真光層海水過飽和甲烷的來源及機(jī)制探討

張亭亭，梁前勇，趙靜，肖曦，董一飛，郭斌斌，鐘超，吳學(xué)敏，楊林

1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510075

2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物工程技術(shù)中心，廣州 510075

甲烷是大氣重要的溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的28倍，可直接或間接地影響全球氣候，對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)約占20%[1]。海洋是一個(gè)極其龐大的甲烷庫，據(jù)估計(jì)海洋每年產(chǎn)生的甲烷量約占全球甲烷產(chǎn)生總量的30%[2-3]，對(duì)大氣甲烷的貢獻(xiàn)可達(dá)2%～4%[4]。目前普遍認(rèn)為甲烷主要由厭氧微生物產(chǎn)生，因此，對(duì)海洋甲烷循環(huán)的研究主要集中于厭氧沉積物中[3]。此外，真光層海水中也普遍存在高濃度甲烷現(xiàn)象，如黑海[5]，波羅的海[6]、北極水域[7]等（表 1），并且部分海域的大洋區(qū)、陸架斜坡區(qū)和海灣區(qū)的真光層甲烷濃度都依次處于不同程度的過飽和狀態(tài)[8]。海洋天然氣水合物區(qū)真光層也存在甲烷異?，F(xiàn)象，例如對(duì)南海北部陸坡天然氣水合物區(qū)海水甲烷分布連續(xù)5年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分季節(jié)真光層海水甲烷濃度可高達(dá)20～30 nm·L-1[9]。由于真光層海水甲烷非常接近海氣界面，甲烷氧化和擴(kuò)散過程并不明顯，可直接擴(kuò)散到大氣中[10-11]，因此，真光層海水過飽和甲烷可能是引起大氣甲烷含量變化的直接因素，是導(dǎo)致全球氣候變暖的重要推手。

真光層是浮游植物進(jìn)行有效光合作用的水層，其深度主要取決于海域的緯度、季節(jié)和海水的混濁度，在混濁的近岸海域，深度僅有數(shù)米；在透明度較大的熱帶海區(qū)，深度可達(dá)200 m以上。真光層相對(duì)于大氣中的氧氣是飽和或者稍微過飽和，并不利于厭氧微生物生成甲烷，這種尚未解釋的海水甲烷過飽和現(xiàn)象被稱為“海洋甲烷相悖論”[12-13]。很多研究者對(duì)真光層海水過飽和甲烷的來源機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，相比于厭氧沉積物，真光層海水甲烷的來源更為復(fù)雜，可能受水動(dòng)力、化學(xué)生物等多種因素共同影響，并可能衍生出新的產(chǎn)甲烷代謝類型與機(jī)制。本文綜合前人研究成果對(duì)真光層海水過飽和甲烷產(chǎn)生的來源進(jìn)行梳理，并對(duì)遠(yuǎn)洋海域原位微生物可能參與的甲烷代謝機(jī)制進(jìn)行探討，希望為天然氣水合物試采與開發(fā)時(shí)的基礎(chǔ)環(huán)境評(píng)價(jià)提供借鑒，為了解海水甲烷對(duì)大氣甲烷通量和全球變化的貢獻(xiàn)提供理論依據(jù)。

1 真光層海水過飽和甲烷的來源

1.1 海底沉積物甲烷泄漏并運(yùn)移到海水真光層

海底含有豐富的甲烷庫，其以溶解態(tài)、氣態(tài)或固態(tài)（天然氣水合物）形式存在。此外，海底每年還產(chǎn)生85～300 Tg甲烷，大于90%的甲烷在排放到水圈之前都被微生物介導(dǎo)的甲烷厭氧氧化過程所消耗[3,14]，所以一般海底甲烷泄漏量較小。然而，海底天然氣水合物受到擾動(dòng)或冷泉等特殊生態(tài)系統(tǒng)仍會(huì)釋放出大量的甲烷，例如，調(diào)查發(fā)現(xiàn)天然氣水合物鉆探后，有大量氣泡從廢井冒出，并形成甲烷氣體羽流[15]。在冷泉系統(tǒng)中，由于甲烷大量高速運(yùn)移，其氧化效率較低，大量甲烷以溶解態(tài)或氣態(tài)形式從沉積物中溢出，其中，溶解甲烷流出量范圍可達(dá)1～1 200 mmol·m-2·d-1，在部分高流速冷泉環(huán)境中，每年每千米的甲烷流出量可達(dá)數(shù)千噸碳；氣體甲烷還可能在冷泉上方形成氣體羽流，部分羽流每年可以釋放 10～100 t碳[16]。

