淡水厌氧摄甲烷古菌的臭氧化物代谢

埋藏微生物为何影响气候

在水浸的泥土深处，微小的微生物默默分解本可能逸入空气并使地球变暖的大量甲烷。本研究揭示，其中一些吃甲烷的微生物实际上更偏好另一种气体——一氧化碳，这种意外的嗜好会改变碳在湖泊和河流底部淤泥中的流动方式。理解这种隐蔽的化学过程有助于科学家改进气候模型，并重新思考湿地和沉积物作为天然温室气体过滤器的作用。

甲烷的隐秘守门人

甲烷是一种强效温室气体，尽管在大气中含量极低，却约占全球变暖的五分之一左右。在湖泊、河流和湿地底部缺氧的泥土中，专门化的古细菌——与细菌不同的微生物——在甲烷到达空气之前将其消耗。这些厌氧摄甲烷古菌构成了一个重要的生物“甲烷过滤器”。其中一类称为 Methanoperedenaceae 的群体尤其多才多艺：它能将甲烷氧化与多种可溶性电子受体耦合，例如硝酸盐和金属。然而，科学家对这些微生物是否也能利用甲烷以外的燃料，以及此类替代物如何增强或削弱甲烷过滤器，知之甚少。

偏好另一种燃料的微生物

研究者关注一种淡水古菌，称为“Candidatus Methanoperedens BLZ2”，现建议将其更名为“Ca. Methanoperedens carboxydivorans”，以反映其对一氧化碳的嗜好。在精心控制的瓶装实验中，他们向含有该微生物的污泥分别供给甲烷、一氧化碳或两者混合气，并追踪气体的消耗及产物形成。在硝酸盐充足的条件下，培养物氧化一氧化碳的速度远快于甲烷，且在两种气体同时存在时，一氧化碳几乎完全抑制了甲烷的利用。当去除硝酸盐时，微生物仍快速消耗一氧化碳，但主要将其转化为甲烷、乙酸和甲酸——这些化合物更多地留在沉积物中，而非直接逸入空气。

用于气体转换的隐藏基因工具箱

为了弄清为何同一生物体能承担如此不同的任务，团队重建并完整环化了Ca. Methanoperedens carboxydivorans的基因组。他们发现该菌具有异常丰富的一氧化碳处理工具箱：主染色体上有六个编码镍基一氧化碳脱氢酶的基因，另有两个位于一个称为可动遗传元件的独立环状DNA片段上。这些酶处于一种古老碳代谢通路的核心位置，该通路既可以朝向构建细胞物质运行，也可以朝向产生像乙酸之类的产物运行。该可动元件还携带额外的硝酸盐和亚硝酸盐还原模块以及处理甲酸和其他氧化还原反应的基因，提示代谢功能的片段可以在相关微生物间移动，从而增强它们应对淤泥中变化条件的能力。

氧化还原“交通管制”如何决定结果

通过检查在不同气体混合物下哪些基因被开启，研究者拼凑出该微生物如何重新引导其内部电子流的图谱。在有硝酸盐时，细胞将来自一氧化碳的电子导向呼吸，驱动节能通路，并几乎不留下副产物。缺乏硝酸盐时，这些电子必须去向别处。微生物便依赖发酵过程：利用一氧化碳生成还原载体，并通过产生乙酸、甲烷和甲酸来释放这种电子压力。这种行为表明，一种通常以销毁甲烷闻名的微生物，也能根据周围化学环境表现得像经典的产甲烷菌和产乙酸菌。

重新思考自然界的甲烷过滤器

研究结论是，淡水摄甲烷古菌并非严格的甲烷专门家。相反，它们是灵活的碳转换者，能在消耗甲烷和氧化一氧化碳之间切换，有时甚至自行产生甲烷。鉴于一氧化碳转化基因在相关微生物中广泛存在，环境调查中常被忽视的一氧化碳可能经常促使这些群落偏离甲烷氧化。这意味着沉积物中天然甲烷过滤器的有效性可能会随着一氧化碳水平的微小变化而增强或削弱，从而重塑我们对地球那些隐蔽、无氧角落中温室气体控制的认识。

引用: Egas, R.A., Lin, H., Leu, A.O. et al. Carbon monoxide metabolism in freshwater anaerobic methanotrophic archaea. Nat Commun 17, 3460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70080-4

关键词: 甲烷循环, 一氧化碳, 湿地沉积物, 古细菌, 温室气体