Methanogenesis in the presence of oxygenic photosynthetic bacteria may contribute to global methane cycle

在含氧光合细菌存在下发生甲烷可能有助于全球甲烷循环

来源：Nature Communications

《自然通讯》


摘要内容：

论文挑战了传统观点，即地表水中的甲烷主要来源于有机物的厌氧转化。研究发现，产氧光合细菌（如蓝藻）与产甲烷古菌（如Methanosarcina barkeri）通过铁氧化还原循环，在周期性光暗交替条件下触发产甲烷作用。光照条件下通过非生物甲烷生成（氧化条件），黑暗条件下通过共生甲烷生成（缺氧条件）。该过程涉及光合细菌产生的有机物和中间产物作为甲基供体，以及活性氧（ROS）介导的化学反应。研究还验证了其他光合细菌与不同产甲烷古菌组合的普适性，表明这种光驱动产甲烷机制在自然界广泛存在。


研究目的：

阐明产氧光合细菌在甲烷超饱和现象中的作用机制，揭示其在全球甲烷循环中的生态角色，修正传统理论对甲烷生成途径的认知。


研究思路：

实验设计：以蓝藻Synechocystis PCC6803和产甲烷古菌Methanosarcina barkeri为模式生物，引入铁-EDTA构建共培养体系。


条件模拟：通过光暗交替（4小时光照/20小时黑暗）模拟自然昼夜循环，分别研究光照（产氧）和黑暗（缺氧）条件下的产甲烷机制。


机制验证：结合基因表达分析（如mcrA、cpcG）、代谢产物检测（如乙酸、H2）、ROS与Fe氧化还原动态监测，解析生物与非生物途径的协同作用。


普适性验证：扩展至不同门类的光合细菌（如绿藻、裸藻）和产甲烷古菌（如氢营养型、甲基营养型），以及不同铁形态（零价铁、Fe3O4）。


测量数据及研究意义（对应图表）：

甲烷产量（图2a, 2b, 2c）：


共培养体系（PCC6803-M.b-Fe-EDTA）的甲烷产量显著高于对照组，证明协同作用增强产甲烷效率。


数据来源：图2a显示共培养组甲烷产量达2.5±0.5 μmol，而单一M.b组几乎无产出。

溶解氧（DO）浓度（图2e）：


光照期DO升高（光合产氧），黑暗期DO快速消耗（呼吸作用），Fe-EDTA加速缺氧环境形成。


数据来源：图2e显示DO周期性波动，Fe-EDTA组在黑暗期DO消耗更快。

基因表达（图2f）：


mcrA（产甲烷关键酶基因）和cpcG（蓝藻光合相关基因）拷贝数增加，表明共培养促进两类微生物代谢活性。


数据来源：图2f显示mcrA和cpcG基因拷贝数随培养时间上升。


有机物质种类（图3e, 3f）：


检测到乳酸、丙酮酸、乙酸等中间产物，为共生甲烷生成提供底物。


数据来源：图3e的NMR谱图显示代谢产物特征峰。

ROS与Fe浓度（图5d, 5e）：


光照期·OH和H2O2浓度升高，Fe(II)氧化为Fe(III)，支持Fenton反应驱动非生物甲烷生成。


数据来源：图5d显示光照期·OH浓度峰值，图5e显示Fe(III)比例在光照期增加。



丹麦Unisense电极测量的溶解氧数据研究意义：

使用Unisense微电极测量的DO数据（图2e）揭示了光暗交替下溶解氧的动态变化：

光照期：蓝藻光合作用产氧导致DO浓度升高，创造氧化条件，触发ROS生成和非生物甲烷途径。


黑暗期：呼吸作用消耗氧气，Fe-EDTA加速缺氧环境形成，促进共生甲烷生成。


铁的作用：Fe-EDTA通过氧化还原循环调节氧浓度，其还原态（Fe(II)）在黑暗期消耗残余氧，维持产甲烷古菌活性。


该数据直接证明了光暗交替通过调控氧浓度，驱动两种产甲烷途径的周期性切换，为解释自然水体中甲烷超饱和现象提供了关键实验证据。


结论：

产氧光合细菌与产甲烷古菌通过铁循环协同作用，在光暗交替下分别通过共生和非生物途径产甲烷。


该过程依赖光合产物（有机物、O2、ROS）和铁介导的氧化还原反应，挑战了传统厌氧产甲烷理论。


多种光合细菌-古菌组合及铁形态的普适性表明，光驱动产甲烷可能是自然水体甲烷排放的重要途径。