为什么深海中的甲烷碳同位素表现与预期如此不同
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在被调查微生物 Guaymas-Beckens 的家中使用 ROV 进行采样。来源：伍兹霍尔海洋研究所
为什么深海中的甲烷碳同位素表现与预期如此不同。
在海底深处，厌氧微生物会消耗大量甲烷，这是一种进入大气时的强效温室气体。尽管这一过程是全球碳循环的关键要素，但人们对它仍然知之甚少。马克斯普朗克海洋微生物学研究所和德国不来梅海洋环境科学中心 MARUM 的 Gunter Wegener 和以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的 Jonathan Gropp 现在找到了解决这个长期谜团的方法。过程：为什么甲烷碳同位素的行为与预期如此不同。在与他们的同事 Heidi Taubner、Itay Halevy 和 Marcus Elvert 的共同努力下，他们在《科学进展》杂志上给出了答案。
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厌氧甲烷氧化古细菌的微生物聚生体被染成红色，它们的硫酸盐还原伙伴细菌被染成绿色。白色比例尺标记为 10 μm。图片来源：马克斯普朗克海洋微生物研究所 / V. Krukenberg
甲烷，一种分子式为 CH 4的化合物，不仅是一种强大的温室气体，也是一种重要的能源。它为我们的家供暖，甚至海底微生物也以此为生。微生物使用一种称为甲烷厌氧氧化 (AOM) 的过程，这种过程通常发生在海底所谓的硫酸盐-甲烷过渡区——海底层中，来自海水的硫酸盐与来自较深沉积物的甲烷相遇。在这里，专门的微生物，即厌氧甲烷氧化 (ANME) 古细菌，会消耗甲烷。它们与细菌密切相关，细菌利用甲烷氧化过程中释放的电子进行硫酸盐还原。为此，这些生物体形成了特征性的联合体。
这个过程在全球范围内发生在海底，因此是碳循环的重要组成部分。然而，研究 AOM 过程具有挑战性，因为反应非常缓慢。为了进行调查，研究人员经常使用一种化学诀窍：甲烷中的稳定同位素比率。但不幸的是，这些同位素的表现并不总是如预期的那样，这导致对所涉及微生物的作用和功能的严重混淆。现在，来自马克斯普朗克海洋微生物学研究所和德国 MARUM 海洋环境科学中心的研究人员与以色列魏茨曼科学研究所的同事一起解决了这个同位素之谜，并将他们的研究结果发表在《科学进展》杂志上. 这为更好地理解厌氧甲烷氧化的重要过程铺平了道路。
同位素揭示反应途径
谜题及其详细解决方案：同位素是具有不同质量的元素的不同“版本”。元素的同位素在原子核中具有相同数量的质子（带正电的粒子），因此在元素周期表中的位置相同（iso topos =希腊语，相同位置）。但是，它们在原子核中的中子（中性粒子）数量不同。例如，碳有两种稳定同位素，较轻的12 C 和较重的13 C。此外，还有我们熟悉的放射性同位素14C，一种非常稀有的碳物种，用于确定含碳材料的年龄。虽然这两种稳定同位素的化学性质相同，但质量不同导致反应速率不同。当化合物发生反应时，同位素较轻的化合物通常转化得更快，而较重的变体留在初始反应物中。这种同位素组成的变化被称为同位素分馏，几十年来一直用于跟踪化学反应。在甲烷氧化的情况下，这意味着12 C-甲烷主要被消耗，导致13剩余甲烷中的 C。相反，甲烷的微生物生产（产甲烷）会产生特别轻的甲烷。“然而，现实却出人意料地不同，”Gunter Wegener 报道。“与上述逻辑相反，我们经常在硫酸盐-甲烷过渡区发现非常轻的甲烷。”
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瓜伊马斯盆地热液喷口——所研究的甲烷氧化微生物的“家园”。喜欢热的微生物在背景中的橙色微生物垫下茁壮成长。上升水域的高温模糊了图像的一部分。来源：伍兹霍尔海洋研究所
自然不按照教科书：硫酸盐-甲烷过渡带中的轻甲烷
这个悖论提出了一些问题，例如：甲烷不是在那里消耗而是产生的？如果不是众多的 ANME 古细菌，谁应该为此负责？“在我的实验室里，我们拥有世界上最大的 ANME 培养物集合。在那里，我们可以尝试找出甲烷氧化剂本身是否以及如何导致轻质甲烷的形成，”韦格纳继续说道。“第一个结果令人沮丧：在我们通常在海水中发现的高硫酸盐浓度下，培养的微生物的行为符合教科书。剩余的甲烷富含较重的同位素。” 然而，如果用少量硫酸盐进行相同的实验，甲烷在12C、变轻了。即使同时继续消耗甲烷，这种情况也会发生——乍一看，这种影响几乎没有逻辑。
硫酸盐的可用性决定了 AOM 中的同位素效应
那么他们如何解释甲烷同位素的异常行为呢？来自以色列魏茨曼科学研究所的 Jonathan Gropp 和他的导师 Itay Halevy 多年来一直在研究微生物代谢的同位素效应，包括产甲烷作用——一种由与甲烷厌氧氧化 (AOM) 相同的酶催化的反应。因此，他们是不来梅团队的理想合作伙伴。“这两个过程都基于非常相似的七个反应级联，”格罗普说。“以前的研究表明，所有这些反应都可能是可逆的，这意味着它们可以双向发生。每个反应也有其自身的同位素效应。” 在模型的帮助下，格罗普能够证明，取决于可用硫酸盐的多少，部分反应可以不同程度地逆转。这可能导致重同位素不像往常那样被留在反应链中，而是被卡在反应链中，而轻同位素被引导回甲烷。“微生物想要进行反应，但由于硫酸盐浓度低而受到限制，”格罗普解释说，并补充说“我们设计的模型非常适合同位素实验。”
在实验室和电脑前的长时间工作为研究人员带来了回报。通过他们的研究，Wegener、Gropp 和他们的同事可以展示 AOM 如何产生13贫碳甲烷。特别是少量硫酸盐的实验很好地反映了微生物自然栖息地的条件，即海底的硫酸盐-甲烷过渡区。在那里，微生物通常只依靠少量硫酸盐，就像在低硫酸盐实验中一样。“现在我们知道，甲烷氧化剂可能是硫酸盐-甲烷过渡区甲烷轻同位素积累的原因。为此不需要产甲烷。正如我们所怀疑的那样，ANME 是甲烷氧化剂，”当前研究的最后一位作者 Marcus Elvert 总结道。现在研究人员已为下一步做好准备，并希望了解其他反应是否显示出类似的同位素效应。