從沉積物溢出水圈的甲烷是否能夠到達(dá)真光層受區(qū)域性海水深度影響極大[17-18]。在較淺的水域中，甲烷氧化屏障較小，大部分甲烷從沉積物運(yùn)輸?shù)剿w表層[19-21]，例如，在北極洋西伯利亞東部水深50 m的大陸架區(qū)域，底層甲烷向上運(yùn)移直接導(dǎo)致大面積表層海水的甲烷過飽和[22]；然而，通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，在水深2 000 m的海底，即使有1 000個(gè)泥火山同時(shí)噴發(fā)甲烷（甲烷量為179 Tg·d-1），表層海水甲烷含量變化仍非常小[23]。由此推測(cè)，在較深的水域中，大部分甲烷被氧化或被密度躍層阻擋難以到達(dá)真光層。因此，真光層海水過飽和甲烷可能來源于海底沉積物（包括冷泉）的向上運(yùn)移（圖1），但此過程受區(qū)域海水深度、微生物氧化和密度躍層的影響較大[23-25]。

1.2 富甲烷河流輸入導(dǎo)致海水真光層甲烷富集

在近岸海域，甲烷主要產(chǎn)生于河流富含有機(jī)質(zhì)的厭氧沉積物中，隨著河流沖淡水向海洋的入侵，由于貧甲烷海水的稀釋、海氣界面甲烷擴(kuò)散作用、鹽度/硫酸鹽的升高導(dǎo)致甲烷的產(chǎn)生升高/氧化降低等因素影響[26]，真光層甲烷濃度從沿岸到外海呈現(xiàn)逐漸降低的舌狀分布[27-28]，例如從珠江口到南海北部，珠江口高濃度甲烷的影響可延伸到70 km之外[26]。由此推測(cè)，海水真光層過飽和甲烷可能來源于河流的輸入，但此來源可能僅僅局限于離海岸較近的區(qū)域（圖1）。

1.3 真光層海水原位生物作用導(dǎo)致甲烷的產(chǎn)生

對(duì)海洋和深湖寬闊的水域研究發(fā)現(xiàn)，真光層水體過飽和的甲烷不能單獨(dú)由海底或鄰近河流供給[33-35]，隨著與海岸的距離越來越遠(yuǎn)，甲烷濃度可能由外海的原位生物主導(dǎo)（圖1）[26]。

1.3.1 產(chǎn)甲烷古菌介導(dǎo)甲烷產(chǎn)生

產(chǎn)甲烷古菌是甲烷代謝微生物的主要類群，也是目前研究最清楚的產(chǎn)甲烷微生物之一。它們是一組嚴(yán)格的厭氧微生物，幾乎都存在于所有類型的厭氧環(huán)境中[36-39]。那么產(chǎn)甲烷古菌如何在真光層海水中介導(dǎo)甲烷的產(chǎn)生？碳穩(wěn)定同位素分析表明，它們可能存在于真光層海水的缺氧微環(huán)境中[40-41]，如懸浮物[42]或下沉碎屑顆粒內(nèi)部[43-44]、魚等浮游動(dòng)物的消化道或糞粒中[45-49]。最近，Schmale等[30]研究發(fā)現(xiàn)，波羅的海含氧層的甲烷富集與中型浮游生物內(nèi)

產(chǎn)甲烷古菌有關(guān)。然而，在培養(yǎng)過程中獲得的甲烷產(chǎn)出率太低，仍無法解釋有氧層甲烷形成的原因。

表1 真光層海水甲烷過飽和現(xiàn)象的實(shí)例Table 1 Examples of methane supersaturation in euphotic zone of the ocean

圖1 真光層海水過飽和甲烷可能的來源Fig.1 The possible sources of oversaturated methane in euphotic zone of the ocean

