甲烷团簇同位素揭示环境微生物能量代谢的动力学特征

为解决微生物甲烷同位素平衡信号来源不明的问题，研究人员通过分析深海沉积物、盐沼和热喀斯特湖等典型环境中的甲烷团簇同位素(Δ13CH3D/Δ12CH2D2)，首次证实能量限制条件下产甲烷菌可直接产生接近热力学平衡的甲烷，提出同位素分馏与微生物能量景观的定量关系，为全球甲烷源汇评估和古环境重建提供新指标。

　　

甲烷作为重要的温室气体，其微生物代谢过程在全球碳循环中占据核心地位。长期以来，地表环境中甲烷常呈现显著的同位素非平衡特征，而深海沉积物中的甲烷却表现出接近热力学平衡的团簇同位素信号。这一现象引发学界持续争论：这种平衡信号究竟源自产甲烷菌的直接代谢，还是后期厌氧氧化过程(AOM)的改造？更关键的是，同位素分馏与微生物能量代谢之间存在怎样的内在联系？

为解答这些问题，来自美国加州大学洛杉矶分校等机构的研究团队选取了具有能量梯度特征的典型环境——包括能量丰富的加州卡平特里亚盐沼、阿拉斯加热喀斯特湖，以及能量受限的圣巴巴拉海盆和瓜伊马斯海盆的深海沉积物。通过现场采样与实验室培养相结合，结合创新的甲烷团簇同位素(Δ¹³CH₃D和Δ¹²CH₂D₂)分析技术，研究首次证实：在排除AOM干扰的情况下，深海沉积物中的产甲烷菌确实能直接产生接近同位素平衡的甲烷，这种特征与能量限制导致的代谢可逆性增强直接相关。该突破性发现发表于《科学进展》(SCIENCE ADVANCES)。

研究团队运用了三大关键技术：①高分辨率质谱精确测定甲烷团簇同位素组成；②原位孔隙水地球化学分析与反应-传输模型联用，量化产甲烷速率和自由能变化(ΔG)；③长期培养实验(最长4年)结合特异性抑制剂(钼酸盐/硫化物)区分产甲烷与AOM过程。所有样品均来自四大典型生态系统，包括160-295ka的深海钻探岩心。

研究结果

动力学效应导致的同位素非平衡
盐沼和热喀斯特湖样品显示出显著的Δ¹²CH₂D₂负偏(-53.4‰)，证实甲基营养型产甲烷途径存在外源组合效应。四年培养实验揭示：随着有机质活性降低，产甲烷途径从乙酸裂解型向氢营养型转变，同位素信号逐渐趋近平衡。

能量限制条件下的同位素平衡
圣巴巴拉海盆深层沉积物(ΔG=-22.6至-14.7 kJ/mol C)的甲烷表现出接近原位温度(6°C)的Δ¹³CH₃D平衡信号。瓜伊马斯海盆培养实验在常压下即获得平衡态甲烷，推翻"高压是平衡必要条件"的传统认知。

产甲烷与AOM的协同同位素效应
在允许AOM发生的培养体系中，即使产甲烷速率显著高于AOM，甲烷团簇同位素仍表现出AOM驱动的极端正偏(Δ¹²CH₂D₂达105.4‰)，揭示甲基辅酶M还原酶(Mcr)催化的同位素交换主导平衡过程。

讨论与意义
该研究建立了甲烷团簇同位素分馏与微生物能量代谢的定量关系：当ΔG接近零时，无论净反应方向如何，Mcr催化的同位素交换都会驱动甲烷趋近平衡态。这一发现不仅解决了长期存在的同位素平衡起源争议，更创新性地将Δ¹²CH₂D₂发展为环境能量状态的生物标志物。

研究证实：陆地系统显著的Δ¹²CH₂D₂负偏反映其能量丰富的代谢特征，而海洋甲烷的近平衡信号则指示能量限制状态。这一结论为大气甲烷源解析提供了新的同位素约束，对完善全球甲烷预算模型具有重要价值。此外，该方法在火星等地外生命探测中展现出独特优势——团簇同位素可不依赖参照物直接指示代谢活动，为天体生物学研究开辟了新途径。