成果简介
近日，浙江大学环境与资源学院胡宝兰教授在ESE上发表了题为“Salinity causes differences in stratigraphic methane sources and sinks”的论文。文章基于甲烷活性、甲烷代谢微生物群落和甲烷代谢功能基因证据提出，陆地浅层气地层是甲烷源，而近海浅层气地层是甲烷汇。此外，盐度是影响地层甲烷排放通量的关键非生物因素，暗黑菌与产甲烷古菌的种间电子传递则是驱动地层甲烷排放的关键生物因素。本项目得到了浙江省重点研发项目的资助。
引言
甲烷代谢是碳循环的关键环节，产甲烷和甲烷氧化微生物是其中主要的参与者。随着海水入侵和土壤盐渍化等全球环境变化，盐度对甲烷代谢的影响日益加深，而对于不同盐度下地层甲烷排放的研究甚少报道。本研究选取不同盐度的陆地和近海地层（15~40 m深），基于原位研究及微宇宙模拟探究了盐度对地层甲烷代谢的影响机制。结果表明，盐度水平高5倍的近海地层总产甲烷速率比陆地地层低12.05%，而总甲烷氧化速率则高687.34%，导致总甲烷排放通量低146.31%。盐度是影响甲烷代谢微生物群落的关键非生物因素，对两地层间产甲烷古菌群落、甲烷氧化古菌群落及甲烷氧化细菌群落的贡献分别是16.53%、27.25%和22.94%。微生物种间互作影响了地层甲烷代谢，代谢通路分析发现，暗黑菌JS1分解有机质产生H2、乙酸盐和甲酸盐驱动产甲烷古菌Methanofastidiosales产生甲烷。本研究结果对于解析地层甲烷的排放及其影响因素有一定的科学指导意义。
导读内容一：地层甲烷排放通量
陆地地层的总潜在甲烷排放通量为2.56 mg m-2 d-1，是潜在的甲烷源；近海地层的总潜在甲烷排放通量为-1.18 mg m-2 d-1，是潜在的甲烷汇。相较于陆地地层，尽管近海地层的总产甲烷速率低12.05%，但总甲烷氧化速率高687.34%，导致总甲烷排放通量低146.31%。此外，相关性分析显示，盐度与潜在产甲烷速率和潜在甲烷排放通量均存在显著负相关性，与潜在甲烷氧化速率则呈显著正相关性。
导读内容二：地层甲烷代谢微生物群落结构
进一步探究盐度对地层甲烷代谢微生物的影响，RDA分析显示，盐度是影响陆地地层和近海地层产甲烷古菌群落和甲烷氧化古菌群落差异的重要驱动因子，它贡献了两地层间16.53%的产甲烷古菌群落变化，27.25%的甲烷氧化古菌群落变化和22.94%的甲烷氧化细菌群落变化。定量PCR结果显示，近海地层产甲烷古菌和ANMEs古菌16S rRNA平均基因拷贝数为1.74×106copies g-1和8.7×106copies g-1，分别为陆地地层的0.78和4.51倍，暗示近海地层的厌氧甲烷氧化过程更为活跃。
导读内容三：地层甲烷代谢功能基因分布
KEGG基因功能注释结果表明，在地层的好氧甲烷氧化途径中，pmo和fdo功能基因缺失，表明地层生境主要进行厌氧甲烷氧化过程。整体上近海地层的甲烷代谢功能基因丰度为陆地地层的1.42倍，其中mtr、mer、mtd、mch、ftr和fwd基因丰度分别为陆地地层的1.43、1.50、1.81、1.31、1.39和1.29倍，而编码甲烷代谢关键酶的mcr功能基因丰度却仅为陆地地层的0.6倍。
导读内容四：地层微生物互作
利用宏基因组学分析，重建了19个陆地地层古菌MAGs和22个近海地层古菌MAGs。进一步用KEGG注释MAGs，发现陆地地层有5个与甲烷代谢有关的古菌MAGs，近海地层有4个与甲烷代谢有关的古菌MAGs。其中，产甲烷古菌的MAG仅于陆地地层被检出，该MAG属于Methanofastidiosales，拥有氢营养型和乙酸营养型产甲烷通路的部分基因。在陆地地层和近海地层分别重建的35个和32个细菌MAGs中，发现属于Atribacteria门的JS1细菌可能与产甲烷古菌互作。JS1细菌的MAGs含有各种单糖、多糖和氨基酸ABC转运蛋白基因及参与糖酵解和发酵的酶，表明JS1细菌具有利用地层有机质发酵产生乙酸盐和甲酸盐的潜力。同时，在JS1的MAGs中还发现了编码膜结合氢化酶（Mbh）的基因，Mbh可以利用还原态铁氧还蛋白提供的电子还原H+产生H2。H2、乙酸盐和甲酸盐这些小分子物质可以作为种间电子，传递给Methanofastidiosales，作为产甲烷底物生成甲烷。甲烷在Mcr、Mtr、Mer、Mtd、Mch、Ftr和Fwd的作用下，通过逆向产甲烷方式氧化甲烷。在陆地地层和近海地层中都发现了厌氧甲烷氧化古菌ANME-1-THS的MAG。近海地层ANME-1-THS的MAG中厌氧甲烷氧化途径上的基因和编码电子分岔复合物的基因都比陆地地层的更加完整。属于Methanosarcinales的MAG仅在近海地层样品中被检出，它拥有完整的厌氧甲烷氧化途径，依据能量代谢机制和系统发育的比对，该菌为厌氧甲烷氧化古菌ANME-2a。此外，研究人员还发现Methanomethylicia、Nitrososphaeria和Lokiarchaeia可能通过不同的途径参与甲烷代谢过程。
结论
基于甲烷活性、甲烷代谢微生物群落和甲烷代谢功能基因证据，本研究证实陆地浅层气地层是甲烷源，而近海浅层气地层是甲烷汇。此外，盐度是影响地层甲烷排放通量的关键非生物因素，暗黑菌与产甲烷古菌的种间电子传递则是驱动地层甲烷排放的关键生物因素。本研究结果为全球甲烷排放的评估提供了数据支撑，同时也为未来地层浅层气的开采提供了理论参考。
作者简介
通讯作者：胡宝兰，浙江大学求是特聘教授，博士生导师。主要从事环境微生物学和环境生物技术研究，在自然界微生物碳氮循环、微生物互作研究方面取得了创新性成果。在PNAS、Nat. Microbiol、Nat. Commun.、Environ. Sci. Technol、Water Res.等期刊上发表SCI论文148篇，ESI高引论文5篇，H因子为44，总他引次数5000余次。主持国家自然科学基金、国家重点研发课题、国家科技支撑计划、浙江省重点研发课题等纵向课题20多项，承担企业委托课题20余项，获省部以上奖项6项，参编著作/教材8本，授权国家专利50余项。
第一作者：屈莹，浙江大学环境与资源学院2020级硕士研究生。
论文信息
原文标题：Salinity causes differences in stratigraphic methane sources and sinks
引用信息：Qu, Y., Zhao, Y., Yao, X., Wang, J., Liu, Z., Hong, Y., ... & Hu, B. (2024). Salinity causes differences in stratigraphic methane sources and sinks. Environmental Science and Ecotechnology 19: 100334.
doi: 10.1016/j.ese.2023.100334