合铁氧化物、硝酸盐、硝酸盐+硫酸盐以及无电子受体（对照）的实验体系中，分别进行3组平行试验。水钠锰矿和水合铁氧化物实验体系分别进行了预处理，以保证体系内没有硫酸盐的存在。在甲烷缺氧氧化的过程中，13C示踪原子由甲烷转变成二氧化碳，因此在实验过程中我们通过测定二氧化碳中13C的浓度变化来考察缺氧甲烷氧化过程，再将δ13CO2的产生量转化成甲烷被氧化的量。

在提供硫酸盐、水钠锰矿或水合铁氧化物电子受体的实验体系测定二氧化碳中13C的富集情况，结果表明在没有硫酸盐的情况下水钠锰矿或水合铁氧化物仍然能使缺氧甲烷氧化得以进行。在各实验体系中均对硫酸盐含量进行监测，以保证添加水钠锰矿或水合铁氧化物实验体系中保持无硫酸盐状态（硫酸盐含量小于30μm）。对水钠锰矿或水合铁氧化物实验体系进行高压灭菌处理，实验过程中二氧化碳和甲烷之间没有发生非生物因素的同位素交换，同时也没有非生物因素的硫酸盐产物。在仅有硝酸盐和硝酸盐、硫酸盐共存的实验体系中，缺氧甲烷氧化过程受到了抑制。同样，存在氢氧化三铁的实验中也没有观察到缺氧甲烷氧化的发生。

以往的研究文献表明，与水合铁氧化物相比，黑海底泥中的微生物能更有效地利用水钠锰矿。在实验过程中，我们发现由水钠锰矿控制的缺氧甲烷氧化反应速率快于由水合铁氧化物控制的缺氧甲烷氧化反应速率。水钠锰矿或水合铁氧化物控制的缺氧甲烷氧化速率均小于硫酸盐控制的缺氧甲烷氧化速率，尽管两者能产生较高的化学势能。原因可能在于水钠锰矿和水合铁氧化物都是固体，其利用率均低于溶解态的硫酸盐。尽管水钠锰矿和水合铁氧化物对甲烷的缺氧氧化速率较低，却对甲烷的地球化学循环起着举足轻重

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的作用。

目前，已发现参与缺氧甲烷氧化过程的三大古菌类群，即ANME1、ANME2和ANME3。

A N M E类古细菌多与硫酸盐还原菌伴生，如Desulfosarcinales和Desulfobulbus。但是，也有发现ANME1和ANME2菌群独立生存的情况，这说明上述菌群没有硫酸盐还原菌的物理协助也能够完成缺氧甲烷氧化作用。ANME菌群与硫酸盐还原菌群相伴生的现象并不能证明硫酸盐是缺氧甲烷氧化得以进行的必要条件。有些硫酸盐还原菌可以随意地利用硫酸盐之外的其它电子受体，如某一类Desulfobulbus古细菌能够对铁元素进行还原。在黑海与ANME2伴生的反硫化细菌体内就存在磁小体，该现象就进一步证明了反硫化细菌在铁循环中的作用。

为了研究参与水钠锰矿控制缺氧甲烷氧化过程的微生物群落，我们选择不同条件下的一个实验体系，在实验结束时测定微生物群落中16S rRNA序列的变化和甲基辅酶M还原酶基因的多样性，从而了解微生物群落构成的变化。经过10个月的实验，我们观察到古细菌多样性与初始沉积物相比有了一个明显的转变。在投加水钠锰矿的试验和对照试验（无硫酸盐，也没有投加其它电子受体）中，与泉古菌Crenarchaeota相关的phylotype的比例均有所增加，而投加硫酸盐的实验中与广古菌Euryarchaeota相关的phylotype却有所增加，尤其是属于ANME 2b和ANME 2c的两种phylotype。未经驯化的属于Marine Group D （M B G D）的古菌群是实验前沉积物种的优势种群，在试验结束后仍然是各实验体系古菌类群的主要部分，约占总数的30%以上。目前MBGD 古菌群的新陈代谢潜能还尚不明确。但是，值得一提的是古菌群经驯化后产生的菌群多为产甲烷菌（约占80%），它们在甲烷循环过程中所起的作用需要引起更进一步的重视。在投加水钠锰矿的试验和对照试验（无硫酸盐，也没有投加其它电子受体）中，与泉古菌Crenarchaeota Marine Group C（MBGC）相关古菌的比例均有所增加，但是在投加硫酸盐的实验中缺没有出现此类现象。

属于ANME甲烷氧化菌群的带有16S rRNA基因序列的古菌在所有沉积物培养实验中所占的比例均较小，ANME-1菌群占古菌总数的比例不超过5%。不过，与最初16S rRNA基因序列筛选的结果相比，mcrA基因片段（尤其是对产甲烷杆菌和甲烷氧化菌）的研究发现ANME甲烷氧化菌具有更丰富的生物多样性。除加硫酸盐的实验外，大多数的mcrA基因来自于ANME-1菌群（约占85%）。在硫酸盐培养实验中，ANME-1菌群代表了42%的mcrA融合基因，ANME-2菌群则代表了46%。在锰和硫酸盐培养实验中，与初始沉积物和对照试验相比ANME-3菌群的生物多样性呈现增加趋势。

在水钠锰矿的培养实验中约有40%的细菌是锰还原菌，其中包括一些在重污染场所或热液系统中出现的无性繁殖的微生物。比如类杆菌属、变形菌属（包括Geobacter菌）、酸杆菌属，以及可进行金属还原的疣微菌属。类杆菌属仅出现在锰培养实验和对照试验中，而酸杆菌属仅出现在锰培养实验中。在水钠锰矿培养实验中与硫循环相关的微生物多为硫氧化菌，如Sulfurovumales ε-变形杆菌，在硫酸盐培养实验中的优势菌为硫酸盐还原菌，主要是脱硫球茎菌Desulfobulbus。

在水钠锰矿的培养实验中锰还原菌生物群落发生了较大的改变，这说明古菌并非锰控制缺氧甲烷氧化过程中唯一起作用的微生物，细菌也起到了重要的作用。实验过程中A N M E-2菌群的相对比例有所下降，Methanococcoides/ ANME-3菌群的比例有所上升，而ANME-1菌群的比例相对保持稳定。总而言之，实验结果表明锰控制的缺氧甲烷氧化过程由ANME-1菌群或Methanococcoides/ ANME-3菌群连同细菌共同完成，或者并无古菌参与得情况下仅由细菌完成。如果细菌确实是锰控制的缺氧甲烷氧化过程的唯一参与者，那么正如在硝酸盐控制的缺氧甲烷氧化过程所观察到的那样，该类细菌体内并不含有mcrA基因。

在水钠锰矿的培养实验中，微生物群落发生了从硫酸盐还原菌到金属还原菌的转变，这种转变支持了缺氧甲烷氧化过程与金属还原过程直接相连接的观点，微生物优势种群的变化也可看做是异养性金属还原菌刺激的结果。如果海洋沉积物中缺氧甲烷氧化过程与金属还原过程间接相连接的话，微生物参与催化甲烷缺氧氧化反应所获得的实际能量将远远低于表1（表略）中所列的能量值。不管具体生化反应机理如何，Mn和Fe对缺

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