另一方面，產(chǎn)甲烷古菌也可存在于多種有氧環(huán)境中，且具有代謝活性[49-53]（表2）。例如，通過16S rRNA基因序列的多元分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷古菌類群Methanocellales, Methanomicrobiales和Methanosarcinales可存活在有氧環(huán)境中[54]。綜合多個(gè)研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)甲烷古菌的3種代謝類型（氫營(yíng)養(yǎng)型、甲基營(yíng)養(yǎng)型和乙酸營(yíng)養(yǎng)型[55]）都可能參與有氧水體中甲烷的產(chǎn)生[49,52,56-57]（表2），產(chǎn)甲烷古菌主要附著在藻類上與其共生，藻類為產(chǎn)甲烷古菌提供低氧環(huán)境和產(chǎn)甲烷底物[52]。例如，藻類可產(chǎn)生甲基型產(chǎn)物（如甲胺和二甲基硫化物），藍(lán)藻還可以通過夜間固氮活動(dòng)產(chǎn)生氫氣[58]，這都是產(chǎn)甲烷古菌參與甲烷生成時(shí)的重要底物。因此，真光層海水中的產(chǎn)甲烷古菌能夠進(jìn)行產(chǎn)甲烷代謝，它們可能存在于微厭氧環(huán)境中，也可能需要與藻類共同作用。

表2 存活于有氧環(huán)境下產(chǎn)甲烷古菌類群Table 2 The surviving methanogenic archaeal communities in oxic environments

1.3.2 細(xì)菌介導(dǎo)甲烷的產(chǎn)生

隨著研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)甲烷古菌并不是唯一的產(chǎn)甲烷生物，例如陸地植被、真菌和哺乳動(dòng)物也可能在沒有產(chǎn)甲烷古菌且有氧條件下產(chǎn)生甲烷[61-66]，這打破了甲烷產(chǎn)生僅能由古菌介導(dǎo)的傳統(tǒng)觀念。在有氧水體中，細(xì)菌利用其高度的變異性，極有可能突破環(huán)境的限制產(chǎn)生甲烷，并衍生出新的產(chǎn)甲烷方式。例如，細(xì)菌可能以二甲基巰基丙酸內(nèi)鹽（DMSP）等甲基化合物為前體參與真光層海水甲烷產(chǎn)生。DMSP是海洋淺表層豐富的甲基化底物，由海洋浮游植物產(chǎn)生，是異養(yǎng)細(xì)菌的主要碳源[67]。在部分甲烷過飽和海域，DMSP與甲烷含量存在明顯的耦合關(guān)系，由此推測(cè)，由藻類提供的DMSP可能再次被細(xì)菌利用并產(chǎn)生甲烷[31,68]。通過培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，加入底物DMSP的培養(yǎng)瓶中甲烷的含量明顯增高，并且在此過程中細(xì)菌的豐度也大幅增加，且?guī)缀鯔z測(cè)不到古菌存在[69]，這驗(yàn)證了細(xì)菌以DMSP為底物介導(dǎo)甲烷產(chǎn)生的可能性。此外，DMSP的降解可形成DMS（二甲基硫）[70-71]，DMS的厭氧代謝可產(chǎn)生甲烷[72-73]，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)表層海水DMS也能增加甲烷產(chǎn)量[32]。對(duì)熱帶寡營(yíng)養(yǎng)西太平洋研究發(fā)現(xiàn)，DMSO（二甲基亞砜）與甲烷也存在正相關(guān)關(guān)系，DMSO也可能是甲烷產(chǎn)生的底物[68]。

