产甲烷的“罪魁祸首”竟然还有别“人”？

出品：科普中国

作者：杨昌佳涟（中国科学院微生物研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为解码生命科学最新奥秘，科普中国前沿科技项目推出“生命新知”系列文章，从独特的视角，解读生命现象，揭示生物奥秘。让我们深入生命世界，探索无限可能。

在1977年，科学家卡尔·乌斯（Carl Woese）通过分析生物序列，意外地发现了一个新生命域——古菌（Archaea），就像在已知的生物家谱上新添了一位神秘的成员。

尽管这些微生物在形态上与细菌相似，没有细胞核，但它们的遗传和生化特征表明，它们与真核生物（如植物、动物）更为接近。这个发现不仅颠覆了我们对生命进化的认知，也开启了科学家对微生物世界的新探索。

生命三域系统

（图片来源：参考文献4）

产甲烷古菌：地球碳循环的无名“英雄”

在所有古菌中，产甲烷古菌（Methanogens）是最引人注目的一类。它们是地球上起源最早的原核微生物之一，能在无氧环境中将有机物降解为甲烷，俗称“沼气发酵”。这种独特的代谢方式使它们成为全球甲烷排放的主要“贡献”者。

传统观点认为，产甲烷古菌主要隶属于古菌域的广古菌门（Euryarchaeota），但近年来的研究发现，其他古菌分支也具备甲烷生成潜力。

科学家在自然界中发现了许多非广古菌门的产甲烷古菌，这些新型古菌不仅能产生甲烷，还可能参与发酵和硫代谢等多种代谢途径，使得它们在全球碳循环中的角色更加复杂和多样化。

甲烷生成：从简单分子到温室气体

甲烷（CH4）是一种简单但重要的有机分子，由一个碳原子和四个氢原子组成。尽管它在大气中的浓度远低于二氧化碳，但其全球变暖潜能值（GWP）（是衡量温室气体对全球变暖影响的一种指标）却是二氧化碳的30倍，甚至在20年尺度下可以达到84-87倍。

甲烷的产生主要依赖于产甲烷古菌，它们能够在无氧环境下，将有机物（如二氧化碳、氢气、甲酸盐、乙酸盐等）转化为甲烷。这个过程就像一个微型化工厂，涉及一系列复杂的生化反应，其中关键步骤是由甲基辅酶M还原酶（Mcr）复合物催化的。

温室效应图

（图片来源：参考文献1）

非广古菌门的甲烷生成新发现

尽管人们普遍认为只有广古菌门能够生成甲烷，但最近的元基因组研究挑战了这一观点。在多个非广古菌门中，科学家发现了编码Mcr复合物的基因，表明这些古菌也具有甲烷生成潜力。

尽管基因组分析显示了这些古菌的潜在甲烷生成能力，但由于缺乏纯培养物，无法深入研究其代谢机制和生态功能。这些古菌一直处于“暗物质”状态，无法通过实验验证其实际的甲烷生成能力。

中国农业农村部成都沼气科学研究所的研究团队与荷兰瓦赫宁根大学合作，历时7年，通过鸡尾酒分离法（通过提供多样化的生长条件，帮助从复杂的环境样本中筛选和分离出特定的微生物种类，类似于在一杯“鸡尾酒”中加入各种配料，以找到最适合的成分组合，从而成功培养目标微生物），成功从油田中分离培养出一种新型产甲烷古菌——Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6。

这是人类首次从非广古菌门中获得纯培养物，为研究这些古菌的碳代谢机制和生态功能提供了宝贵的实验材料。

LWZ-6是一种嗜热古菌，隶属于热蛋白菌门的Methanosuratincolia类。LWZ-6菌株仅以甲醇和单甲胺为电子受体（接受从其他分子传递来的电子，并通过氧化还原反应产生能量），氢为电子供体生成甲烷，而不具备发酵糖、肽或氨基酸的能力。这一发现犹如一把钥匙，解锁了我们对甲烷生成途径的新理解，也揭示了非广古菌门在全球甲烷排放和碳循环中的重要性。

LWZ-6菌株的代谢途径

（图片来源：参考文献2）

甲烷的环境影响和应对策略

作为一种强效温室气体，甲烷对全球变暖的影响不容小觑。自工业革命以来，大气中的甲烷浓度已经增加了2.5倍。据预测，如果不采取有效措施，到2100年，甲烷排放将导致全球温度上升0.5℃。

为应对甲烷排放的气候挑战，我们提出了一系列减排策略。例如，在农业领域，改善稻田的水资源管理、优化牲畜饲养方法以及调整饮食结构等措施，均有助于减少甲烷排放；在工业领域，利用产甲烷古菌降解废水中的有机物，并捕获燃料获取过程中释放的甲烷，也是有效的减排手段。

甲烷循环图

（图片来源：参考文献3）

结语

产甲烷古菌是地球上最古老、最重要的微生物之一，它们不仅在地球早期环境的形成过程中扮演了关键角色，还在现代碳循环和气候变化中发挥着重要作用。通过深入研究这些古菌，科学家们能够更好地理解地球碳循环的复杂机制，并制定更加有效的甲烷减排策略，为应对全球气候变化提供科学依据。

Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6的发现标志着古菌研究的一个重大突破，揭示了非广古菌门在甲烷生成中的重要性。未来，随着技术的进步和研究的深入，我们有望进一步揭开更多古菌的神秘面纱，探索它们在地球生态系统中的独特角色。

参考文献：

1.Fady Jameel. Not just hot air

2.Wu, K., Zhou, L., Tahon, G. et al. Isolation of a methyl-reducing methanogen outside the Euryarchaeota. Nature (2024).

3.Kanika Khanna, How Methanogenic Archaea Contribute to Climate Change, May 6, 2022

4.Woese CR, Kandler O, Wheelis ML. Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya. Proc Natl Acad Sci U S A. 1990;87(12):4576-4579.

（注：文中拉丁文部分应为斜体）