综述：短链挥发性烷烃的厌氧氧化

本综述系统探讨了短链挥发性烷烃（乙烷、丙烷、丁烷）在缺氧环境中的微生物转化机制，揭示了硝酸盐/硫酸盐还原细菌（NRB/SRB）通过延胡索酸加成形成烷基琥珀酸的关键途径，以及古菌通过烷基辅酶M还原酶（alkyl-CoM）的创新活化策略。文章强调了这些厌氧过程作为天然生物过滤器对减缓温室气体排放的生态意义，并展望了稳定同位素示踪等前沿技术的应用前景。

　　

Highlights

短链挥发性烷烃作为天然气主要组分，其排放直接影响全球碳循环与气候调控。最新研究表明，从深海渗漏沉积物到污水处理厂等缺氧环境中，微生物驱动的厌氧氧化过程显著降低了这些温室气体的大气释放。其中，硫酸盐还原菌（SRB）通过经典的延胡索酸加成途径生成烷基琥珀酸，而新发现的古菌则利用烷基辅酶M还原酶实现碳链活化——这一突破性机制彻底改变了学界对烷烃代谢的认知。

Abstract

乙烷、丙烷和丁烷等短链烷烃在自然渗漏或油气开采过程中，需穿越复杂的有氧-缺氧界面才能进入大气层。尽管其好氧降解途径已被阐明，但缺氧条件下的转化机制直至近年才成为研究热点。综述系统梳理了从地下储层到深海热泉的各类缺氧生境中，微生物介导的烷烃氧化网络：包括（1）硝酸盐/硫酸盐还原菌的延胡索酸活化途径；（2）古菌-硫酸盐还原菌互营体系中的烷基辅酶M裂解反应；（3）单细胞稳定同位素探针（SC-SIP）等新技术对功能菌群的精准识别。这些发现为开发基于微生物的甲烷减排技术提供了理论基石。

代谢机制的双轨制

在硫酸盐还原菌中，烷烃C-H键的活化始于与延胡索酸的加成反应，产生的烷基琥珀酸经β-氧化逐步降解。同位素标记实验证实，该途径对C₂-C₄烷烃的转化效率高达70%。而深海古菌则采用截然不同的策略：其烷基辅酶M还原酶可直接裂解C-C键，这种与产甲烷过程逆向的化学反应，为理解早期地球碳循环提供了新视角。

生态意义与技术突破

宏基因组数据揭示，烷烃厌氧氧化菌群在油气田周边形成生物屏障，使甲烷通量降低达48%。同步辐射红外显微成像（SR-FTIR）首次实现了单细胞水平代谢活性的原位观测，而¹³C-DNA-SIP技术则成功追踪了热泉生态系统中古菌主导的丙烷氧化过程。这些进展为评估微生物群落对温室气体的自然消减能力奠定了方法学基础。

未来挑战

当前研究尚需阐明：（1）烷基辅酶M还原酶的催化动力学特性；（2）极端环境下微生物互营关系的能量分配机制；（3）如何通过生物强化提升污水处理厂的烷烃去除率。解答这些问题将推动从分子机制到地球系统科学的跨尺度认知突破。