来自一个油藏的、适应硫酸盐环境的富集培养物中，甲烷生成与硫酸盐还原作用的共存

《Applied and Environmental Microbiology》：Coexistence of methanogenesis and sulfate reduction in a sulfate-adapted enrichment culture from an oil reservoir

本研究通过抑制实验探究了含硫酸盐的油储层中硫酸盐还原菌与产甲烷菌的共存机制。利用从特立尼达和多巴哥 offshore 油田分离的硫酸盐适应菌群，在添加 BES 抑制产甲烷菌或钼酸盐抑制硫酸盐还原菌的微宇宙实验中发现，两种代谢途径可共存，其中产甲烷菌贡献约 0.3% 的电子流。群落分析显示 Desulfotignum 等硫酸盐还原菌占主导，同时存在产甲烷菌如 Methanolobus 和 Candidatus Methanofastidiosales，以及 Mesotoga 等发酵菌。该发现挑战了传统认为硫酸盐还原抑制产甲烷菌的结论，揭示了硫代硫酸盐等替代代谢途径的可能作用。

　　油藏是复杂的生态系统，其中微生物在烃类降解过程中扮演着关键角色。在深部油藏环境中，由于氧气迅速耗尽，厌氧降解成为主要的代谢途径。在这些环境中，微生物通过不同的方式降解烃类，如发酵和甲烷生成，而甲烷生成通常以氢气和乙酸作为最终的电子受体。然而，当油藏开采过程中注入含硫酸盐的海水以维持地层压力时，硫酸盐还原的速率会增加，这使得硫酸盐还原和甲烷生成这两种代谢过程之间的竞争关系变得复杂。

通常认为，甲烷生成与硫酸盐还原是互斥的，因为硫酸盐还原菌在热力学上具有优势，可以更高效地利用氢气和乙酸等共享底物。然而，本研究在富含硫酸盐的微生物群落中发现，即使在完全混合的系统中，这两种代谢过程也可以共存，只是甲烷生成的速率较低。研究团队利用富含硫酸盐还原菌的油藏微生物群落，通过代谢抑制剂进行培养实验，以评估微生物活性和降解潜力。实验结果显示，在非抑制条件下，甲烷生成速率为156.9 μM/a，同时伴有67 mM/a的二氧化碳生成和20 mM/a的硫酸盐还原，表明这两种代谢过程可以在油藏环境中同时发生。

微生物群落中以潜在的硫酸盐还原菌为主，包括属Desulfotignum、Desulfospira和Geoalkalibacter。此外，发酵菌如Mesotoga和Petrotoga也较为丰富，而甲烷生成菌如Methanolobus以及古菌中的Candidatus Methanofastidiosales在群落中占主导地位。这些结果表明，即使在高硫酸盐浓度的条件下，甲烷生成仍可以以较小的幅度共存。

本研究的意义在于揭示了甲烷生成和硫酸盐还原在油藏环境中的共存现象，这挑战了传统上认为这两种过程互斥的假设。通过使用代谢抑制剂，研究团队发现甲烷生成的速率在抑制硫酸盐还原的情况下仍然保持较高水平，而硫酸盐还原的速率在抑制甲烷生成的情况下反而增加。这表明，甲烷生成菌和硫酸盐还原菌之间可能存在复杂的相互作用，而不仅仅是简单的竞争关系。

研究还发现，尽管甲烷生成菌在某些条件下可能受到硫化物的毒性影响，但它们仍然能够在一定浓度的硫化物环境中生存。此外，某些甲烷生成菌，如Candidatus Methanoliparum，可以独立进行长链烷烃的降解，并通过甲烷生成完成代谢过程，而无需与其他发酵菌形成共生关系。这为理解油藏微生物群落的代谢多样性提供了新的视角。

通过16S rRNA基因序列分析，研究团队进一步探讨了不同处理条件下微生物群落的组成变化。结果显示，甲烷生成抑制处理后，甲烷生成菌的相对丰度显著降低，而硫酸盐还原菌的丰度保持较高水平。这表明，甲烷生成菌的活性确实受到抑制，但并非完全消失。同时，研究发现，甲烷生成菌和硫酸盐还原菌在不同代谢路径上的共存可能与它们对不同底物的利用有关，例如甲醇、甲硫醇和甲胺等。

研究还探讨了微生物群落的多样性变化。在甲烷生成抑制处理下，群落的多样性有所增加，这可能是因为抑制剂改变了微生物之间的竞争格局，促进了某些微生物的生长。然而，整体的多样性仍然较低，这可能与油藏环境中底物的限制有关。

尽管本研究提供了重要的见解，但仍然存在一些局限性。例如，由于实验中使用的抑制剂仅部分有效，无法完全区分甲烷生成和硫酸盐还原的代谢路径。此外，油藏中的底物复杂性使得难以准确确定哪种代谢过程主导了特定的碳通量。因此，未来的研究需要进一步探索这些微生物在油藏中的具体作用，以及它们如何在不同环境条件下共存和相互作用。

总之，本研究揭示了油藏环境中甲烷生成和硫酸盐还原的共存现象，挑战了传统的代谢互斥假设。通过实验和数据分析，研究团队展示了这两种代谢过程在不同条件下的相互作用，并为理解油藏微生物群落的代谢多样性提供了新的视角。这些发现对于油藏管理和微生物地球化学研究具有重要意义，有助于更全面地认识油藏中的微生物活动及其对烃类降解的影响。