奇怪的同位素：科学家解释了海底甲烷的同位素悖论

甲烷，一种分子式为CH 4的化合物，不仅是强大的温室气体，而且是重要的能源。它使我们的房屋变热，甚至海底微生物也以此为生。微生物使用称为甲烷的厌氧氧化（AOM）的过程，该过程通常发生在海底的所谓硫酸盐-甲烷过渡带中-海底的层中，海水中的硫酸盐与较深沉积物中的甲烷相遇。在这里，特殊的微生物，即厌氧甲烷氧化（ANME）古细菌消耗了甲烷。它们与细菌紧密生活在一起，细菌利用甲烷氧化过程中释放的电子来还原硫酸盐。为此，这些生物形成特征性的联合体。

该过程在全球范围内发生在海底，因此是碳循环的重要组成部分。但是，由于反应非常缓慢，因此研究AOM过程具有挑战性。为了进行调查，研究人员经常使用化学诀窍：甲烷中稳定的同位素比。但是不幸的是，这些同位素的行为并不总是如预期的那样，这导致所涉及的微生物的作用和功能严重混乱。现在，马克斯·普朗克海洋微生物研究所和德国海洋环境研究中心MARUM的研究人员以及以色列魏兹曼科学研究所的同事已经解决了这一同位素难题，并将其结果发表在《科学进展》杂志上。这为更好地了解厌氧甲烷氧化的重要过程铺平了道路。

同位素揭示了反应途径

难题及其解决方案的详细说明：同位素是具有不同质量的元素的不同“版本”。元素的同位素在原子核中具有相同数量的质子（带正电的粒子），因此在元素周期表中具有相同的位置（iso topos =希腊语，位于同一位置）。但是，它们在原子核中的中子（中性粒子）数量上有所不同。例如，碳有两个稳定的同位素，较轻的12 C和较重的13C。此外，还有常见的放射性同位素14C，一种非常稀有的碳物种，用于确定含碳材料的年龄。尽管两种稳定同位素的化学性质相同，但质量差异会导致不同的反应速率。当化合物发生反应时，具有较轻同位素的化合物通常会更快地转化，从而在初始反应物中留下较重的变体。同位素组成的这种变化称为同位素分馏，几十年来一直用于跟踪化学反应。在甲烷氧化的情况下，这意味着12主要消耗C-甲烷，导致剩余甲烷中的13C富集。相反，微生物产生的甲烷（甲烷生成）将导致产生特别轻的甲烷。冈特·韦格纳（Gunter Wegener）报告说：“然而，现实却出奇地不同。” “与上述逻辑相反，我们经常在硫酸盐-甲烷过渡带中发现非常轻的甲烷。”

厌氧甲烷氧化古细菌的微生物群落染成红色，其硫酸盐还原伙伴细菌染成绿色。白色比例尺标记为10μm。图片来源：马克斯·普朗克海洋微生物研究所/ V. Krukenberg

自然不会遵循教科书：硫酸盐-甲烷过渡带中的氢甲烷

这种悖论引起了一些问题，例如：甲烷不是在那儿消耗掉而是产生了吗？如果不是众多的ANME古细菌，谁应该对此负责？“在我的实验室中，我们收集了世界上最大的ANME文化。在那里，我们可以尝试找出甲烷氧化剂本身是否以及如何造成轻质甲烷的产生，” Wegener继续说道。“最初的结果是放气的：按照我们通常在海水中发现的高硫酸盐浓度，培养的微生物的行为符合教科书。剩余的甲烷富含较重的同位素。” 但是，如果用较少的硫酸盐进行相同的实验，则甲烷在12C时富集，它变得更轻。

硫酸盐的有效性控制着AOM中的同位素效应

那么，他们怎么能解释甲烷同位素的异常行为呢？以色列魏兹曼科学研究所的乔纳森·格罗普（Jonathan Gropp）和他的导师伊泰·哈列维（Itay Halevy）花费了数年的时间研究微生物代谢的同位素效应，包括甲烷生成-该反应由与甲烷厌氧氧化（AOM）相同的酶催化。因此，它们是不来梅团队的理想合作伙伴。Gropp说：“这两个过程都是基于非常相似的七个反应的级联。” “先前的研究表明，所有这些反应都是潜在可逆的，这意味着它们可以在两个方向上发生。每个反应也都有自己的同位素效应。” 在模型的帮助下，Gropp能够证明，根据可用硫酸盐的多少，部分反应可以不同程度地逆转。然后，这可能导致以下情况：重同位素不像往常一样被抛在后面，而是滞留在反应链中，而轻同位素又被引导回到甲烷中。Gropp解释说：“微生物希望进行反应，但由于硫酸盐浓度低，因此受到限制。”他补充说，“我们设计的模型非常适合同位素实验。”

在实验室和计算机前的长时间工作为研究人员带来了回报。通过他们的研究，Wegener，Gropp及其同事可以证明AOM如何产生13 C贫乏的甲烷。用很少的硫酸盐进行的实验尤其能很好地反映微生物自然栖息地的状况，即海底的硫酸盐-甲烷过渡带。在那里，微生物通常仅靠很少的硫酸盐就可以生长，就像在低硫酸盐实验中一样。“现在我们知道甲烷氧化剂可以导致硫酸盐-甲烷过渡区甲烷中的氢同位素的积累。不需要甲烷生成。我们怀疑，ANME是甲烷 本研究的最后作者马库斯·艾尔弗特（Marcus Elvert）总结道。现在，研究人员已准备好进行下一步，并希望了解其他反应是否显示出类似的同位素效应。