海洋地质与第四纪地质

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海洋沉积物中甲烷代谢微生物的研究进展

陈烨, 孙治雷, 吴能友, 刘昌岭, 徐翠玲, 辛友志, 曹红, 耿威, 张喜林, 翟滨, 孙运宝, 李晶, 张栋, 闫大伟, 吕泰衡

2022, 42(6): 82-92. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022021801

关键词: 甲烷, 海洋沉积物, 产甲烷菌, 甲烷氧化菌

[摘要]() [引证文献] ()

甲烷是一种重要的温室气体，深刻影响着全球的气候变化。同时，甲烷还是海底潜在能源—天然气水合物的主要成分。海洋沉积物是甲烷生物转化的一个重要生态区域，产甲烷菌主要利用H₂、CO₂及简单的有机物（甲醇、甲胺、二甲基硫等）作为底物生成甲烷，产生的甲烷在向上迁移的过程中主要被甲烷厌氧氧化（anaerobic oxidation of methane, AOM）和甲烷好氧氧化（aerobic oxidation of methane，AeOM）消耗，进而大大减少了甲烷向大气的排放量。AeOM主要发生在含氧的沉积物及沉积物-水界面中，由甲烷好氧氧化菌（aerobic methane-oxidizing bacteria, MOB）介导。然而，绝大部分甲烷在穿透缺氧沉积物层之前是被AOM反应消耗，甲烷厌氧氧化古菌（anaerobic methanotrophic archaea，ANME）是主要的参与者，这些功能微生物耦联电子受体SO₄²⁻、NO₂⁻/NO₃⁻或Fe³⁺和Mn⁴⁺将甲烷进行氧化。本文对产甲烷菌和甲烷氧化菌的种类、代谢途径及其在海洋沉积物中的分布特征进行了综述，并在前人工作基础上，对今后海洋生境中甲烷代谢过程的研究进行了展望，以期为进一步开展海洋环境中甲烷的生物转化过程及元素耦合的研究提供理论依据。

海洋环境中甲烷好氧氧化过程的研究进展

李晶, 刘昌岭, 吴能友, 贺行良, 孟庆国, 许晓晴, 陈烨

2021, 41(5): 67-76. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020112302

关键词: 海洋甲烷渗漏, 甲烷好氧氧化, 好氧甲烷氧化菌, 甲烷降解潜力

[摘要]() [引证文献] ()

海洋环境中微生物驱动的甲烷好氧氧化作用是甲烷迁移转化过程的关键环节之一，在降解甲烷方面的贡献不容忽视，能够有效降低甲烷大气通量、影响海洋碳循环。本文系统调研了国内外文献资料，认识到海洋环境中甲烷好氧氧化的赋存范围十分广泛，可赋存于超过3 000 m水深的深海环境、热液喷口等极端环境，其中海底高压、渗漏甲烷的动态运移等是甲烷好氧氧化所面临的特殊环境，在该赋存环境下，好氧甲烷氧化菌主要以I型氧化菌为主。I型与II型氧化菌对甲烷、微量金属元素等环境条件具有一定偏向性，并且在水体和沉积物两种赋存环境下氧化菌的类型也不尽相同。同时，在该赋存环境下甲烷好氧氧化强度存在时间或空间上的差异，受温度、甲烷浓度、氧浓度、微量金属元素等环境因子影响显著，但目前对压力以及甲烷渗漏运移状态对好氧氧化过程的影响规律认识不清。随着深海科研探索不断发展，甲烷氧化菌菌群多样性研究将更加丰富。此外，还需进一步针对海底高压渗漏状态下的好氧氧化过程开展精细研究工作，进一步理解海洋环境中甲烷的好氧氧化规律，这对深刻揭示甲烷迁移转化机制、科学评估甲烷生态环境效应具有重要意义。

海洋生境的甲烷好氧氧化作用对氧浓度的响应特征

李晶, 刘昌岭, 吴能友, 贺行良, 许晓晴, 陈烨, 孟庆国

2021, 41(3): 44-53. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2021011902

关键词: 海洋生境, 甲烷好氧氧化菌, 甲烷好氧氧化作用, 氧浓度

[摘要]() [引证文献] ()

