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为解释海洋 “甲烷悖论”，研究人员探究弧菌属甲基膦酸酯（MPn）脱甲基产甲烷过程，发现其高效且 phn 操纵子多样。
甲烷（
CH4）作为一种强大的温室气体，在全球气候变暖与臭氧破坏过程中扮演着重要角色。海洋一直以来都被视为大气中甲烷的重要来源，然而在氧气充足的海洋水体中，甲烷却呈现出超饱和状态，这一现象被称为 “海洋甲烷悖论”（Kiene 1991）。以往，人们普遍认为生物产生甲烷主要由严格厌氧的古菌介导，可在富氧的海洋环境中，这一传统认知却无法解释甲烷的超饱和现象。于是，科学家们推测，可能存在其他未知的产甲烷途径。其中，甲基膦酸酯（MPn）的降解被认为可能是解开这一谜团的关键。此前研究发现，MPn 是北太平洋表层海水中重要的溶解有机化合物，部分海洋微生物能够合成 MPn，但其在有氧海水中的消耗者以及对甲烷积累的贡献尚不明确。
在这样的背景下，中国海洋大学等研究机构的研究人员开展了相关研究，旨在深入探究弧菌属（Vibrio spp.）在 MPn 脱甲基产甲烷过程中的作用机制。研究成果发表在《Marine Life Science & Technology》杂志上。
为了完成这项研究，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过采集青岛栈桥附近的海水样本，进行 MPn 富集培养实验，筛选出能够利用 MPn 的弧菌菌株。接着，运用基因组测序技术，对筛选出的弧菌菌株进行全基因组测序和分析，以了解其基因组成和 phn 操纵子的结构。此外，转录组测序技术也被用于研究在不同磷源条件下弧菌基因的表达变化。最后，利用定量 PCR 技术，检测关键基因的丰度，评估弧菌在海洋环境中的分布和对甲烷产生的潜在贡献。
研究结果如下：
- 弧菌产甲烷能力：研究人员对 46 株弧菌分离株进行检测，发现其中 18 株来自 12 种弧菌的菌株能够将 MPn 脱甲基转化为甲烷。其中，Vibrio gallaecicus HW2 - 07 和 HW2 - 08 的 MPn 脱甲基效率较高，5 天内可将 70% - 80% 添加的 MPn 转化为甲烷，接近大肠杆菌 BL21 的效率。而其他菌株在 5 天内只能将约 23% - 45% 的 MPn 进行脱甲基转化。
- phn 操纵子多样性：对 6 株 MPn 脱甲基菌株的基因组测序分析显示，弧菌的 phn 操纵子在基因组成和排列上存在显著差异，可大致分为 9 种类型。其中，I 和 II 型 phn 操纵子在弧菌分离株中较为常见，且在沿海和公海环境中广泛分布。不同类型的 phn 操纵子在基因组成上有所不同，例如，部分操纵子包含特定的转运蛋白编码基因 phnCDE，而另一些则包含 phnCDEE 或 phnDCEE。此外，一些 phn 操纵子还含有与其他功能相关的基因，如编码乙酰转移酶（act）的基因。
- 基因转录变化：对 3 株高 MPn 脱甲基菌株（V. mediterranei WXL531、V. pomeroyi YSX02 和 V. cyclitrophicus WXL032）进行转录组分析发现，在 MPn 培养条件下，所有菌株的 phn 基因表达均上调。同时，位于 I - IV 型 phn 操纵子中 phnP 旁的 act 基因，在 MPn 培养样本中也显著上调，暗示其可能参与 MPn 的代谢过程。
- phnJ/phnL 基因的多样性和丰度：设计并优化针对 phnJ 和 phnL 基因的弧菌特异性引物，通过高通量测序和定量 PCR 分析发现，不同弧菌分离株的 phnJ 和 phnL 基因主要属于 I、II、IV、V 和 VII 型 phn 操纵子。在青岛沿海样本中，基于 phnL 序列的弧菌 OTUs 约占总读数的 50%，表明 I、II 和 V 型 phn 操纵子在沿海海水中较为丰富。在西北太平洋海洋样本中，添加 MPn 后，甲烷浓度和 phnL 基因丰度显著增加，且弧菌 16S rRNA 基因丰度也迅速上升，表明弧菌对添加的 MPn 有明显响应。
研究结论与讨论部分指出，海洋弧菌在 MPn 转化为甲烷的过程中发挥着重要作用。弧菌能够高效地将 MPn 脱甲基并产生甲烷，其脱甲基效率取决于对营养物质（如碳、氮和磷）的代谢能力。在富营养化的沿海海水中，弧菌的数量较多且具有较高的活性，能够有效地将 MPn 转化为甲烷。通过对 phnL 基因丰度的定量分析，研究人员估计在青岛海水中，MPn 脱甲基弧菌的数量约为2.6×106个 / L，在添加 MPn 的西北太平洋海洋样本中，这一比例可能更高。此外，弧菌的 phn 操纵子在基因组织上高度多样，不同类型的 phn 操纵子可能有助于弧菌更有效地参与 MPn 脱甲基过程。虽然目前 act 基因的功能尚不明确，但它在 phn 操纵子中的频繁出现表明，其可能是 phn 操纵子的必要组成部分，并在 MPn 脱甲基过程中发挥一定作用。同时，研究还发现弧菌对不同磷源（如 Pi 和 MPn）的偏好存在差异，这可能是其长期适应动态海洋环境的结果。
综上所述，这项研究揭示了海洋弧菌在有氧海洋产甲烷过程中的重要作用，为进一步理解海洋中 MPn 的微生物代谢过程和解释 “海洋甲烷悖论” 提供了重要的实验证据和理论支持。未来的研究可以进一步深入探究 act 基因的功能以及弧菌在不同海洋环境中的代谢机制，以更全面地了解海洋生态系统中甲烷的产生和循环。
