地球深處，沒有陽光也沒有氧氣，微生物卻在這種極端環(huán)境中頑強(qiáng)生存，默默推動(dòng)著地球碳素循環(huán)，并持續(xù)產(chǎn)生甲烷這種綠色能源。此前研究發(fā)現(xiàn)，在地下深部生物圈，廣泛分布著“吃”甲醇產(chǎn)甲烷的古菌。但是，他們賴以生存的甲醇從何而來一直是一個(gè)未解之謎。
北京時(shí)間2025年1月30日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所（以下簡稱沼氣所）厭氧微生物科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與日本科學(xué)家合作，在《自然》（Nature ）上發(fā)表題為“Methanol transfer supports metabolic syntrophy between bacteria and archaea”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了一種合作共贏的菌群互作模式，為解答上述謎題提供了新的線索。
該研究揭示了厭氧微生物產(chǎn)甲醇的新途徑，并提出了第四種細(xì)菌和古菌互作產(chǎn)甲烷模式——種間甲醇轉(zhuǎn)移。這一發(fā)現(xiàn)為理解全球甲烷循環(huán)提供了全新視角，也為“地下沼氣工程”和溫室氣體減排控制技術(shù)開發(fā)帶來了新思路。
論文第一作者、沼氣所副研究員黃艷介紹，全球每年甲烷排放量高達(dá)5億至6億噸，其中約70%通過產(chǎn)甲烷代謝產(chǎn)生的。自然界中，有機(jī)物代謝產(chǎn)甲烷的過程類似于沼氣發(fā)酵，通常需要細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌通過“互營代謝”合作完成。
以往的研究認(rèn)為，這種代謝主要依賴細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌間的“種間氫轉(zhuǎn)移”、“種間甲酸轉(zhuǎn)移”或“種間直接電子傳遞”三種模式實(shí)現(xiàn)，主要由氫營養(yǎng)型和乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌負(fù)責(zé)甲烷的產(chǎn)生。然而，對(duì)于自然界廣泛分布的甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌，其在互營產(chǎn)甲烷代謝中的生態(tài)功能一直未被明確。
甲醇生成細(xì)菌與甲基型產(chǎn)甲烷古菌通過種間甲醇轉(zhuǎn)移互營降解甲酸產(chǎn)甲烷。受訪者供圖
承磊團(tuán)隊(duì)前期從地下油藏先后分離了厭氧細(xì)菌新科物種Zhaonella formicivorans（嗜甲酸趙氏桿菌，為紀(jì)念沼氣所趙一章研究員而命名），以及吃甲醇產(chǎn)甲烷的厭氧古菌新科物種Methermicoccus shengliensis（勝利甲烷嗜熱微球菌，為紀(jì)念勝利油田而命名）。
黃艷介紹，嗜甲酸趙氏桿菌是一位“釀假酒大師”。它通過一種全新的途徑，巧妙地將甲酸“釀造”成甲醇。這位“大師”卻不勝酒力，隨著甲醇的積累，整個(gè)釀造過程會(huì)逐步停滯。而勝利甲烷嗜熱微球菌雖不會(huì)釀酒，卻是專門吃甲醇的“醉翁”，它的出現(xiàn)，不僅協(xié)助嗜甲酸趙氏桿菌持續(xù)釀“甲酸”產(chǎn)“甲醇”，解決了甲醇累積的問題，還將甲醇轉(zhuǎn)化為甲烷，持續(xù)生成天然氣。
此前，細(xì)菌和古菌互作產(chǎn)甲烷（被稱為“互營代謝”）主要依賴于微生物之間的氫氣、甲酸或電子傳遞，而此次發(fā)現(xiàn)的“種間甲醇轉(zhuǎn)移”是一種新的菌群互作產(chǎn)甲烷模式。
隨后，該團(tuán)隊(duì)利用嗜甲酸趙氏桿菌和勝利甲烷嗜熱微球菌人工構(gòu)建了合成菌群，并結(jié)合同位素示蹤、多組學(xué)等前沿技術(shù)，證實(shí)了嗜甲酸趙氏桿菌通過全新的甘氨酸—絲氨酸循環(huán)介導(dǎo)途徑產(chǎn)生甲醇，這也是首次在微生物細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)。這種轉(zhuǎn)化過程面臨的熱力學(xué)限制，通過與產(chǎn)甲烷古菌——?jiǎng)倮淄槭葻嵛⑶蚓暮献鞯靡钥朔?/p>
“細(xì)菌和古菌通過甲醇轉(zhuǎn)移來解除熱力學(xué)限制，從而推動(dòng)甲烷的持續(xù)產(chǎn)生。”承磊說。
甲醇生成細(xì)菌與甲醇代謝古菌通過“種間甲醇轉(zhuǎn)移”互作產(chǎn)甲烷。受訪者供圖
該研究不僅豐富了深部生物圈的碳循環(huán)認(rèn)知，為地下甲基化合物的生物來源提供了新的線索，也為未來開發(fā)“地下沼氣工程”和碳減排新技術(shù)開發(fā)提供了新的思路。
該研究由沼氣所聯(lián)合日本國立海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、日本北海道大學(xué)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所和北京大學(xué)等多家國內(nèi)外知名研究機(jī)構(gòu)共同完成。日本國立海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)主任研究員Masaru K. Nobu、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所上級(jí)主任研究員Souichiro Kato，以及承磊為論文共同通訊作者。沼氣所副研究員黃艷為論文第一作者。
承磊表示，這項(xiàng)研究從啟動(dòng)到發(fā)表歷時(shí)十年，得益于沼氣所的長期支持、團(tuán)隊(duì)的接力協(xié)作以及國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)的共同努力，才得以順利發(fā)表。這也成為了一種互作共贏的合作典范?！蹲匀弧冯s志還為本研究配發(fā)了題為“Underground bacteria serve alcohol to methane-making microbes”的研究簡報(bào)，介紹了該研究的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用前景。
目前該團(tuán)隊(duì)主要從事厭氧微生物資源與利用研究，擁有國內(nèi)一流的厭氧微生物研究平臺(tái)，保藏了1400多種厭氧微生物模式物種。該團(tuán)隊(duì)已分離了非廣古菌門產(chǎn)甲烷古菌（Nature 2024），證實(shí)了第五條產(chǎn)甲烷新途徑（Nature 2022）、發(fā)現(xiàn)了第四種細(xì)菌和古菌互作產(chǎn)甲烷模式（Nature 2025）。承磊表示，接下來將致力于甲烷代謝調(diào)控與改造、人工合成石油烴等多學(xué)科交叉研究，希望與化學(xué)生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、基因編輯等研究背景的專家和博士開展合作研究。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程和四川省創(chuàng)新群體等項(xiàng)目的大力支持。
相關(guān)論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08491-w
論文研究簡報(bào)：
https://doi.org/10.1038/d41586-025-00199-9
