守护“地球之肾”，抓住甲烷“制造商”

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在神农架大九湖亚高山泥炭湿地有这样一群人，他们不看俊俏的金丝猴，也不欣赏奇谲瑰丽的风景，而是戴着手套，手拿这样的“作案工具”↓↓↓，你猜他们在干嘛？

神农架大九湖亚高山泥炭湿地土壤样品采集（离心管装取土样用于高通量测序）

（图片来源：中国地质大学葛继稳研究员团队拍摄）

其实他们在找一种看不见摸不着的厌氧菌——甲烷菌，找它干嘛？

这还得从湿地保护说起，湿地是“地球之肾”，维护着地球的生态平衡，同时，它也是自然界最大的甲烷（一种温室气体）排放源，是备受甲烷菌喜爱的居住地，湿地的甲烷循环与温室气体排放及全球变暖息息相关，所以咱们今天就来好好地聊聊湿地甲烷的“制造商”——甲烷菌。

甲烷菌大有来历

可别小瞧了甲烷菌，它的来头大着呢。据研究，甲烷菌是地球上最古老的生命体之一，它的历史可以追溯到几十亿年前！在地球诞生初期，闪电交加又缺氧的环境中孕育出了地球上第一批顽强的“生灵”。它们不需要氧气就能自由自在地呼吸，仅仅依靠简单的碳酸盐和甲酸盐等物质就能维持生命，它们就是最早的甲烷菌。

时至今日，地球经历了沧海桑田的变化，但甲烷菌却始终保持着厌氧的本性。只是，现代甲烷菌的“食物”来源更加广泛，杂草枯叶、残羹剩饭、动物粪尿甚至垃圾……甲烷菌都来者不拒。通常，甲烷菌在美餐一顿之后，都会舒心的呼出一口气，这便是沼气泡。实际上，这种沼气泡在自然界也屡见不鲜，例如在美丽的贝加尔湖上，也被发现有饱含甲烷的冰冻气泡。

贝加尔湖冰冻气泡

（图片来源：www.qwbus.com）

这些沼气泡的主要成分是甲烷，它是一种廉价的清洁能源，可以作为理想的气体燃料。而人们也利用甲烷菌的这种“吐泡泡”的技能，兴建了很多沼气池来人工制取沼气。沼气池可以为甲烷菌提供无氧的环境，只要在池子中投放各种甲烷菌爱吃的“食物”，甲烷菌就可以在这里愉快地劳动，源源不断地产生沼气。

值得注意的是，从甲烷产生到排放的过程中，除了甲烷菌之外，还有许多其他微生物的参与。其中一种微生物以甲烷为食，它们就是甲烷氧化菌。甲烷氧化菌不仅可以在无氧条件下生存，也可以在有氧条件下发挥作用。

参与甲烷产生、氧化、排放过程中的微生物

（图片来源：作者绘制）

在有氧条件下，甲烷氧化菌利用O₂将甲烷转化为CO₂；在无氧条件下，甲烷氧化菌利用除氧气之外的其他具有氧化作用的物质（NO₃^-、NO₂^-、SO₄^2-、Mn⁴⁺、Fe³⁺等）将甲烷转化为CO₂及其他化合物。

甲烷氧化菌氧化甲烷

（图片来源：参考文献2）

人和动物体内也有甲烷菌

Emmmm，听起来甲烷菌好像对我们来说遥不可及是不是？实际上，甲烷菌参与了我们生活的方方面面，甚至在人和动物的肠道内也有甲烷菌存在。

近年来，很多研究发现甲烷菌在维持肠道微生态稳定方面起着积极的作用，甲烷菌数量减少可能会引发肠道功能性紊乱疾病，例如腹痛、腹泻、便秘、胀气等。此外，甲烷菌也被认为是诱发肥胖的原因之一。

一方面，甲烷菌的存在使肠道内物质的发酵效率提高，可以为人体提供更多能量物质；另一方面，甲烷菌产生的甲烷减缓肠道蠕动速度，使食糜在肠道中停留的时间增加，增加了消化时长，提高了人体对营养物质的吸收。

