地大新聞網(wǎng)訊（通訊員 劉鄧 馬麗媛）2月5日，我校地質(zhì)微生物與環(huán)境全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境學(xué)院王紅梅教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)麻省理工學(xué)院、俄亥俄州立大學(xué)及英國(guó)布里斯托大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）發(fā)表一項(xiàng)突破性研究成果。該研究首次系統(tǒng)揭示了地下喀斯特洞穴中大氣甲烷被高效氧化的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制，提出地下喀斯特系統(tǒng)可能是一個(gè)此前被顯著低估的大氣甲烷匯，為更準(zhǔn)確理解全球甲烷循環(huán)與碳收支提供了新的科學(xué)依據(jù)。
該研究的關(guān)鍵突破在于成功識(shí)別了驅(qū)動(dòng)洞穴高效甲烷氧化的關(guān)鍵功能微生物類(lèi)群。團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建“微宇宙培養(yǎng)-同位素示蹤-多組學(xué)分析”的多尺度證據(jù)鏈，首次系統(tǒng)性證實(shí)了候選甲基寡營(yíng)養(yǎng)科（Candidatus Methyloligotrophaceae）是洞穴沉積物中甲烷氧化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)者，并從中識(shí)別出兩個(gè)新屬（候選甲基陸源菌屬Ca. Methylotierraosa和候選甲基陸穴居屬Ca. Methylocavernigena），顯著拓展了學(xué)界對(duì)該功能菌群系統(tǒng)發(fā)育多樣性的認(rèn)知。
進(jìn)一步的微宇宙培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到了持續(xù)穩(wěn)定的甲烷消耗現(xiàn)象。研究利用地質(zhì)微生物與環(huán)境全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立的13CH4同位素示蹤、NanoSIMS成像和PLFA-SIP技術(shù)，精準(zhǔn)捕捉到了13C從13CH4向微生物生物量（如13C-TOC、13C-PLFAs）轉(zhuǎn)移的清晰證據(jù)（圖1），從而以確鑿證據(jù)證實(shí)，洞穴微生物不僅在消耗甲烷，還將其轉(zhuǎn)化為自身生命物質(zhì)。研究同時(shí)揭示了該菌群具有高效碳利用和混合營(yíng)養(yǎng)的雙重生存策略?！岸嘟M學(xué)分析不僅揭示了甲烷消耗的關(guān)鍵類(lèi)群，還闡明了其在寡營(yíng)養(yǎng)低甲烷洞穴環(huán)境中的適應(yīng)機(jī)制。”論文第一作者、環(huán)境學(xué)院劉曉燕博士強(qiáng)調(diào)，“轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)的代謝途徑結(jié)果一致，表明由特定甲烷氧化微生物驅(qū)動(dòng)的地下甲烷氧化過(guò)程，是其長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境形成的穩(wěn)定生態(tài)功能?！?/span>
圖1 洞穴沉積物微宇宙體系中13C-13CH4流向，圖C入選當(dāng)期精選圖片。
該研究首次為評(píng)估地下喀斯特系統(tǒng)的全球甲烷匯潛力提供了定量的科學(xué)依據(jù)。對(duì)比分析顯示，洞穴樣品的甲烷氧化速率在量級(jí)上已與森林、草地等地表生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng)（圖2）。據(jù)此保守估算，僅中國(guó)西南地下喀斯特系統(tǒng)每年消耗的甲烷，接近中國(guó)森林和草地的年甲烷吸收總量。這表明，地下空間是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中一個(gè)關(guān)鍵的“隱藏板塊”。“這項(xiàng)研究從根本上改變了我們對(duì)陸地甲烷循環(huán)的認(rèn)知。”王紅梅教授指出，“過(guò)去我們往往只關(guān)注地表森林和土壤的固碳作用，卻忽視了腳下巨大的地下空間。實(shí)證研究幫助我們重新審視了地下生物圈的功能，地下喀斯特系統(tǒng)不僅是地質(zhì)演化的產(chǎn)物，更是大氣溫室氣體的重要調(diào)節(jié)器?！?/span>
圖2 洞穴、森林、草地和農(nóng)田樣品的潛在甲烷氧化速率比較。
此前，學(xué)術(shù)界對(duì)地下生態(tài)系統(tǒng)在全球甲烷收支中的貢獻(xiàn)一直缺乏系統(tǒng)評(píng)估。王紅梅教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)嚴(yán)密的機(jī)制解析和區(qū)域估算，為完善全球甲烷收支預(yù)算提供了關(guān)鍵的機(jī)制證據(jù)與數(shù)據(jù)支撐，展現(xiàn)了多學(xué)科交叉在地質(zhì)微生物學(xué)研究中的強(qiáng)大能力，為認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)的整體碳收支提供了新的維度。
文章第一作者為環(huán)境學(xué)院劉曉燕博士，王紅梅教授為唯一通訊作者。我校陳中強(qiáng)教授、英國(guó)布里斯托大學(xué)伊恩·D·布爾（Ian D. Bull）教授、理查德·P·埃弗謝德（Richard P. Evershed）教授，美國(guó)麻省理工學(xué)院趙銳博士（現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所研究員）、美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)奧利·H·圖奧維寧（Olli H. Tuovinen）教授參與了本項(xiàng)工作。研究工作受到國(guó)家自然基金委重點(diǎn)基金和重大項(xiàng)目的共同資助。（編輯 王俊芳 審稿 陳華文）
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