广州海洋局在深海冷泉甲烷碳循环研究取得重要进展

　　金属驱动的甲烷厌氧氧化作用（Metal-AOM）是海洋沉积物中甲烷重要的生物地球化学过程。目前通过岩相学和地球化学证据、微生物富集培养实验等表明冷泉区可能发生了Metal-AOM过程。然而，已有的原位冷泉系统监测结果仍难以从微生物的角度确证甲烷厌氧氧化与铁锰还原作用之间的耦合关系，也难以进一步分析介导Metal-AOM过程的微生物代谢途径和互作机制。这就导致Metal-AOM对甲烷碳汇的贡献，尤其是锰驱动的甲烷厌氧氧化过程（Mn-AOM）对控制现代海洋甲烷释放的重要作用被大大低估，限制了我们对海洋温室气体甲烷排放机制的进一步认识。

　　针对这一科学难题，该论文通过将地球化学、数值建模与微生物扩增子、宏基因组、宏转录组测序相结合，对南海“海马”冷泉区沉积物柱开展了跨学科研究。结果表明，一是基于甲烷、硫酸盐、溶解态铁/锰离子浓度，溶解态无机碳及其碳稳定同位素等孔隙水地球化学参数，以及沉积物高活性铁组分含量等数据，证明该冷泉沉积物中硫酸盐-甲烷转换带以下的产甲烷带发生了甲烷厌氧氧化和铁锰还原作用。二是基于RNA和DNA的扩增子测序手段，在硫酸盐消耗殆尽的产甲烷带发现了大量活跃的甲烷厌氧氧化古菌（ANME）（图1）。三是宏基因组和宏转录组数据表明，不同的ANME可能独自或者通过与ETH-SRB1合作，在产甲烷带中积极介导甲烷厌氧氧化和金属还原的耦合作用。数学建模结果显示，通过Fe-AOM和Mn-AOM过程消耗甲烷的通量均为0.3 μmol cm^-2a^-1，金属驱动的甲烷厌氧氧化作用至少贡献了冷泉沉积物中甲烷总消耗量的3%。虽然该速率远低于硫酸盐驱动的甲烷厌氧氧化作用，但考虑到全球陆坡有数万个活跃的冷泉系统，Metal-AOM对于高通量渗漏的冷泉区甲烷碳汇的贡献不容小觑。

图1  (a) “海马”冷泉区沉积物柱基于DNA和RNA水平检测的甲烷厌氧氧化古菌和硫酸盐还原菌优势群落组成；(b) 基于宏基因组binning组装的甲基辅酶M还原酶α亚基(mcrA)基因的系统发育树

　　该成果创新性提出锰驱动的甲烷厌氧氧化过程很有可能是现代海洋甲烷的一个重要但以往被忽视的汇，而大陆架中大量埋藏的高活性铁锰氧化物作为甲烷厌氧氧化作用的电子受体赋存于沉积物的产甲烷带并发挥了积极作用（图2），这对深入理解深海极端环境下甲烷的生物地球化学过程、科学评估甲烷渗漏的生态环境效应具有重要意义。

图2 模式图总结了在高通量甲烷渗漏的冷泉沉积物中，埋藏的活性Fe(III)/Mn(IV)矿物如何为甲烷厌氧氧化作用提供电子受体的简化场景

　　论文第一作者为广州海洋地质调查局肖曦高级工程师，共同通讯作者为广州海洋地质调查局梁前勇正高级工程师和自然资源部第三海洋研究所董西洋研究员，合作者包括罗敏、章楚雯、张亭亭、尹修然、吴学敏、赵静、陶军、陈宗恒。研究工作得到了中国地质调查项目中国地质调查局海洋地质调查项目 (DD20221706和DD20230065）、国家自然科学基金（No. 41906076、41806074、41730528），和广东省基础与应用基础研究（No. 2019B030302004和20201910240000691）等项目的联合资助。

　　论文信息：Xiao, Xi; Luo, Min; Zhang, Chuwen; Zhang, Tingting; Yin, Xiuran; Wu, Xuemin; Zhao, Jing; Tao, Jun; Chen, Zongheng; Liang, Qianyong*; Dong, Xiyang*. Metal-driven anaerobic oxidation of methane as an important methane sink in methanic cold seep sediments, Microbiology Spectrum, 2023,11(2), e05337-05322.