Multiple Groups of Methanotrophic Bacteria Mediate Methane Oxidation in Anoxic Lake Sediments  

多組甲烷氧化細菌介導缺氧湖泊沉積物中的甲烷氧化  

來源：Frontiers in Microbiology, Volume 13, 2022, Article 864630  

《微生物學前沿》第13卷，2022年發表，文章編號864630  

 

摘要內容

本研究通過放射性同位素標記（1?CH?和13CH?）和分子生物學技術，揭示瑞士Sempach湖缺氧沉積物中的甲烷氧化（AOM）由傳統好氧甲烷氧化細菌（MOB）主導，而非典型厭氧甲烷氧化菌（ANME）。盡管檢測到高AOM速率（表層沉積物達68.0 nmol cm?3 d?1），但硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、鐵/錳氧化物等電子受體均未刺激AOM（圖2-3）。添加氧氣后甲烷氧化速率提升10倍（圖3G），脂質生物標志物（如C16:1ω7、C16:1ω5）和16S rRNA測序證實γ-變形菌綱（Methylobacter、Crenothrix）和α-變形菌綱（Methylocystis）在缺氧條件下仍能同化甲烷，但同化速率比有氧條件低一個數量級（圖4）。  

 

 

 

研究目的  

 

探究缺氧湖泊沉積物中甲烷氧化的微生物驅動機制及電子受體需求，解析傳統好氧甲烷氧化細菌在缺氧環境中的代謝適應性。  

 

研究思路  

 

原位觀測：測定Sempach湖沉積物孔隙水地球化學剖面（甲烷、硫酸鹽、鐵/錳形態等，圖1A-E），結合1?CH?標記量化AOM速率垂向分布（圖1B）。  

 

 

電子受體驗證：通過底物添加實驗（硫酸鹽、硝酸鹽/亞硝酸鹽、鐵/錳氧化物），評估其對AOM的刺激作用（圖2-3）。  

 

微生物機制：利用13CH?標記的脂質穩定同位素探測（圖4）和16S rRNA測序（圖5），鑒定活躍甲烷氧化菌及其碳同化能力。  

 

測量數據、來源及意義  

 

3.1 地球化學剖面（圖1A-F）  

來源：圖1A（甲烷濃度）、圖1C（硫酸鹽/硝酸鹽）、圖1D-E（鐵/錳形態）、圖1F（氧氣滲透深度）  

 

意義：揭示甲烷氧化熱點位于沉積物表層（0-2 cm），與氧氣耗盡區（<3 mm）重疊；鐵/錳氧化物和硝酸鹽在表層富集，但未驅動AOM速率提升。  

 

3.2 AOM速率響應（圖2-3）  

來源：圖2A（1?CH?實驗中電子受體添加效果）、圖3（13CH?實驗中NO?/O?添加對13CO?產量的影響）  

 

意義：證實硫酸鹽（圖2A）、硝酸鹽/亞硝酸鹽（圖3C-F）及金屬氧化物（圖2A）均未顯著促進AOM；氧氣添加使13CO?產量激增10倍（圖3G），凸顯好氧途徑的高效性。  

 

3.3 微生物群落與碳同化（圖4-5）  

來源：圖4（脂質生物標志物δ13C值）、圖5（16S rRNA測序顯示的菌群組成）  

 

意義：脂質標記（C16:1ω7等）證明γ-MOB和α-MOB在缺氧條件下同化甲烷（δ13C > 500‰，圖4A-H）；16S測序顯示Crenothrix（34.1%）和Methylobacter（27.6%）為優勢甲烷氧化菌（圖5C），且在氧氣添加后豐度變化顯著。  

 

結論  

 

4.1 Sempach湖沉積物AOM由傳統好氧MOB（Crenothrix、Methylobacter、Methylocystis）主導，而非ANME或NC10菌，電子受體非限制因素。  

4.2 缺氧條件下MOB通過未知機制維持甲烷氧化（可能依賴有機物氧化），但碳同化速率（<0.1 μmol g?1 d?1）遠低于有氧條件（>1 μmol g?1 d?1）。  

4.3 MOB的代謝靈活性（好氧/缺氧切換）對湖泊甲烷排放抑制具有生態意義。  

 

Unisense電極數據的詳細研究意義  

使用丹麥Unisense微電極（Clark型氧傳感器）測量的氧氣滲透深度數據（圖1F）是解析甲烷氧化微環境的關鍵：  

高分辨率邊界界定：微米級分辨率（未注明具體精度，但典型Clark電極達10 μm）精準定位氧氣耗盡深度（3 mm），揭示AOM活躍區緊鄰缺氧-有氧過渡帶，排除"隱性好氧"機制。  

 

過程關聯性：結合AOM速率峰值分布（圖1B），證實盡管氧氣在3 mm處耗盡，MOB仍能在缺氧區氧化甲烷，支持其厭氧代謝能力。  

 

實驗設計指導：氧氣耗竭數據為缺氧孵育實驗（圖2-3）提供理論依據，確保添加電子受體時系統嚴格缺氧。