磷酸酯（MPn）等有機(jī)磷酸化合物也可作為另一類甲烷產(chǎn)生前體。海洋浮游細(xì)菌以MPn作為磷源，而甲烷作為MPn分解的副產(chǎn)物[74]。且此代謝過程及其普遍，存在于許多微生物中[75]，例如，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，海洋α-變形菌門亞類群SAR11和假單胞菌屬等都能夠利用MPn產(chǎn)生甲烷[76-77]。海洋奇古菌Nitrosopumilus maritimus具有MPn生物合成的途徑[78]，且此古菌在海洋中的含量較為豐度[79-80]，這為MPn的物質(zhì)來源提供了保障。然而，自然條件下，并未在表層海水的顆粒物中檢測(cè)到MPn的存在[81-82]，這表明奇古菌在產(chǎn)生的MPn并不豐富[79,83]，或者M(jìn)Pn不能大量積累。并且，測(cè)量發(fā)現(xiàn)MPn產(chǎn)甲烷速率過低，無法解釋所觀察到的甲烷過飽和現(xiàn)象[84]。隨后，Repeta等[85]研究表明除了MPn，降解磷酸酯（Phn）也能導(dǎo)致甲烷的形成。雖然已知許多生物體可產(chǎn)生Phn[86]，但是并非Phn降解都能產(chǎn)生甲烷[87]，Phn的降解對(duì)真光層海水甲烷的貢獻(xiàn)量仍然值得進(jìn)一步探索。

1.3.3 藻類參與甲烷的產(chǎn)生

早有研究者提及甲烷原位產(chǎn)生可能與海洋藻類有關(guān)[88-89]，隨后研究也表明，甲烷濃度與初級(jí)生產(chǎn)力、葉綠素a有顯著相關(guān)性[31,41,90]。藻類可能與細(xì)菌、產(chǎn)甲烷古菌協(xié)同作用參與真光層海水甲烷產(chǎn)生，由藻類產(chǎn)生DMSP、H2等底物，而細(xì)菌、產(chǎn)甲烷古菌利用這些底物介導(dǎo)甲烷產(chǎn)生[7,31,52,69]。此外，藻類也可能自身直接參與甲烷代謝，例如，藍(lán)藻能夠利用MPn獲取磷，并釋放副產(chǎn)物甲烷[87]；在無產(chǎn)甲烷古菌的環(huán)境中，藻類能以碳酸氫鹽和硫代甲基化合物作為碳前體直接產(chǎn)生甲烷[90]。因此，藻類可能與細(xì)菌、產(chǎn)甲烷古菌協(xié)同作用間接產(chǎn)甲烷，也可能直接產(chǎn)甲烷。

1.4 真光層海水非生物作用導(dǎo)致甲烷產(chǎn)生

在無生物作用下，光或氧化劑（如鐵礦物質(zhì)）可降解蛋白質(zhì)、丙酮或抗壞血酸，產(chǎn)生并釋放甲烷[91-93]；有機(jī)硫化物也可在高氧條件下被鐵（II/III）轉(zhuǎn)化為甲烷[92]。因此推測(cè)，非生物作用可能也會(huì)引起真光層海水甲烷的產(chǎn)生。通過培養(yǎng)表層海水進(jìn)一步證明發(fā)現(xiàn)，排除微生物影響后，DMS等有機(jī)化合物可以通過光化學(xué)途徑產(chǎn)生甲烷[94]，這表明在真光層海水中可能存在非生物引起的甲烷產(chǎn)生過程。然而，自然海水環(huán)境中的DMS含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)中添加的DMS濃度，在沒有甲基自由基前體的情況下，甲烷的光生成作用幾乎檢測(cè)不到，在現(xiàn)今的海洋中甲烷的光化學(xué)形成微乎其微[93]。因此，真光層海水中，非生物作用可能導(dǎo)致甲烷的產(chǎn)生，但其影響極小。

