牛嗝、沼泽气的碳排放算错了？Science：新研究或将改写甲烷溯源教科书

来源：100医药网 2025-08-25 16:18

研究首次利用CRISPR技术操控这种关键酶的活性，揭示了产甲烷菌如何与食物供应相互作用产生甲烷。

大气中约三分之二的甲烷排放 这种强效温室气体正在导致地球变暖 源自生活在无氧环境中的微生物，如湿地、稻田、垃圾填埋场和牛消化道。然而，追溯大气甲烷的具体来源并量化其重要性仍是一个挑战。

加州大学伯克利分校研究人员在《科学》期刊发表论文，揭示了一种参与甲烷产生的关键微生物酶活性如何影响同位素组成。这一发现可能改变科学家计算不同环境源对地球甲烷总量贡献的方式。

"当我们整合所有二氧化碳的源和汇时，基本能得到与大气直接测量相符的数据。但对于甲烷，通量存在巨大不确定性 某些通量的误差高达数十个百分点 这挑战了我们精确量化来源相对重要性及随时间变化的能力，"论文第一作者、加州大学伯克利分校博士后Jonathan Gropp表示，"要量化甲烷的实际来源，必须真正理解用于约束这些通量的同位素过程。"

Gropp与加州大学伯克利分校的分子生物学家和地球化学家合作，首次利用CRISPR技术操控这种关键酶的活性，揭示了产甲烷菌如何与食物供应相互作用产生甲烷。

"众所周知甲烷水平正在上升，但对根本原因存在诸多分歧，"共同作者、加州大学伯克利分校分子与细胞生物学助理教授Dipti Nayak说，"这项研究首次将分子生物学和同位素生物地球化学学科融合，为产甲烷菌生物学如何控制甲烷同位素组成提供更好约束。"

许多元素在自然界中存在微量比例的重或轻版本，即同位素。人类约99%是碳-12，1%是碳-13（因核多一个中子而略重）。水中的氢99.985%是氢-1，0.015%是氘（氢-2），因核含中子而重量翻倍。

同位素的自然丰度体现在所有生物产生的分子中，其变化可用于研究和指纹识别不同生物代谢。"过去70年，研究表明不同生物和其他过程产生的甲烷具有独特的同位素指纹，"地球化学家、共同作者Daniel Stolper副教授解释道，"油田天然气、牛胃产甲烷菌、深海沉积物微生物产生的甲烷各有不同指纹。"

科学家通常假设同位素指纹取决于微生物的食物来源，但这项新研究发现："微生物甲烷的同位素组成不仅基于产甲烷菌的食物来源，"Nayak指出，"食物类型固然重要，但这些底物的数量和环境条件也至关重要，更重要的是微生物如何响应这些变化。"

"微生物通过操纵基因表达来应对环境变化，同位素组成也随之改变，"Gropp说，"这应促使我们在分析环境数据时更谨慎思考。"

以醋和酒精为食的微生物

产甲烷菌（属于古菌域，与细菌处于完全不同的生命树分支）对清除世界上的死亡和腐烂物质至关重要。它们摄入其他生物排泄的简单分子（如氢气、乙酸或甲醇），产生甲烷气体作为废物。

这种天然甲烷可见于沼泽地夜间出现的苍白鬼火，但也通过牛嗝、稻田和湿地气泡以及垃圾填埋场泄漏无形释放。虽然我们燃烧的天然气中大部分甲烷与碳氢化合物生成有关，但某些矿床最初是由产甲烷菌消化埋藏有机物产生的。

在不同"食物"来源上生长的产甲烷菌产生的甲烷同位素指纹已在实验室研究中确立，但科学家发现真实世界的复杂性中，产甲烷菌产生的甲烷同位素指纹并不总是与实验室相同。

Gropp早期创建了产甲烷菌代谢网络的计算机模型。在Stolper和Nayak建议下，他通过实验测试模型。Nayak团队近期使用CRISPR基因编辑技术改变了产甲烷菌中关键酶 甲基辅酶M还原酶（methyl-coenzyme M reductase, MCR）的表达，从而可调节其活性。

研究人员在这些经CRISPR编辑的微生物（以乙酸和甲醇为食的常见产甲烷菌Methanosarcina acetivorans）上进行实验，观察当酶活性降低时甲烷同位素组成的变化，模拟微生物缺乏首选食物时的情况。

他们发现当MCR浓度低时，细胞通过改变许多其他酶的活性作出响应，导致其输入输出积累，甲烷生成速率大幅减慢，以致酶开始正向和反向双向运行。在反向运行时，这些酶从碳原子中去除氢；正向运行时则添加氢。与MCR共同作用最终产生甲烷（CH4）。每个正向和反向循环都需要这些酶之一从碳中提取氢并添加最终源自水的新氢。

因此，甲烷四个氢分子的同位素组成逐渐反映水的特性，而不仅仅是其食物来源（最初含三个氢）。这与基于乙酸和甲醇生长的典型假设不同，后者假设源自水的氢与食物源的氢之间没有交换。

"我们发现的这种同位素交换改变了消耗乙酸和甲醇的产甲烷菌产生的甲烷指纹，与通常假设的不同。鉴于此，我们可能低估了消耗乙酸微生物的贡献，它们可能比我们想象的更占主导地位，"Gropp说。

除这项研究外，调节产甲烷菌酶生产的CRISPR技术可用于广泛操纵和研究其他酶网络中的同位素效应，帮助研究人员解答当今和过去地球生物学和环境问题。

"这开辟了现代分子生物学与同位素地球化学结合解决环境问题的途径，"Stolper说，"环境中研究的与生物学和生物化学相关的同位素系统数量巨大。希望我们能开始以分子生物学家研究人类和其他生物问题的方式 通过控制基因表达观察稳定同位素响应，来探索这些系统。"

对Nayak而言，这些实验也是发现如何改变产甲烷菌以阻止甲烷生产，将其能量转向生产有用产品而非环境破坏性气体的重要一步。"通过减少制造甲烷的酶量，并引入细胞可用的替代途径，我们 essentially 可以给它们另一个释放阀，将原本用于制造甲烷的碳电子转移到更有用的物质上，"她表示。（100yiyao.com）

参考文献：

Jonathan Gropp et al, , Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu2098.

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