甲烷是一種分子式為CH4的化合物，不僅是一種強(qiáng)烈的溫室氣體，也是一種重要的能源。它為我們的家供暖，甚至海底的微生物也生活在上面。微生物使用一種叫做甲烷厭氧氧化（AOM）的過程，這種過程通常發(fā)生在海底的所謂硫酸鹽-甲烷過渡區(qū)，從海底層開始，海水中的硫酸鹽與更深的沉積物中的甲烷相遇。在這里，一種特殊的微生物，厭氧甲烷氧化（ANME）古菌，消耗甲烷。它們與利用甲烷氧化過程中釋放的電子來還原硫酸鹽的細(xì)菌生活在一起。為此，這些生物形成了特征性的聯(lián)系。

這一過程發(fā)生在世界各地的海底，因此是碳循環(huán)的重要組成部分。然而，由于反應(yīng)非常緩慢，因此很難研究AOM過程。為了進(jìn)行研究，研究人員經(jīng)常使用一種化學(xué)手段：甲烷中穩(wěn)定的同位素比率。不幸的是，這些同位素的行為并不總是如預(yù)期的那樣，導(dǎo)致所涉及的微生物的功能和功能嚴(yán)重混淆。馬克斯·普朗克海洋微生物研究所、德國(guó)海洋環(huán)境研究中心MARUM的研究人員和以色列魏茲曼科學(xué)研究所的同事們已經(jīng)解決了這一同位素問題，并在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了他們的結(jié)果。這為更好地理解厭氧甲烷氧化的重要過程鋪平了道路。

同位素指示反應(yīng)途徑

問題及其解決方案的詳細(xì)描述：同位素是不同質(zhì)量元素的不同“版本”。元素的同位素在原子核中具有相同數(shù)量的質(zhì)子（帶正電荷的粒子），因此它們?cè)谠刂芷诒碇芯哂邢嗤奈恢茫ㄍ凰?希臘語，在相同的位置）。然而，它們?cè)谠雍酥兄凶樱ㄖ行粤Ｗ樱┑臄?shù)量上有所不同。例如，碳有兩種穩(wěn)定的同位素，較輕的12C和較重的13C。此外，還有常見的放射性同位素14C，這是一種非常罕見的碳，用于測(cè)定含碳材料的年齡。雖然兩種穩(wěn)定同位素的化學(xué)性質(zhì)相同，但質(zhì)量差異導(dǎo)致反應(yīng)速率不同。

當(dāng)化合物發(fā)生反應(yīng)時(shí)，具有較輕同位素的化合物通常轉(zhuǎn)化得更快，在初始反應(yīng)物中留下較重的變體。同位素組成的這種變化被稱為同位素分餾，幾十年來一直被用來追蹤化學(xué)反應(yīng)。在甲烷氧化中，這意味著12主要消耗C-甲烷，導(dǎo)致剩余甲烷中的13C富集。相反，微生物產(chǎn)生的甲烷（甲烷生成）導(dǎo)致產(chǎn)生特別輕的甲烷。岡特·韋格納（Gunter Wegener）報(bào)告稱：“然而，現(xiàn)實(shí)卻出人意料地不同。”“與上述邏輯相反，我們經(jīng)常在硫酸鹽甲烷過渡區(qū)發(fā)現(xiàn)非常輕的甲烷。”

厭氧產(chǎn)甲烷氧化古菌的微生物群落呈紅色，其硫酸鹽還原伙伴細(xì)菌呈綠色。白色刻度標(biāo)記為10 m。圖片來源：馬克斯·普朗克海洋微生物研究所/V。

《自然》沒有遵循教科書：硫酸鹽甲烷過渡帶中的氫甲烷

這一悖論引發(fā)了一些問題，例如：甲烷不是被消耗的，而是在那里產(chǎn)生的嗎？如果不是大量的蟻古菌，誰應(yīng)該負(fù)責(zé)？韋格納繼續(xù)說道：“在我的實(shí)驗(yàn)室里，我們收集了世界上最大的ANE培養(yǎng)物，在那里我們可以嘗試找出甲烷氧化劑本身是否以及如何產(chǎn)生輕質(zhì)甲烷。”。“第一個(gè)結(jié)果是否定的：根據(jù)我們通常在海水中發(fā)現(xiàn)的高硫酸鹽濃度，培養(yǎng)的微生物的行為符合教科書。剩余的甲烷富含較重的同位素。”然而，如果用較少的硫酸鹽進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，甲烷在12℃時(shí)富集并變得更輕。

硫酸鹽的有效性控制AOM中的同位素效應(yīng)

那么他們?nèi)绾谓忉尲淄橥凰氐漠惓Ｐ袨槟兀恳陨形浩澛茖W(xué)研究所的喬納森·格羅普和他的導(dǎo)師伊泰·哈萊維（Itay Halevy）花了數(shù)年時(shí)間研究微生物代謝的同位素效應(yīng)，包括類似于厭氧甲烷氧化（AOM）的酶催化的甲烷生成。這使他們成為不來梅隊(duì)的理想合作伙伴。格羅普說：“這兩個(gè)過程都基于一個(gè)非常相似的七個(gè)反應(yīng)級(jí)聯(lián)。”。“以前的研究表明，所有這些反應(yīng)都可能是可逆的，即它們可以在兩個(gè)方向上發(fā)生，每個(gè)反應(yīng)也有自己的同位素效應(yīng)。”

在該模型的幫助下，Gropp可以證明，根據(jù)可用的硫酸鹽，某些反應(yīng)可以在不同程度上逆轉(zhuǎn)。這可能會(huì)導(dǎo)致以下情況：重同位素并沒有像往常一樣被留下，而是留在反應(yīng)鏈中，輕同位素返回到甲烷中。格羅普解釋道，“微生物想要反應(yīng)，但由于硫酸鹽濃度低，它們受到限制。”他補(bǔ)充道，“我們?cè)O(shè)計(jì)的模型非常適合同位素實(shí)驗(yàn)。”

長(zhǎng)時(shí)間呆在實(shí)驗(yàn)室和電腦前會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)研究人員。通過他們的研究，Wegener、Gropp和他們的同事可以展示AOM如何產(chǎn)生13-C缺乏的甲烷。使用少量硫酸鹽的實(shí)驗(yàn)尤其能很好地反映微生物的自然棲息地，即海底的硫酸鹽-甲烷過渡帶的情況。在那里，微生物通常生長(zhǎng)在很少的硫酸鹽上，就像在低硫酸鹽的實(shí)驗(yàn)中一樣。“現(xiàn)在我們知道，過渡區(qū)的甲烷氧化劑可以導(dǎo)致甲烷中的氫同位素。甲烷的產(chǎn)生是不必要的。我們懷疑ANME是甲烷研究的最終作者，”馬庫(kù)斯·埃爾伯特總結(jié)道?，F(xiàn)在研究人員已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行下一步，并想知道其他反應(yīng)是否顯示出類似的同位素效應(yīng)。