低温蛇纹石化作用对产甲烷菌生长的影响及机制探究

为探究超基性岩环境中甲烷生成的限制和促进因素，研究人员开展了相关研究，发现低温蛇纹石化作用可支持产甲烷菌生长，但受 H2产生速率和有毒微量元素积累的限制。

　　在地球的深部地下世界，超基性岩（如纯橄榄岩）的蛇纹石化作用（serpentinization）就像一场神秘的化学反应魔法秀。蛇纹石化作用发生时，水与纯橄榄岩等超基性岩石相互作用，产生氢气（H₂），这些氢气成为了氢营养型产甲烷菌（hydrogenotrophic methanogens）的能量来源，它们利用这些能量，将二氧化碳（CO₂）转化为甲烷（CH₄），这一过程在地球的生物地球化学循环中起着至关重要的作用。

然而，这场魔法秀并非一帆风顺。蛇纹石化作用通常在 200 - 300°C 的高温下进行，而产甲烷菌却更喜欢 20 - 60°C 的凉爽环境。此外，H₂的迁移以及温度的变化都会影响产甲烷菌的活性。而且，产甲烷菌对铁（Fe）和镍（Ni）等金属有着较高的需求，这些金属在它们的代谢过程中扮演着不可或缺的角色。但目前，人们对于低温下纯橄榄岩的蛇纹石化作用如何支持产甲烷菌的生长和生存，以及镍补充对甲烷生成速率的影响知之甚少。

为了解开这些谜团，来自瑞典农业科学大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Anaerobe》杂志上。

研究人员采用了多种技术方法来开展研究。在微生物分析方面，通过定量实时聚合酶链式反应（qPCR）测定产甲烷菌的丰度，并对细菌 16S rRNA 基因进行 PCR 扩增及测序，以检测样本中是否存在污染细菌。利用扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散光谱仪（EDS）对细胞样本进行微观分析，观察样本的微观结构和元素组成。在元素分析上，使用粉末 X 射线衍射仪（XRD）分析纯橄榄岩样本中蛇纹石矿物的存在情况，运用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP - AES）测定培养瓶中金属元素的浓度。同时，采用高效液相色谱（HPLC）分析醋酸盐浓度，通过气相色谱（GC）分析氢气、一氧化碳和甲烷的分压。

研究结果如下：

1. 氢气和一氧化碳的消耗与产生：实验开始时，接种产甲烷菌的样本中 H₂初始水平约为 9 mmol/L，未接种的对照组约为 2 mmol/L。之后，生物样本中 H₂含量明显下降，直到 528 - 600 天达到较低水平。600 天后，添加纯橄榄岩的接种瓶中 H₂浓度开始稳步上升。在 CO 水平方面，非生物对照组和生物样本之间存在显著差异，接种样本的 CO 浓度通常较低，添加镍的生物实验初始 CO 含量较高，实验结束时，添加纯橄榄岩的生物实验中 CO 含量高于未添加的实验，而非生物对照组则相反。
2. 甲烷生成：在实验的前 300 天，所有接种 MAB1 的瓶子中 CH₄积累缓慢，305 天后迅速增加，528 天后达到最高平均水平，之后趋于平稳。非生物对照组的 CH₄水平非常低。实验结束时，添加外部 H₂ - CO₂后，未添加纯橄榄岩的接种瓶中甲烷显著增加，而添加纯橄榄岩的瓶子和非生物对照组则无反应。
3. 主要元素浓度和醋酸盐测量：实验结束后，添加纯橄榄岩的瓶子中 Si、Mg、Ni、Fe 和 Zn 等元素的浓度明显高于未添加的瓶子。接种且添加纯橄榄岩的瓶子中 Si 和 Zn 浓度较高，未添加纯橄榄岩的瓶子中 Ni、Fe 和 Zn 低于检测限。醋酸盐作为产甲烷菌的碳源，在未添加纯橄榄岩的接种样本中浓度几乎降至零，而在未接种的瓶子中与初始水平相似。
4. 微观分析：实验结束时对纯橄榄岩颗粒表面进行光学显微镜观察，发现了产甲烷菌的不规则球菌形态，同时也观察到丝状细胞，表明存在细菌污染，还发现了大量微小的球形结构和沉淀物。
5. 微生物分析：非接种对照组中未检测到产甲烷菌基因，而接种样本中除个别外均检测到产甲烷菌。qPCR 结果显示，不含纯橄榄岩的接种物中产甲烷菌基因拷贝数略高于含纯橄榄岩的接种物。此外，在不含纯橄榄岩的生物样本中发现了细菌污染，经测序鉴定为与 Limnochorda pilosa 密切相关的细菌。
6. 统计分析：单因素多变量方差分析（MANOVA）表明，相同条件下的实验在 CH₄生成、H₂和 CO 水平方面相似，而生物和非生物样本之间存在显著差异。主成分分析（PCA）显示，非生物对照组聚集在一起，生物实验分为两组，一组是含纯橄榄岩的实验，另一组是不含纯橄榄岩的实验，表明纯橄榄岩对生物实验有显著影响，而镍的存在与否对 CH₄生成、CO 和 H₂消耗影响不明显。单因素方差分析（ANOVA）表明，在有纯橄榄岩存在时，镍的存在与否显著影响 CH₄生成。

研究结论和讨论部分指出，本研究证实了低温条件下非生物 H₂生成量很低，但产甲烷菌的存在似乎能增加纯橄榄岩的 H₂产生量。虽然实验中观察到甲烷生成，但 H₂释放可能不足以维持产甲烷菌的持续生长。醋酸盐氧化可能是部分 H₂的来源，但仅在不含纯橄榄岩的培养物中观察到这一过程，且不能完全解释观察到的 CH₄产量。甲烷生成在约 528 天后停止，可能是由于纯橄榄岩释放的痕量元素（如锌）毒性抑制了产甲烷菌的生长。补充纯橄榄岩的培养物比未补充的产生更多 CH₄，表明低温下超基性岩（如纯橄榄岩）的蛇纹石化作用可以支持产甲烷菌生长，但受到 H₂产生速率缓慢和有毒微量元素积累的限制。

这项研究为深入理解超基性岩环境中甲烷生成的机制提供了重要依据，对于探索地球深部生物地球化学循环以及寻找潜在的能源资源具有重要意义。