研究簡介:本研究對含氧光合細(xì)菌與厭氧產(chǎn)甲烷古菌之間的相互作用及其對全球甲烷循環(huán)的潛在貢獻(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)的研究。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，淡水生態(tài)系統(tǒng)中的甲烷主要來源于有機(jī)物在缺氧沉積物中的厭氧轉(zhuǎn)化。然而越來越多的證據(jù)表明，即使在有氧條件下，甲烷的生成也可能發(fā)生，這一現(xiàn)象被稱為“甲烷悖論”。本研究通過實(shí)驗(yàn)揭示了光合細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌之間的協(xié)同作用，為理解這一悖論提供了新的視角。研究團(tuán)隊(duì)選擇了藍(lán)藻和產(chǎn)甲烷古菌作為模型生物，進(jìn)行了共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在光照和黑暗交替的條件下，甲烷的生成顯著增強(qiáng)，尤其是在加入鐵的氧化還原循環(huán)（Fe-EDTA）后，甲烷產(chǎn)量進(jìn)一步提高。研究發(fā)現(xiàn)，甲烷的生成主要通過兩種途徑實(shí)現(xiàn)：協(xié)同甲烷生成和非生物甲烷生成。在黑暗中，藍(lán)藻通過呼吸作用產(chǎn)生有機(jī)物和氫氣，這些物質(zhì)被產(chǎn)甲烷古菌利用進(jìn)行甲烷生成；而在光照下，藍(lán)藻的光合作用產(chǎn)生氧氣，刺激產(chǎn)甲烷古菌產(chǎn)生活性氧（ROS），這些ROS與Fe-EDTA發(fā)生反應(yīng)，氧化有機(jī)物中的甲基供體，最終形成甲烷。此外研究發(fā)現(xiàn)，其他多種光合細(xì)菌和厭氧產(chǎn)甲烷古菌也能在類似條件下進(jìn)行光驅(qū)動甲烷生成，表明這種現(xiàn)象可能在自然界中廣泛存在。這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)上認(rèn)為甲烷主要來源于缺氧環(huán)境的觀念，還為理解微生物在甲烷循環(huán)中的作用提供了新的視角。研究結(jié)果表明，光合細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌之間的協(xié)同作用可能對全球甲烷循環(huán)有重要貢獻(xiàn)，從而影響氣候變化。未來的研究將進(jìn)一步探索這種相互作用在不同生態(tài)系統(tǒng)中的普遍性，以及其對全球甲烷預(yù)算的具體影響。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense OX-NP型氧氣微電極被用于測量溶解氧（DO）濃度的變化。在藍(lán)藻菌PCC6803和甲烷菌的共培養(yǎng)過程中，溶解氧濃度呈現(xiàn)出明顯的周期性變化。這種變化與光照和黑暗交替的周期密切相關(guān)。Unisense OX-NP氧氣微電極通過精確測量體系內(nèi)溶解氧濃度的變化，揭示了光照和黑暗條件下微生物代謝活動的動態(tài)變化。了解了藍(lán)藻菌PCC6803和甲烷菌之間的協(xié)同作用，并驗(yàn)證了鐵的氧化還原循環(huán)在甲烷生成過程中的重要性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

含氧光合細(xì)菌（如藍(lán)藻Synechocystis PCC6803）與厭氧產(chǎn)甲烷古菌（如Methanosarcina barkeri）之間的相互作用能夠顯著促進(jìn)甲烷生成，并且這種現(xiàn)象可能對全球甲烷循環(huán)有重要貢獻(xiàn)。在光照和黑暗交替的條件下，PCC6803和M.b的共培養(yǎng)能夠顯著增強(qiáng)甲烷生成。PCC6803和M.b在共培養(yǎng)中形成了緊密的生物膜，促進(jìn)了物質(zhì)和能量的交換。這種緊密的相互作用對于甲烷生成至關(guān)重要。通過加入鐵的氧化還原循環(huán)（Fe-EDTA），甲烷產(chǎn)量進(jìn)一步提高，表明鐵的氧化還原循環(huán)在甲烷生成過程中起著重要作用。研究結(jié)果表明，光合細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌之間的協(xié)同作用不僅在缺氧條件下發(fā)生，還在有氧條件下通過光驅(qū)動的甲烷生成過程發(fā)揮作用。其他多種光合細(xì)菌（如Tribonema minus、Euglena gracilis和Chlorella sp.）和厭氧產(chǎn)甲烷古菌（如Methanobacterium bryantii、Methanococcoides orientis和Methanosphaera stadtmaniae）也能在類似條件下進(jìn)行光驅(qū)動甲烷生成。

圖1、氧合光合細(xì)菌存在下的甲烷產(chǎn)生示意圖。a）無氧條件下黑暗中的合成共生甲烷生成。b）光照條件下氧氣存在下的非生物甲烷生成。

圖2、光照-黑暗周期中的光驅(qū)動甲烷生成。a)PCC6803-M.b-Fe-EDTA和對照組的甲烷產(chǎn)量。b)前四天的甲烷產(chǎn)量典型時間變化。c)三個連續(xù)18天周期中的甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)率。d)使用13C標(biāo)記的NaHCO3作為唯一碳源的氣體質(zhì)量譜分析。e)溶解氧（DO）濃度的周期性變化。f)mcrA和cpcG基因拷貝數(shù)的評估。在b和e中，灰色區(qū)域表示光驅(qū)動甲烷生成中的黑暗期，光-暗周期為4小時-20小時。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，來自n=3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)分析采用配對雙尾t檢驗(yàn)，不同字母表示不同組之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異（P<0.05）。所有P值已在源數(shù)據(jù)中提供。源數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)文件提供。