1.5 真光層海水過飽和甲烷現(xiàn)象形成的影響因素

真光層海水過飽和甲烷現(xiàn)象產(chǎn)生受甲烷形成因素和消耗因素共同作用。首先，真光層過飽和甲烷形成受區(qū)域性變化影響，在離海岸較近、深度較淺的海域，真光層海水甲烷可能來源于沉積物、冷泉或鄰近河流，它們通過垂直或水平運(yùn)移到達(dá)真光層；而對(duì)于遠(yuǎn)洋海域，甲烷可能受原位生物影響。此外，季節(jié)性變化是導(dǎo)致甲烷過飽和另一個(gè)重要因素，很多研究表明夏季更易出現(xiàn)有氧水體甲烷過飽和現(xiàn)象[30-31,95]。營(yíng)養(yǎng)鹽變化對(duì)甲烷過飽和也有重要影響，營(yíng)養(yǎng)鹽貧乏可能刺激甲烷產(chǎn)生，例如，西弗拉姆海峽由于具有寡營(yíng)養(yǎng)的極地水域輸入，藻類大量勃發(fā)，從而導(dǎo)致甲烷產(chǎn)生并富集[7]；Karl等[74]認(rèn)為磷酸鹽缺乏的水域，細(xì)菌可利用MPn產(chǎn)生甲烷；而Damm等[69]認(rèn)為寡硝酸富磷酸的水域有利于提高細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)磷酸鹽的能力，并促進(jìn)甲烷產(chǎn)生。然而，F(xiàn)lorez-Leiva等[32]研究富營(yíng)養(yǎng)的沿海上升流發(fā)現(xiàn)，表層海水即使富含硝酸和磷酸，也可產(chǎn)生甲烷。因此，真光層過飽和甲烷現(xiàn)象的形成受區(qū)域、季節(jié)、營(yíng)養(yǎng)鹽等多種因素控制。

甲烷氧化是平衡海水甲烷過飽和狀態(tài)的重要途徑，也是一種調(diào)節(jié)甲烷從海水到大氣通量的機(jī)制[96]。研究表明，當(dāng)海水甲烷濃度達(dá)到一定閾值時(shí)，甲烷開始消耗[31]，甲烷氧化速率與甲烷和氧氣濃度正相關(guān)[97]。然而，甲烷的總氧化率仍較低，僅占甲烷總初級(jí)產(chǎn)量的1.5%[96]，Tang等[57]與Murase和Sugimoto[98]認(rèn)為可能是光照作用抑制了甲烷氧化；同時(shí)，Grossart等[52]通過分子標(biāo)記方法發(fā)現(xiàn)甲烷氧化菌僅存在于溫躍層以下的水體中，真光層甲烷氧化菌的缺失可能進(jìn)一步降低了甲烷氧化效率。此外，甲烷擴(kuò)散也是消耗真光層甲烷重要途徑，但是其效率也非常低[29]。因此推測(cè)，甲烷氧化和擴(kuò)散對(duì)真光層海水甲烷影響較小，只需要向真光層提供少量的甲烷，就可以維持真光層甲烷過飽和狀態(tài)。

2 真光層海水原位微生物介導(dǎo)甲烷產(chǎn)生的代謝途徑

綜上，真光層海水過飽和甲烷可能來源于海底沉積物或河流，而對(duì)遠(yuǎn)洋海域，甲烷可能主要由原位微生物介導(dǎo)產(chǎn)生。那么，微生物如何在有氧真光層海水中產(chǎn)生甲烷？一種可能性是：主要由產(chǎn)甲烷古菌介導(dǎo)，它們依舊利用傳統(tǒng)的產(chǎn)甲烷途徑，存在于動(dòng)物腸道、顆粒物等微厭氧環(huán)境中，或者自身產(chǎn)生抵抗氧氣影響的能力[30,51-52]；另一種可能性是，主要由細(xì)菌介導(dǎo)，它們避開常規(guī)途徑所述的氧敏感酶的生物化學(xué)途徑，轉(zhuǎn)而使用新的產(chǎn)甲烷途徑（圖2）[7,10,95]。

