【DeepSeek专栏】Nature | 承磊等揭示地下产甲烷生态系统中的碳循环新机制

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在地球深部的产甲烷生态系统中，甲基化合物是碳循环的关键参与者。甲基营养型产甲烷古菌的广泛存在，暗示甲基化合物对这些生态系统的功能至关重要。然而，这些甲基化合物的来源长期困扰着科学家——已知的代谢途径无法解释其“无中生有”的产生。传统观点认为，互养关系（syntrophy）仅依赖氢、甲酸或电子转移，而甲基化合物的作用未被纳入这一框架。

2025年1月29日，农业农村部成都沼气科学研究所承磊和日本JAMSTEC的Masaru K. Nobu、北海道大学Souichiro Kato合作在Nature上发表了文章Methanol transfer supports metabolic syntrophy between bacteria and archaea，通过解析一种新型代谢互养机制，揭示了甲醇作为核心介质的跨域共生模式，为地下生态系统的碳循环提供了全新视角。

该研究聚焦于一种从油田分离的嗜热厌氧细菌Zhaonella formicivorans。实验发现，该菌能将甲酸通过歧化反应转化为甲醇（3甲酸→1甲醇+2CO₂） ，这一过程在热力学上极为苛刻，甲醇的微量积累即可抑制反应。研究团队进一步发现，当与专性甲基营养型产甲烷古菌Methemicoccus shengliensis共培养时，甲醇被后者迅速消耗，从而维持甲酸降解的持续进行。这种共生关系突破了传统互养模式，成为继氢、甲酸和电子转移之后的“第四种互养机制”。同位素示踪实验证实，甲酸中的碳通过甲醇转移至古菌并最终转化为甲烷，而转录组分析揭示了Z. formicivorans中醛-铁氧还蛋白氧化还原酶 （AFOR） 和乙醇脱氢酶 （ADH） 的高表达，支持甲酸还原为甲醇的代谢通路。此外，古菌通过高表达甲醇-类咕啉蛋白甲基转移酶系统，高效利用甲醇驱动产甲烷过程。

热力学计算表明，甲酸转化为甲醇的反应自由能（ΔG）需达到约-33 kJ/mol才能维持生命活动，而共培养体系通过动态平衡甲醇浓度，使能量获取处于可行区间。相比之下，传统甲酸-氢互养模式对氢气浓度的耐受窗口极窄（0.03–0.1 μM），极易受环境波动影响。甲醇介导的互养不仅拓宽了代谢的适应性，还避免了与其他产氢过程的竞争。研究进一步通过宏基因组分析发现，多种细菌门类（如酸杆菌、绿弯菌门）可能具有类似的甲醇生成能力，并与甲基营养型古菌在热泉、油田等环境中广泛共存。油田样本的培养实验证实，添加甲酸可促进甲基营养型产甲烷菌的生长，暗示该机制在自然界的普适性。

这项研究首次揭示了“无中生有”的甲醇生成途径及其驱动的跨域互养网络。它填补了地下生态系统中甲基化合物来源的理论空白，重新定义了微生物互养的能量交换范式。甲醇在此过程中兼具碳源、电子供体和热力学调节剂的多重角色，为解决产甲烷环境中电子受体匮乏的难题提供了新思路。未来，进一步探索该代谢途径的进化起源及其在全球碳循环中的贡献，将深化对极端环境微生物生态功能的认知，并为生物能源开发提供理论依据。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08491-w

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