海洋生境来源的甲烷好氧氧化菌及其产生的甲烷氧化作用是否具有独特性，对氧浓度这一环境因子如何响应，目前尚不清楚。本文采用海底新鲜沉积物作为菌种来源，借助微生物培养技术，实验研究了不同氧浓度条件（0%、1%、10%和50%）下的甲烷好氧氧化过程。结果表明，完全无氧条件（0%）不能发生甲烷好氧氧化作用，实验体系的甲烷氧化速率及甲烷氧化菌总丰度随氧浓度升高而降低，当氧浓度由1%升高至50%时，甲烷氧化速率减弱了约15倍，甲烷氧化菌总丰度降低了两个数量级。甲烷氧化菌优势菌属为I型氧化菌Methylobacter属，由Methylobacter leteus和Methylobacter whittenburyi组成，氧浓度增加时Methylobacter leteus的占比随之降低，Methylobacter whittenburyi则相反。本实验中甲烷好氧氧化菌及其氧化作用的最适氧浓度条件为1%，这与采样位置的原始生存环境最为接近。在海底低氧条件叠加低温、高压等特殊生境的长期驯化下，甲烷氧化菌的最适氧浓度条件将逐渐趋于其原始生存环境。

渤海沉积物中产甲烷途径及产甲烷菌群落特征

许晓晴, 陈烨, 甄毓, 米铁柱, 李晶, 刘昌岭

2022, 42(3): 50-61. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2021101901

关键词: 产甲烷菌, 沉积物, 甲基营养型, H₂/CO₂还原型, 渤海

[摘要]() [引证文献] ()

全球甲烷排放主要来源于厌氧环境中产甲烷菌的代谢活动。采集渤海典型站位沉积物样品，测定了沉积物中甲烷和硫酸盐含量。通过提供不同类型产甲烷底物进行培养，分析了各样品中甲烷产量；通过高通量测序，分析了产甲烷菌群落特征。结果表明，渤海沉积物中产甲烷途径以甲基营养型为主，同时具有H₂/CO₂还原型途径。同一站点随着深度的增加，甲烷产生量逐渐减少，产甲烷速率相应降低。古菌群落以Crenarchaeota、Asgardaeota和Nanoarchaeota为主，产甲烷菌Ca. Methanofastidiosales占据优势地位。本研究为全面了解产甲烷菌在海洋生境中产甲烷过程提供了重要参考。

海底多组分水合物分解气好氧氧化实验研究

李晶, 贺行良, 刘昌岭, 孟庆国, 宁伏龙, 陈宇峰

2017, 37(5): 204-216. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.05.021

关键词: 天然气水合物, 分解气, 好氧氧化反应, 微生物降解, 碳氢同位素分馏

[摘要]() [引证文献] ()

海洋区域蕴藏了丰富的天然气水合物资源，是地球上巨大的碳储库之一。当海洋环境发生变化时，部分水合物会分解释放出大量天然气，其向上运移过程中会发生厌氧或好氧氧化反应，从而减少由海洋向大气的碳排放量，起到消耗截流的作用。本文选取含烷烃好氧氧化菌的海底沉积物进行了水合物分解气的微生物好氧降解模拟实验，实验中用混合气(C₁+C₂+C₃)来模拟多组分水合物分解气。实验结果显示，在微生物作用下烃类混合气发生好氧氧化降解反应至消耗殆尽，反应优先顺序为C₁>C₂>C₃，降解速率C₁>C₂>C₃。且随着烃类组分含量的减少，其碳氢同位素组成发生了微生物降解分馏效应，并呈现出不同程度的富集趋势。C₁、C₂和C₃的碳同位素富集变化量分别为71.05‰、12.03‰和4.61‰，碳同位素分馏系数(ε_C)的平均值分别为-11.219‰、-2.951‰和-1.539‰；氢同位素富集变化量分别为368.64‰、156.00‰和111.97‰，氢同位素分馏系数(ε_H)的平均值分别为-56.092‰、-99.696‰和-73.303‰。可见，三者的碳位素富集程度C₁>C₂>C₃，而氢同位素富集程度C₂>C₃>C₁。此外，水合物分解气在微生物降解过程中气体成分组成及碳氢同位素特征发生了改变，对判别气体成因起到一定的干扰作用，因此，利用分解溢出气体样品进行气体溯源时需要适当考虑这一影响因素。

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