Methanogenesis in the presence of oxygenic photosynthetic bacteria may contribute to global methane cycle  

在含氧光合細(xì)菌存在下發(fā)生甲烷可能有助于全球甲烷循環(huán)

來源：Nature Communications

《自然通訊》

 

摘要內(nèi)容：  

論文挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀點(diǎn)，即地表水中的甲烷主要來源于有機(jī)物的厭氧轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)氧光合細(xì)菌（如藍(lán)藻）與產(chǎn)甲烷古菌（如Methanosarcina barkeri）通過鐵氧化還原循環(huán)，在周期性光暗交替條件下觸發(fā)產(chǎn)甲烷作用。光照條件下通過非生物甲烷生成（氧化條件），黑暗條件下通過共生甲烷生成（缺氧條件）。該過程涉及光合細(xì)菌產(chǎn)生的有機(jī)物和中間產(chǎn)物作為甲基供體，以及活性氧（ROS）介導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)。研究還驗(yàn)證了其他光合細(xì)菌與不同產(chǎn)甲烷古菌組合的普適性，表明這種光驅(qū)動產(chǎn)甲烷機(jī)制在自然界廣泛存在。  

 

研究目的：  

闡明產(chǎn)氧光合細(xì)菌在甲烷超飽和現(xiàn)象中的作用機(jī)制，揭示其在全球甲烷循環(huán)中的生態(tài)角色，修正傳統(tǒng)理論對甲烷生成途徑的認(rèn)知。  

 

研究思路：  

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：以藍(lán)藻Synechocystis PCC6803和產(chǎn)甲烷古菌Methanosarcina barkeri為模式生物，引入鐵-EDTA構(gòu)建共培養(yǎng)體系。  

 

條件模擬：通過光暗交替（4小時光照/20小時黑暗）模擬自然晝夜循環(huán)，分別研究光照（產(chǎn)氧）和黑暗（缺氧）條件下的產(chǎn)甲烷機(jī)制。  

 

機(jī)制驗(yàn)證：結(jié)合基因表達(dá)分析（如mcrA、cpcG）、代謝產(chǎn)物檢測（如乙酸、H2）、ROS與Fe氧化還原動態(tài)監(jiān)測，解析生物與非生物途徑的協(xié)同作用。  

 

普適性驗(yàn)證：擴(kuò)展至不同門類的光合細(xì)菌（如綠藻、裸藻）和產(chǎn)甲烷古菌（如氫營養(yǎng)型、甲基營養(yǎng)型），以及不同鐵形態(tài)（零價鐵、Fe3O4）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（對應(yīng)圖表）：  

甲烷產(chǎn)量（圖2a, 2b, 2c）：  

 

 

共培養(yǎng)體系（PCC6803-M.b-Fe-EDTA）的甲烷產(chǎn)量顯著高于對照組，證明協(xié)同作用增強(qiáng)產(chǎn)甲烷效率。  

 

數(shù)據(jù)來源：圖2a顯示共培養(yǎng)組甲烷產(chǎn)量達(dá)2.5±0.5 μmol，而單一M.b組幾乎無產(chǎn)出。  

溶解氧（DO）濃度（圖2e）：  

 

光照期DO升高（光合產(chǎn)氧），黑暗期DO快速消耗（呼吸作用），F(xiàn)e-EDTA加速缺氧環(huán)境形成。  

 

數(shù)據(jù)來源：圖2e顯示DO周期性波動，F(xiàn)e-EDTA組在黑暗期DO消耗更快。  

基因表達(dá)（圖2f）：  

 

mcrA（產(chǎn)甲烷關(guān)鍵酶基因）和cpcG（藍(lán)藻光合相關(guān)基因）拷貝數(shù)增加，表明共培養(yǎng)促進(jìn)兩類微生物代謝活性。  

 

數(shù)據(jù)來源：圖2f顯示mcrA和cpcG基因拷貝數(shù)隨培養(yǎng)時間上升。  

 

有機(jī)物質(zhì)種類（圖3e, 3f）：  

 

 

檢測到乳酸、丙酮酸、乙酸等中間產(chǎn)物，為共生甲烷生成提供底物。  

 

數(shù)據(jù)來源：圖3e的NMR譜圖顯示代謝產(chǎn)物特征峰。  

ROS與Fe濃度（圖5d, 5e）：  

 

 

光照期·OH和H2O2濃度升高，F(xiàn)e(II)氧化為Fe(III)，支持Fenton反應(yīng)驅(qū)動非生物甲烷生成。  

 

數(shù)據(jù)來源：圖5d顯示光照期·OH濃度峰值，圖5e顯示Fe(III)比例在光照期增加。  

 

 

丹麥Unisense電極測量的溶解氧數(shù)據(jù)研究意義：  

使用Unisense微電極測量的DO數(shù)據(jù)（圖2e）揭示了光暗交替下溶解氧的動態(tài)變化：  

光照期：藍(lán)藻光合作用產(chǎn)氧導(dǎo)致DO濃度升高，創(chuàng)造氧化條件，觸發(fā)ROS生成和非生物甲烷途徑。  

 

黑暗期：呼吸作用消耗氧氣，F(xiàn)e-EDTA加速缺氧環(huán)境形成，促進(jìn)共生甲烷生成。  

 

鐵的作用：Fe-EDTA通過氧化還原循環(huán)調(diào)節(jié)氧濃度，其還原態(tài)（Fe(II)）在黑暗期消耗殘余氧，維持產(chǎn)甲烷古菌活性。  

 

該數(shù)據(jù)直接證明了光暗交替通過調(diào)控氧濃度，驅(qū)動兩種產(chǎn)甲烷途徑的周期性切換，為解釋自然水體中甲烷超飽和現(xiàn)象提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。  

 

結(jié)論：  

產(chǎn)氧光合細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌通過鐵循環(huán)協(xié)同作用，在光暗交替下分別通過共生和非生物途徑產(chǎn)甲烷。  

 

該過程依賴光合產(chǎn)物（有機(jī)物、O2、ROS）和鐵介導(dǎo)的氧化還原反應(yīng)，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)厭氧產(chǎn)甲烷理論。  

 

多種光合細(xì)菌-古菌組合及鐵形態(tài)的普適性表明，光驅(qū)動產(chǎn)甲烷可能是自然水體甲烷排放的重要途徑。