圖3、共培養(yǎng)生物膜和產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)的特征化。a培養(yǎng)瓶中的密集生物膜（插圖顯示了培養(yǎng)瓶的圖片）。b光學(xué)顯微鏡圖像和c FISH圖像，使用M.b（綠色熒光探針）和PCC6803（紅色，自體熒光）；代表10幅圖像。d生物甲烷生成的示意圖，通過PCC6803-M.b-Fe-EDTA驅(qū)動的中間產(chǎn)物。e通過ROS氧化生成的可能有機(jī)物質(zhì)。f gCOSY（f）和gHMBC（g）重疊的水溶液600-MHz NMR光譜，分別為共培養(yǎng)6天后的上清液（黑色），0.1 M乳酸（綠色），0.1 M醋酸（紅色），0.1 M丙酮酸（藍(lán)色），和0.1 M甲醇（橙黃色）。在(g)中的紅色圓圈峰歸屬于醋酸，藍(lán)色圓圈峰歸屬于丙酮酸，橙黃色圓圈峰歸屬于甲醇。h在4小時-20小時的光-暗周期下醋酸濃度的變化。灰色區(qū)域表示黑暗期。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，來自n=3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。比例尺：a為1μm，b為10μm，c為10μm。

圖4、PCC6803-M.b-Fe-EDTA的非生物甲烷生成。a）使用PCC6803-M.b-Fe-EDTA的非生物甲烷生成示意圖。b）?CH3、?OH和?O2-的EPR譜圖。c）使用o-tolidine作為過氧化物指示劑的H2O2的UV/Vis吸收譜圖。d-e）H2O2和?OH（d），以及Fe(II)和Fe(III)（e）濃度的典型時間變化。灰色區(qū)域表示黑暗期。f）表征DMS和DMSP作為甲基供體（插圖顯示了DMS的質(zhì)譜圖）。

圖5、光驅(qū)動甲烷生成的常見機(jī)制，適用于光合細(xì)菌和甲烷生成古菌。a光驅(qū)動甲烷生成影響因素的簡化樹圖。b不同氧合光合細(xì)菌、厭氧甲烷生成古菌和鐵物種（零價鐵（ZVI），F(xiàn)e3O4和FeCl2）引發(fā)的光驅(qū)動甲烷生成。C.sp.表示小球藻屬（綠藻門），E.sp.表示厄爾格植物（眼蟲門），T.m表示黃綠藻（黃綠藻門）。M.b表示甲烷球菌，M.br表示布氏甲烷細(xì)菌，M.o表示海洋甲烷細(xì)菌，M.s表示斯塔德曼甲烷細(xì)菌。

結(jié)論與展望

越來越多的證據(jù)正在挑戰(zhàn)地表水中甲烷主要源于有機(jī)物厭氧轉(zhuǎn)化的范式。然而含氧光合細(xì)菌（地表水中的主要物種）對甲烷產(chǎn)生的貢獻(xiàn)仍不清楚。在這里，研究人員展示了由含氧光合細(xì)菌和厭氧產(chǎn)甲烷古細(xì)菌之間的相互作用觸發(fā)的甲烷生成。通過引入藍(lán)藻集胞藻PCC6803和產(chǎn)甲烷古細(xì)菌與鐵的氧化還原循環(huán)，在周期性暗光循環(huán)期間，通過共養(yǎng)甲烷生成（在黑暗中的缺氧條件下）和非生物甲烷生成（在光照下的含氧條件下）在共培養(yǎng)生物膜中誘導(dǎo)CH4的產(chǎn)生。

Unisense OX-NP氧氣微電極在研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，通過精確測量溶解氧濃度的變化，揭示了光照和黑暗條件下微生物代謝活動的動態(tài)變化。這些數(shù)據(jù)不僅幫助研究人員理解了藍(lán)藻集胞藻PCC6803和產(chǎn)甲烷古細(xì)菌之間的協(xié)同作用，還驗(yàn)證了鐵的氧化還原循環(huán)在甲烷生成過程中的重要性。通過這些詳細(xì)的測量，研究者能夠更全面地理解光合細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌之間的相互作用及其對全球甲烷循環(huán)的潛在貢獻(xiàn)。進(jìn)一步的研究證明了來自不同門的其他模式含氧光合細(xì)菌產(chǎn)生的CH4，結(jié)合表現(xiàn)出不同能量守恒模式的不同厭氧產(chǎn)甲烷古細(xì)菌，以及各種常見的Fe物種。這些發(fā)現(xiàn)揭示了含氧光合作用與甲烷生成之間的意想不到的聯(lián)系，并將促進(jìn)對光合細(xì)菌在全球CH4循環(huán)中的生態(tài)作用的理解。這種光驅(qū)動的甲烷生成可能在自然界中廣泛存在。本研究挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)上認(rèn)為甲烷主要來源于缺氧環(huán)境的觀念，表明即使在有氧條件下，光合細(xì)菌也能通過與厭氧產(chǎn)甲烷古菌的相互作用促進(jìn)甲烷生成。這種光驅(qū)動的甲烷生成過程可能對全球甲烷循環(huán)有重要貢獻(xiàn)，從而影響氣候變化。研究結(jié)果為深入理解微生物在甲烷循環(huán)中的作用提供了新的視角，并為探索其他可能影響甲烷生成的因素（如金屬元素的作用）提供了方向。