甲烷吃菌的研究表明，它们在阻止湖泊释放对气候有害的甲烷排放方面可能比我们之前认识的更加重要，德国不来梅的研究人员报告称。他们的研究澄清了该过程中的参与者以及其运作方式。
甲烷是一种强效温室气体，通常在海洋和淡水环境中产生。湖泊尤其释放大量这种危险气体。值得庆幸的是，存在微生物通过消耗甲烷来生长和产生能量，从而防止其逃逸到大气中，缓解了这个问题。这些微生物被称为甲烷营养菌，被视为甲烷的重要“生物过滤器”。
甲烷营养菌由几类微生物组成，但我们对它们的生活方式仍然存在显著的知识空白。德国不来梅的马克斯·普朗克海洋微生物研究所和瑞士Eawag的研究人员最近进行的一项研究，现已发表在期刊《自然通讯》中，揭示了这些生物的一些显著能力以及它们对于气候稳定的以前被低估的贡献。
低氧水域中的好氧生物
在这项研究中，马克斯·普朗克研究所的Sina Schorn和Jana Milucka带领的科学家们前往瑞士的祖格湖。这个深达近200米的湖泊，在大约120米以下没有氧气。令人惊讶的是，这种缺氧水域中居住着好氧甲烷氧化细菌（简称MOB），而这类细菌通常需要氧气。之前尚不清楚这些细菌是否以及如何能够在无氧环境中代谢甲烷。
为了探索这些微生物的活动，研究小组用“重”碳同位素（13C而不是12C）标记了甲烷分子（CH4），并将其引入自然湖水样本中。随后，研究人员使用一种名为NanoSIMS的先进仪器跟踪重碳在单个细胞内的运动。这使他们得以观察细菌如何将甲烷转化为二氧化碳——另一种温室气体，尽管比甲烷危害更小——而部分碳也被直接整合到细菌细胞中。这个过程帮助识别出细菌群落中哪些细胞是活动的，哪些是无活动的。他们还采用了现代技术，如宏基因组学和宏转录组学，分析细菌所使用的代谢途径。
只有一组细菌在无氧环境中茁壮成长
“我们的研究结果表明，好氧MOB可以在无氧水域活跃，”如今在哥德堡大学工作的Sina Schorn报告称。“然而，这种活跃性仅限于特定组的MOB，这些细菌可以通过它们独特的棒状细胞轻易识别。令人惊讶的是，这些细胞在富氧和缺氧环境中保持相等的活性水平。因此，缺氧水域中较低的甲烷氧化率很可能是由于这些专门的棒状细胞数量较少，而不是细菌活性减少所致。”
在应对甲烷排放中的代谢灵活性
不来梅的马克斯·普朗克团队在深入研究这一细菌群体的代谢能力时发现了另一个有趣的方面。“通过检查存在的基因，我们揭示了这些细菌在低氧条件下的反应，”不来梅马克斯·普朗克研究所温室气体研究小组负责人Jana Milucka解释道。“我们识别出一些与独特形式的基于甲烷发酵相关的基因。”尽管这一过程已在MOB的实验室培养物中得到验证，但在自然生态系统中尚未观察到。此外，研究人员还发现了与反硝化作用相关的基因，暗示这些细菌可能用硝酸盐替代氧气来产生能量。
发酵过程尤为重要。“如果MOB参与发酵，它们可能会释放出其他细菌可以利用的副产品进行生长。这意味着甲烷中的碳将更长时间保留在湖中，防止其进入大气。这个过程代表了无氧环境中一个被忽视的甲烷碳汇，我们需要在未来的计算中考虑到这一点，”Milucka表示。
当前和未来甲烷排放的重大减少
不来梅的研究人员阐明了在无氧环境中负责甲烷分解的生物是谁，并详细描述了参与该降解的机制。他们的发现表明，甲烷吃菌在减少这些栖息地向大气释放甲烷方面发挥着惊人的重要作用。
“甲烷是一种强效的温室气体，占全球温升的约三分之一，”Schorn解释道，强调新公布结果的重要性。“微生物甲烷氧化是捕获甲烷的唯一生物机制。因此，这些微生物的活性对于控制甲烷排放和调节全球气候至关重要。考虑到温带湖泊中缺氧条件的日益普遍，MOB在甲烷降解中的作用预计将变得更加关键。我们的研究结果表明，MOB将在未来对减少温室气体和碳保留做出显著贡献。”
