一氧化碳氧化扩展了厌氧甲烷氧化共生体已知的代谢能力

黑暗海底的生命

在远离海面、寒冷且缺氧的海泥深处，微小的共生微生物协作，阻止强效温室气体甲烷上升到上层水体。这项研究表明，这些深海伙伴关系比科学家以前认识的更灵活。当它们通常的燃料甲烷短缺时，它们可以转向另一种气体——一氧化碳，以维持生存并在不断变化的海底条件下继续参与碳循环。

海底下隐蔽的伙伴关系

在许多富含甲烷的渗流点，海底有两类微生物形成紧密簇群：摄甲烷的古细菌（称为 ANME-2b）与还原硫酸盐的细菌。通常，它们合作完成一项缓慢但关键的工作：古细菌消耗甲烷，将释放的能量和电子传递给细菌伙伴，而细菌则利用这些电子将海水中的硫酸盐还原。这样的协作在甲烷逃逸到海洋和大气之前捕获了大量甲烷。新研究探讨了这些同样的伙伴能否使用另一种燃料——一氧化碳，这种气体可由沉积物中的热作用或其他微生物产生。

旧伙伴的新燃料

研究人员用来自哥斯达黎加近海一个甲烷渗流的沉泥，建立了密封、无氧的“微生态系统”，并在受控条件下向其供应一氧化碳。通过追踪碳和硫的同位素标记，他们显示这些共生体氧化了一氧化碳，同时将硫酸盐还原为硫化物。在缺乏硫酸盐时，一氧化碳氧化反而驱动了由二氧化碳产生甲烷的过程。从一氧化碳产生甲烷的速率较为温和——大约仅为它们通常以甲烷为燃料代谢速率的九分之一——但可被清晰测量，表明这些群落可根据可用化学物质既消耗甲烷也生成甲烷。

放大观察单个细胞

为了确认哪些微生物在使用这种新燃料时实际活跃，团队使用了荧光成像与纳米级质谱的强力组合。他们向群落提供用重同位素标记的氮，然后测量单个细胞内这种标记的摄入量。即便在只提供一氧化碳作为能量源的试瓶中，许多 ANME-2b 细胞以及部分细菌伙伴也摄入了标记氮——这表明它们在进行基本的细胞维持活动。然而在较高一氧化碳浓度下，细胞活性下降，表明过量的一氧化碳具有毒性，且这些共生体在自然环境中更可能处于更温和、有利的条件下。

解读微生物的“活动日志”

除了单细胞测量外，科学家还检查了群落在使用甲烷与一氧化碳时哪些基因被激活。在古细菌中，负责处理甲烷的关键酶相关基因在两种燃料下都保持高度表达，但与其主要能量保存步骤相关的基因在供应一氧化碳时被下调。该模式表明，一氧化碳的利用能提供足以维持细胞运转的能量，但不足以支持强烈的增殖。与此同时，细菌伙伴开启了与细胞间直接电子传递相关的基因以及自身处理一氧化碳的酶基因，暗示它们既能从古细菌接收能量，也能自行氧化一氧化碳。

这对地球碳平衡有何意义

对非专业读者来说，关键的信息是：深海摄甲烷群落并非单一功能的专家。它们可以将一氧化碳作为替代燃料，主要用于在资源匮乏时维持生存和代谢，而不是用于快速繁殖。这种灵活性帮助这些共生体在甲烷供应波动时持续存在，使其在甲烷再次充足时能迅速恢复主要的甲烷消耗作用。通过揭示这一隐藏的生存策略，该研究细化了我们对海底碳与硫循环的理解，以及在环境变化下地球天然甲烷过滤器的韧性评估。

引用: Guo, Y., Utter, D.R., Murali, R. et al. Carbon monoxide oxidation expands the known metabolic capacity in anaerobic methanotrophic consortia. Nat Commun 17, 3461 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71433-9

关键词: 甲烷渗流, 一氧化碳, 厌氧古细菌, 还原硫酸盐细菌, 深海沉积物