甲烷是一種分子式為CH4的化合物，不僅是一種強烈的溫室氣體，也是一種重要的能源。它為我們的家供暖，甚至海底的微生物也生活在上面。微生物使用一種叫做甲烷厭氧氧化（AOM）的過程，這種過程通常發(fā)生在海底的所謂硫酸鹽-甲烷過渡區(qū)，從海底層開始，海水中的硫酸鹽與更深的沉積物中的甲烷相遇。在這里，一種特殊的微生物，厭氧甲烷氧化（ANME）古菌，消耗甲烷。它們與利用甲烷氧化過程中釋放的電子來還原硫酸鹽的細菌生活在一起。為此，這些生物形成了特征性的聯系。

這一過程發(fā)生在世界各地的海底，因此是碳循環(huán)的重要組成部分。然而，由于反應非常緩慢，因此很難研究AOM過程。為了進行研究，研究人員經常使用一種化學手段：甲烷中穩(wěn)定的同位素比率。不幸的是，這些同位素的行為并不總是如預期的那樣，導致所涉及的微生物的功能和功能嚴重混淆。馬克斯·普朗克海洋微生物研究所、德國海洋環(huán)境研究中心MARUM的研究人員和以色列魏茲曼科學研究所的同事們已經解決了這一同位素問題，并在《科學進展》雜志上發(fā)表了他們的結果。這為更好地理解厭氧甲烷氧化的重要過程鋪平了道路。

同位素指示反應途徑

問題及其解決方案的詳細描述：同位素是不同質量元素的不同“版本”。元素的同位素在原子核中具有相同數量的質子（帶正電荷的粒子），因此它們在元素周期表中具有相同的位置（同位素=希臘語，在相同的位置）。然而，它們在原子核中中子（中性粒子）的數量上有所不同。例如，碳有兩種穩(wěn)定的同位素，較輕的12C和較重的13C。此外，還有常見的放射性同位素14C，這是一種非常罕見的碳，用于測定含碳材料的年齡。雖然兩種穩(wěn)定同位素的化學性質相同，但質量差異導致反應速率不同。

當化合物發(fā)生反應時，具有較輕同位素的化合物通常轉化得更快，在初始反應物中留下較重的變體。同位素組成的這種變化被稱為同位素分餾，幾十年來一直被用來追蹤化學反應。在甲烷氧化中，這意味著12主要消耗C-甲烷，導致剩余甲烷中的13C富集。相反，微生物產生的甲烷（甲烷生成）導致產生特別輕的甲烷。岡特·韋格納（Gunter Wegener）報告稱：“然而，現實卻出人意料地不同。”“與上述邏輯相反，我們經常在硫酸鹽甲烷過渡區(qū)發(fā)現非常輕的甲烷。”

厭氧產甲烷氧化古菌的微生物群落呈紅色，其硫酸鹽還原伙伴細菌呈綠色。白色刻度標記為10 m。圖片來源：馬克斯·普朗克海洋微生物研究所/V。

《自然》沒有遵循教科書：硫酸鹽甲烷過渡帶中的氫甲烷

這一悖論引發(fā)了一些問題，例如：甲烷不是被消耗的，而是在那里產生的嗎？如果不是大量的蟻古菌，誰應該負責？韋格納繼續(xù)說道：“在我的實驗室里，我們收集了世界上最大的ANE培養(yǎng)物，在那里我們可以嘗試找出甲烷氧化劑本身是否以及如何產生輕質甲烷。”。“第一個結果是否定的：根據我們通常在海水中發(fā)現的高硫酸鹽濃度，培養(yǎng)的微生物的行為符合教科書。剩余的甲烷富含較重的同位素。”然而，如果用較少的硫酸鹽進行相同的實驗，甲烷在12℃時富集并變得更輕。

硫酸鹽的有效性控制AOM中的同位素效應

那么他們如何解釋甲烷同位素的異常行為呢？以色列魏茲曼科學研究所的喬納森·格羅普和他的導師伊泰·哈萊維（Itay Halevy）花了數年時間研究微生物代謝的同位素效應，包括類似于厭氧甲烷氧化（AOM）的酶催化的甲烷生成。這使他們成為不來梅隊的理想合作伙伴。格羅普說：“這兩個過程都基于一個非常相似的七個反應級聯。”。“以前的研究表明，所有這些反應都可能是可逆的，即它們可以在兩個方向上發(fā)生，每個反應也有自己的同位素效應。”

在該模型的幫助下，Gropp可以證明，根據可用的硫酸鹽，某些反應可以在不同程度上逆轉。這可能會導致以下情況：重同位素并沒有像往常一樣被留下，而是留在反應鏈中，輕同位素返回到甲烷中。格羅普解釋道，“微生物想要反應，但由于硫酸鹽濃度低，它們受到限制。”他補充道，“我們設計的模型非常適合同位素實驗。”

長時間呆在實驗室和電腦前會獎勵研究人員。通過他們的研究，Wegener、Gropp和他們的同事可以展示AOM如何產生13-C缺乏的甲烷。使用少量硫酸鹽的實驗尤其能很好地反映微生物的自然棲息地，即海底的硫酸鹽-甲烷過渡帶的情況。在那里，微生物通常生長在很少的硫酸鹽上，就像在低硫酸鹽的實驗中一樣。“現在我們知道，過渡區(qū)的甲烷氧化劑可以導致甲烷中的氫同位素。甲烷的產生是不必要的。我們懷疑ANME是甲烷研究的最終作者，”馬庫斯·埃爾伯特總結道。現在研究人員已經準備好進行下一步，并想知道其他反應是否顯示出類似的同位素效應。