洪义国, 吴佳鹏

广州大学大湾区环境研究院, 珠三角水质安全与保护教育部重点实验室, 广东 广州 510007

随着世界石油、天然气资源的日渐耗尽, 各国科学家正在努力寻找新的替代能源。目前的研究已经发现, 海底深部富含甲烷天然气水合物, 其含量大约是目前地球化石能源的两倍(Etiope et al,2014; Suess, 2014; Joye, 2020)。天然气水合物被称为是21 世纪最具有商业开发前景的战略资源, 或将改变全球能源结构, 正受到各国科学家和各国政府的重视。此外, 甲烷又是具有强烈温室效应的气体, 其温室效应大约是CO2的25 倍。在全球变暖和能源短缺的背景下, 富含水合物的海相沉积物中古菌的厌氧甲烷氧化(anaerobic oxidation of methane, AOM)作用日益受到科学家关注(Chen et al, 2019)。近年来, AOM 过程的研究取得了很多进展, 本文将从AOM 过程的研究历史、甲烷氧化古菌(methane-oxidizing archaea, MOA)的系统进化、AOM 的代谢过程机制、AOM 在深海冷泉碳酸盐形成以及控制海底甲烷渗漏的生物地球化学功能方面进行评述。

1 古菌厌氧甲烷氧化研究的历史追溯

长期以来, 甲烷氧化被认为是在有氧条件下由嗜 甲 烷 细 菌( 主 要 为 α-Proteobacteria 和 γ-Proteobacteria)介导完成的, 细菌从这一代谢过程中获得能量(Hanson et al, 1996)。然而, 在厌氧条件下能够氧化甲烷的微生物却一直没有被发现, 因此在20 世纪的大部分时间里, 很多微生物学家坚持认为甲烷在厌氧条件下是惰性的。直到20 世纪70 年代, 一些开创性的研究使得这一研究领域有了新突破。在1976 年, Reeburgh (1976)发现, 在卡里亚克海槽的厌氧环境中, 甲烷代谢与硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)密切相关; 在同一年,Barnes 等(1976)的研究发现, 在海洋沉积物中, 甲烷浓度从沉积物到水体方向渐逐降低, 而硫酸盐浓度从海体到沉积物方向也逐渐降低, 这表明硫酸盐可能是AOM 过程的电子受体。……