海底甲烷渗漏区微生物参与甲烷代谢过程的研究

本研究结合生物地球化学、同位素和分子微生物学等学科的专门知识与实验技术，选取我们前期已经有较好工作基础的珠江口淇澳岛海岸带沉积物、日本海沟和美国墨西哥湾三类典型海洋甲烷渗漏环境样本，研究微生物群落与沉积物孔隙水、自生矿物、烃类气体的相互作用，对比不同构造背景海底微生物厌氧条件下甲烷的代谢途径、代谢强度差异，分析比较不同甲烷渗漏速率条件下温度、压力、硫酸盐、硝酸盐和氧的供给对微生物群落的结构和环境基因组的影响。探索海底微生物在海洋碳循环过程中的作用，从生物学角度提高对海底碳循环和碳储库平衡的认识。

1983年，冷泉首次由载人深潜器在墨西哥湾俯冲带发现。主要分布于水深200-3500m的大陆边缘。已发现了多种化能合成的冷泉类型：泥火山、卤水渗漏区、甲烷渗漏区及石油渗漏区。与硫酸盐还原（sulfate reduction, SR）耦 合的甲烷厌氧氧化（anaerobic oxidation of methane, AOM）反应是冷泉系统中最重要的微生物过程。这一过程每年消耗4x108 吨的甲烷，相当于海洋中生 物来源甲烷年产量的90%以上，是海洋碳循环的重要组成，直接影响着全球的气 候。虽然AOM这一过程早在上世纪80年代已经被发现，但是对其机制的研究进展缓慢。直至2000年Boetius等证实甲烷厌氧氧化是由甲烷厌氧氧化古菌ANME（anaerobic methanotrophic archaea）和硫酸盐还原细菌SRB（sulfate reducing bacteria）共生共同完成的。但厌氧甲烷氧化代谢途径到底如何进行？细菌/古菌间电子传递中间体是什么？两个关键科学问题一直困扰着这一领域。2004年Hallam等通过环境基因组的数据表明ANME进行AOM的 过程很可能是甲烷产生途径的逆途径，但此后从未得到证明。我们通过冷泉微生物的实验室模拟培养与单细胞基因组/代谢分析，发现了甲烷厌氧氧化过程全部7个关键酶并证实其表达；初步构建了覆盖厌氧甲烷氧化古菌ANME2a基因组90%的框架图；发现了ANME/SRB共生并可能参与硝酸盐还原的不同细菌类群；根据环境基因组与单细胞测序结果分离培养出一类参与C1代谢冷泉区细菌Methylophaga，并进行了初步鉴定。我们的研究突破了国际上厌氧甲烷氧化研究两个关键科学问题中的一个，也对第二个科学问题的解决提出了见解。