在傳統(tǒng)產(chǎn)甲烷途徑中，碳載前體分子充當(dāng)電子受體，并轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物甲烷，此過程主要在產(chǎn)甲烷古菌細(xì)胞內(nèi)完成。產(chǎn)甲烷古菌通過產(chǎn)甲烷代謝獲取能量，其代謝類型可分為3種：CO2還原途徑、甲基裂解途徑和乙酸發(fā)酵途徑[99]。在CO2還原途徑中，CO2首先被還原為甲?；?CHO），并轉(zhuǎn)移到C1載體甲烷呋喃（MFR）上形成CHO-MFR。甲?；洲D(zhuǎn)移到第二個(gè)C1載體四氫甲基喋呤（H4MPT），并依次被還原為次甲基（≡CH）、亞甲基（=CH）和甲基（-CH3），甲基再次被轉(zhuǎn)移到第三個(gè)C1載體巰基輔酶M（HS-CoM），產(chǎn)甲烷的最后一步是產(chǎn)生最末端產(chǎn)物甲烷。在甲基裂解途徑中，甲基底物可包含甲醇（CH3OH）、甲氨（CH3NH2）、甲基硫（（CH3）2S）等，甲基底物中的甲基由甲基轉(zhuǎn)移復(fù)合體激活并轉(zhuǎn)運(yùn)到HS-CoM，形成CH3-S-CoM，最后轉(zhuǎn)化為甲烷。在乙酸發(fā)酵途徑中，乙酸可通過兩種途徑形成乙酰輔酶A（CH3COSCoA），之后乙酸上的羧基被氧化成CO2，乙酸中的甲基依次被轉(zhuǎn)移到C1載體四氫甲基喋呤（H4MPT）和巰基輔酶M（HS-CoM），最后還原形成CH4[100-101]。所有的產(chǎn)甲烷古菌產(chǎn)甲烷代謝途徑的最后一步都需要甲基輔酶M還原酶（Mcr）參與，此酶由 3 個(gè)亞基（α2β2γ2）和輔酶 F430組成[102]。此外，Mcr也是甲烷厭氧氧化的關(guān)鍵功能酶[103]，編碼Mcr α亞基的功能基因（mcrA）是研究產(chǎn)甲烷古菌多樣性的重要標(biāo)志物[104]。由于Mcr對(duì)有氧環(huán)境中的O2衍生物或活性氧（ROS）及其敏感[105]，因此，由此酶催化還原反應(yīng)必須在嚴(yán)格厭氧條件下進(jìn)行。然而，研究表明部分產(chǎn)甲烷古菌已演化出特定的功能來抵制氧氣的影響。例如，沙漠土壤中的Methanosarcina和Methanocella即使在含氧條件下也可以轉(zhuǎn)錄mcrA基因，同時(shí)轉(zhuǎn)錄氧解毒過氧化氫酶基因來抵抗氧氣影響[51]。因此，真光層海水的產(chǎn)甲烷古菌使用傳統(tǒng)產(chǎn)甲烷途徑代謝的同時(shí)，也可能轉(zhuǎn)錄抗氧基因，從而為產(chǎn)甲烷古菌在真光層合成甲烷提供前提條件。

細(xì)菌能夠參與甲烷產(chǎn)生，但仍缺少傳統(tǒng)產(chǎn)甲烷途徑中的關(guān)鍵功能酶（即輔酶M甲基轉(zhuǎn)移酶和甲基輔酶M還原酶）[95]，因此推測(cè)，細(xì)菌可能利用新的替代途徑產(chǎn)生甲烷。目前，研究較為普遍是C-S鍵裂解途徑和C-P鍵裂解途徑，這兩個(gè)過程分別需要對(duì)C-S鍵和C-P鍵進(jìn)行裂解[7,74]。在C-S鍵裂解途徑中，DMSP首先去甲基形成甲基巰基丙酸鹽，并轉(zhuǎn)移到C1載體巰基輔酶A（HS-CoA）上，依次轉(zhuǎn)化為甲基巰基丙酸輔酶A和甲硫基丙烯酰輔酶A，之后轉(zhuǎn)化為甲硫醇，并進(jìn)入甲基裂解途徑最終產(chǎn)生甲烷[10]。然而，最后一步的甲基還原過程仍需要對(duì)氧敏感的Mcr酶參與，對(duì)此，Damm等[7]通過理論模型研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌可通過代謝活動(dòng)維持細(xì)胞內(nèi)的厭氧環(huán)境，但此結(jié)果仍缺乏驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。在C-P鍵裂解途徑中，微生物首先分解MPn，并依次轉(zhuǎn)化為α-D-核糖-1-MPn-5-三磷酸和 α-D-核糖-1-MPn-5-磷酸，最終轉(zhuǎn)化為甲烷[10]。C-P鍵裂解酶對(duì)氧氣并不敏感，且此酶的Phn的操縱子廣泛存在于整個(gè)細(xì)菌結(jié)構(gòu)域中[75]，因此，此代謝過程及其普遍，可由多種細(xì)菌介導(dǎo)。此外，由于傳統(tǒng)產(chǎn)甲烷途徑中的大部分基因都可在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)，僅僅缺少部分關(guān)鍵酶，Tang等[10]和 Bi?i?-Ionescu等[95]推測(cè)存在另一種新的產(chǎn)甲烷途徑，此途徑可能包括一個(gè)去甲基化途徑，一個(gè)已知或新的C1-載體（如四氫葉酸或四氫甲烷），一個(gè)甲基轉(zhuǎn)移酶，一個(gè)甲基輔酶M類似物（如巰基丙酸）和一個(gè)甲基還原酶，這個(gè)過程最有可能直接作用于C1載體，但此產(chǎn)甲烷途徑是否存在仍需要大量實(shí)驗(yàn)證據(jù)驗(yàn)證。

