Science：同位素示踪甲烷来源需谨慎，因为细菌在捣乱

地刊速览 · 科学科技自媒体 · 2 天前

主要观点总结

近日，《自然·地球科学》杂志发表了一项研究，揭示了地下甲烷起源的新机制。研究发现氢营养型甲烷菌能显著改变甲烷的同位素组成，这可能对传统的同位素示踪方法产生误导。需要重新评估基于同位素效应的地下甲烷起源结论，并开发更精确的同位素示踪方法。

关键观点总结

关键观点1: 氢营养型甲烷菌对甲烷同位素组成的影响

研究发现氢营养型甲烷菌在接近平衡的地下环境中，能够显著改变甲烷的碳、氢同位素组成，甚至修改已存在的热成因甲烷的同位素“指纹”。这意味着传统的基于同位素组成的甲烷来源判别方法可能低估了生物成因甲烷的贡献。

关键观点2: 甲烷菌对同位素信号的影响

研究人员通过实验室模拟地下环境的温度和压力条件，共培养了氢营养型甲烷菌和产氢细菌，发现氢营养型甲烷菌利用氢气和二氧化碳生成甲烷的过程中，能够平衡最初产生的甲烷的动力学同位素信号，并修改已存在的热成因甲烷的同位素组成。

关键观点3: 接近完全的甲烷生成可逆性

研究还发现甲烷可以被转化回氢气和二氧化碳，这进一步影响了同位素组成，这暗示我们需要重新评估现有的甲烷起源理论并开发更精确的同位素示踪方法。

正文

【导读】近日《自然·地球科学》杂志发表了一项研究，揭示了地下甲烷起源的新机制，对传统的同位素示踪方法提出了挑战。该研究发现，氢营养型甲烷菌即使在接近平衡的地下环境中，也能显著改变甲烷的同位素组成，这可能误导我们对甲烷来源的判断。这需要我们重新评估基于同位素效应得出的关于地下甲烷起源的结论，并开发更精确的同位素示踪方法。

甲烷（methane）作为一种重要的能源和温室气体，其来源一直是地球科学研究的热点。传统上，科学家利用稳定同位素信号（stable isotope signals），例如碳同位素（¹³C/¹²C）和氢同位素（²H/¹H，也称为D/H），来追踪甲烷的起源。不同成因的甲烷具有不同的同位素“指纹”。例如，生物成因甲烷(biogenic)通常富集轻同位素，而热成因甲烷(thermogenic)则富集重同位素。然而，在地下深处，甲烷的同位素组成往往接近平衡状态，这使得区分其来源变得更加困难。

为了探究地下环境中甲烷同位素组成的变化机制，研究人员在实验室中模拟了地下环境的温度和压力条件（55°C, 10兆帕），并共培养了氢营养型甲烷菌和一种产氢细菌（H₂-producing bacterium）。氢营养型甲烷菌利用氢气和二氧化碳生成甲烷，反应式为：CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O。研究人员通过分析培养过程中甲烷的同位素组成，来研究甲烷菌对同位素信号的影响。此外，他们还向培养体系中添加了热成因甲烷，以观察甲烷菌对其同位素组成的改变。

研究发现，即使在模拟的地下环境条件下，氢营养型甲烷菌仍然能够显著改变甲烷的碳、氢同位素组成，使其接近平衡状态。这表明甲烷菌不仅可以平衡最初产生的甲烷的动力学同位素信号（kinetic isotope signals），还能修改已存在的热成因甲烷的同位素“指纹”。这意味着即使观测到的同位素组成接近平衡，也不能排除生物成因甲烷的可能性。此外，研究还发现了接近完全的甲烷生成可逆性（reversibility of methanogenesis），即甲烷可以被转化回氢气和二氧化碳，这进一步影响了同位素组成。

这项研究表明，传统的基于同位素组成的甲烷来源判别方法可能低估了生物成因甲烷的贡献。在地下环境中，尤其是在低氢高压条件下，氢营养型甲烷菌对甲烷同位素组成的影响不容忽视。这需要我们重新评估基于同位素效应得出的关于地下甲烷起源的结论，并开发更精确的同位素示踪方法。

参考文献：Daisuke Mayumi et al. ,Hydrogenotrophic methanogens overwrite isotope signals of subsurface methane. Science 386, 1372-1376 (2024). DOI:10.1126/science.ado0126

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