除了人体肠道内，反刍动物的胃瘤中也被证实有大量甲烷菌活动。曾经，还有这样一则新闻引人注目。在2014年1月份，德国一个小镇发生牛棚爆炸事件，究其原因，竟是奶牛打嗝放屁释放太多甲烷，继而由静电火花引爆导致，这可都是甲烷菌的“功劳”。

奶牛的胃瘤中有一个复杂的微生物菌群，甲烷菌就是其中一员。胃瘤内的二氧化碳在甲烷菌和酶的催化作用下，经过一系列的化学反应，最终将氢气和甲酸还原成甲烷。研究得到反刍动物排放的甲烷约占全球甲烷排放的17%，反刍动物胃瘤中的微生物活动现已成为全球甲烷排放的重要来源。

（图片来源：参考文献3）

甲烷菌与人类生活息息相关，因此，科学家们也对甲烷菌开展了大量研究。不过，想要研究甲烷菌，难道只有剖开人和动物的肠道才行吗？当然不是啦！除了人和动物肠道外，甲烷菌广泛分布在自然界的无氧环境中。

其中，湿地就是甲烷菌生存的重要场所。人们发现，湿地生态系统由于常年处于湿润甚至淹水的状态，土壤温度偏低、通气性差，微生物活动相对较弱，对有机质的分解速率相对其他陆地生态系统缓慢，长此以往便累积了丰富的有机质，再加上土壤湿润造成的无氧环境，非常有利于甲烷菌的活动生长。

神农架大九湖湿地

（图片来源：中国地质大学葛继稳研究员团队拍摄）

深入神农架大九湖泥炭湿地，

对甲烷菌一探究竟

近日，中国地质大学葛继稳教授课题组在神农架大九湖泥炭湿地开展了一项关于产甲烷菌和甲烷氧化菌群落间的合作、竞争关系的变化对甲烷排放影响的科学研究，进一步揭示了湿地甲烷排放季节变化的微生物调控机理。

神农架大九湖湿地观测站

（图片来源：中国地质大学葛继稳研究员团队拍摄）

想要确定产甲烷菌和甲烷氧化菌的群落组成，通常需要进行土壤采样、提取土壤DNA和运用分子生态网络分析方法鉴定关键物种等复杂的过程。葛继稳教授课题组利用涡动相关观测系统收集甲烷数据，并且在观测站点进行土壤采样。

神农架大九湖湿地涡动协方差观测系统

（图片来源：中国地质大学葛继稳研究员团队拍摄）

为了消除土壤深度造成的误差，分别对不同深度的土壤进行取样，并且将土壤中的根系、石块等杂物去除后进行保存，用于后续微生物组成和土壤理化性质的测定。

神农架大九湖亚高山泥炭湿地土壤样品采集（无菌密封袋装取土样用于土壤理化性质测定）

（图片来源：中国地质大学葛继稳研究员团队拍摄）

通过研究发现，产甲烷菌和甲烷氧化菌群落的季节变化对湿地甲烷排放具有显著影响。春天，产甲烷菌群落间的激烈竞争导致甲烷产生较少，而甲烷氧化菌间的良好合作有利于甲烷的氧化，因此，该地区春季甲烷排放量最低。到了夏天，产甲烷菌处于“主导地位”，此时甲烷排放量最多。

此外，由分子网络识别出的甲烷菌的优势物种在影响甲烷通量方面发挥着重要作用。由于甲烷菌的优势物种会随着环境条件的不同而发生变化，且不同甲烷菌物种间的竞争力以及排放甲烷的能力存在差异。因此，甲烷菌优势物种的变化也是导致甲烷排放季节变化的重要原因。

具体实验过程和结论已发表在《Advances in Atmospheric Sciences》。该研究为揭示湿地微生物对甲烷排放季节变化的调控机制提供了理论依据，为今后湿地甲烷通量研究打下良好基础。

结语

提到神农架，大家想到的或许是神农尝百草的古老传说，或许是山势陡峭的华中屋脊，或许是扑朔迷离的野人之谜，又或许是物种多样的天然动物乐园…但现在你知道了这里还盛产一种看不见摸不着，却能通过影响甲烷产生排放过程进而调节大气中温室气体的甲烷菌，是不是更想去神农架一探究竟呢？

参考文献：

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