科学家发现，微生物形成活体电路网络来过滤海底甲烷

健康生活 2025年08月23日 19:36 1 admin

信息来源：https://phys.org/news/2025-08-microbes-electrical-networks-filter-methane.html

南加州大学领导的国际科研团队首次在实验室中成功测量了海底微生物间的电子传递过程，揭示了厌氧甲烷氧化古菌与硫酸盐还原菌如何通过导电蛋白质形成活体电路网络，在甲烷释放到大气之前将其消耗。这一突破性发现发表在《科学进展》期刊上，为十年来困扰科学界的微生物电化学机制提供了直接测量证据。

研究团队利用专门开发的电化学测量技术，对来自地中海、瓜伊马斯盆地和加利福尼亚海岸的海洋甲烷渗漏样本进行了分析，首次量化了这种被称为"活体过滤器"的生物电路系统的工作效率。

活体电路的运作机制

图片来源：Unsplash/CC0 Public Domain

这一生物电路系统的核心是两种截然不同的微生物之间的精密协作。厌氧甲烷氧化古菌单独无法完成甲烷氧化过程，因为它们在分解甲烷时释放的电子需要找到合适的受体。硫酸盐还原菌虽然无法直接消耗甲烷，但能够接受这些电子并将其转移给硫酸盐，为自身新陈代谢提供能量。

南加州大学物理学和天文学教授莫赫·埃尔-纳加尔解释说："这两种微生物通过导电氧化还原蛋白质物理连接，形成功能完整的电路。整个系统就像一个生物电池，其中ANME充当负极产生电子，SRB充当正极接受电子。"

这种电子传递机制的发现填补了微生物电化学系统研究的重要空白。近年来，科学界对微生物燃料电池和生物电化学系统的研究日益深入，但海底环境中的自然电子传递网络此前一直缺乏直接测量数据。

电化学测量显示，这种微生物电路的电流密度可达每平方厘米数十微安，虽然数值看似微小，但考虑到海底环境的巨大面积，其累积效应对全球甲烷循环具有重要意义。研究团队发现，在最佳条件下，这些微生物聚集体可以消耗高达90%的向上渗透甲烷。

测量技术的突破

此次研究的技术突破在于开发出能够在模拟海底环境条件下测量微生物间电子流的方法。研究主要作者余航，现任北京大学助理教授，在加州理工学院攻读博士学位时开始这项研究，历时九年才实现技术突破。

"最大的挑战是如何在不破坏微生物聚集体结构的情况下插入电极，"余航说道。"这些微生物形成的聚集体直径只有几十微米，我们需要开发出微米级的电极阵列来测量其内部的电流分布。"

研究团队还采用了同位素标记技术来追踪甲烷的代谢路径，结合拉曼光谱和荧光显微镜技术来观察微生物的实时活动。这种多技术融合的方法首次提供了微生物电路工作的完整图像。

与传统的基因组学和蛋白质组学研究不同，电化学测量能够实时监测微生物的代谢活动，为理解这些古老生物的现代生态功能提供了新的视角。加州理工学院的维多利亚·奥尔芬教授指出："这种直接测量方法让我们看到了微生物世界中真正的'电气化'程度。"

对气候变化模型的影响

这一发现对全球甲烷循环的理解具有重要意义。根据最新的政府间气候变化专门委员会报告，甲烷的温室效应是二氧化碳的25倍，而海底甲烷渗漏是大气甲烷的重要来源之一。当前气候模型中，海底微生物甲烷氧化的效率参数主要基于间接估算，缺乏精确的量化数据。

2024年《自然》杂志发表的研究显示，北极地区的甲烷释放正在加速，海底永久冻土层的融化可能释放大量储存的甲烷。在这种背景下，理解自然甲烷过滤系统的工作机制变得更加紧迫。

研究团队的电化学测量数据表明，海底微生物过滤系统的效率受到温度、压力和营养物质浓度的显著影响。在全球变暖的情况下，海水温度上升可能会改变这些微生物的活性，进而影响其甲烷消耗能力。

马克斯普朗克海洋微生物研究所的合作者通过生态位模型预测，如果海水温度上升2摄氏度，某些区域的微生物甲烷氧化效率可能下降30%，这将导致更多甲烷进入大气，形成正反馈循环。

未来应用前景

这一基础研究的发现为甲烷减排技术开发提供了新思路。研究团队正在探索将这种微生物电路系统应用于人工甲烷处理的可能性。初步实验显示，在实验室条件下培养的微生物聚集体能够在生物反应器中有效处理甲烷。

"我们设想建造类似于污水处理厂的微生物甲烷处理设施，"埃尔-纳加尔教授说道。"这些设施可以部署在天然气开采现场或垃圾填埋场，利用微生物电路系统将甲烷转化为电能或其他有用产品。"

除了直接应用，这一发现还为合成生物学提供了新的设计原理。科学家们正在研究如何通过基因工程改造微生物，提高其电子传递效率或扩展其底物范围。理论上，类似的微生物电路系统可以用于处理其他温室气体或有害化合物。

另一个潜在应用是在深海资源开发中减少环境影响。海底采矿和石油开采活动经常扰动海底沉积物，释放储存的甲烷。通过在开采区域部署微生物过滤系统，可以在源头减少甲烷排放。

当前的技术挑战包括如何在大规模应用中维持微生物的活性和稳定性，以及如何优化反应器设计以最大化电子传递效率。研究团队正在与工程师合作，开发适用于不同环境条件的微生物电路系统原型。

这项历时十年的跨学科研究展示了基础科学研究的长期价值。正如奥尔芬教授所说："我们对依赖的微生物生态系统仍有很多需要学习的地方。这一发现提醒我们，即使在最偏远的地方，微生物也在以复杂的方式影响着行星尺度的过程。"

随着测量技术的进一步发展和更多海底样本的分析，科学家们有望更深入地理解这些微观生物电路网络如何调节地球的化学循环，为应对气候变化提供更多基于自然的解决方案。

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