圖2 真光層海水甲烷產(chǎn)生可能存在的代謝途徑（據(jù)文獻(xiàn)[95,10,106]修改）虛線藍(lán)框表示傳統(tǒng)產(chǎn)甲烷途徑，包括CO2還原途徑、甲基裂解途徑和乙酸發(fā)酵途徑；虛線紅框表示替代的新產(chǎn)甲烷途徑，包括C-S鍵裂解途徑，C-P鍵裂解途徑，以及以R-CH3為底物的假設(shè)途徑（紅色虛線箭頭）。每種代謝途徑的底物用紅色字體標(biāo)出。Fig.2 Possible methanogenesis metabolic pathways in ocean’s euphotic zone （modified from references [95,10,106])The dash blue box indicates the classical methanogenic pathways mediated by methanogenic archaea, including the CO2 reduction pathway, the methylation pathway and the acetate fermentation pathway; the dash red box indicates bacterial-mediated alternative new pathways, including cleavage pathway of the C-S bond, cleavage pathway of the C-P bond and hypothetical pathway with R-CH3 as a substrate （dash red arrows）.The substrates for each metabolic pathway are indicated in red.

3 結(jié)論與展望

真光層海水中普遍存在甲烷過飽和現(xiàn)象，由于接近大氣，真光層海水甲烷可能是引起大氣甲烷含量變化的直接因素，開展真光層甲烷的來源研究對(duì)評(píng)估甲烷及氣候的影響具有重要意義。綜合研究結(jié)果表明，真光層海水過飽和甲烷可能存在以下來源：①在離海岸較近、深度較淺的海域，真光層海水過飽和甲烷可能來源于沉積物、冷泉或鄰近河流；②對(duì)于遠(yuǎn)洋海域，甲烷可能產(chǎn)生于原位生物。產(chǎn)甲烷古菌和細(xì)菌可能是真光層甲烷產(chǎn)生的執(zhí)行者，它們利用藻類提供的H2、甲基化合物等為底物參與甲烷代謝；藻類可能是真光層海水甲烷產(chǎn)生的參與者，除了能為產(chǎn)甲烷古菌、細(xì)菌提供底物，自身也可能直接產(chǎn)生甲烷；③非生物作用也會(huì)產(chǎn)生甲烷，但其貢獻(xiàn)可能極低。此外，真光層海水過飽和甲烷的形成受區(qū)域、季節(jié)及營(yíng)養(yǎng)鹽變化的影響，同時(shí)受甲烷氧化和擴(kuò)散作用調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)洋海域真光層過飽和甲烷可能由原位微生物主導(dǎo)，由于常規(guī)產(chǎn)甲烷過程需要嚴(yán)格的厭氧條件，因而真光層海水甲烷產(chǎn)生的代謝機(jī)制有其特殊性，目前推測(cè)甲烷產(chǎn)生①可能由產(chǎn)甲烷古菌介導(dǎo)，它們利用常規(guī)的產(chǎn)甲烷途徑，存在于海水微厭氧環(huán)境，或自身形成抵抗氧氣影響的能力；②也可能由細(xì)菌介導(dǎo)，它們避開傳統(tǒng)的對(duì)氧敏感途徑，轉(zhuǎn)而使用替代的C-S鍵裂解途徑或C-P鍵裂解途徑產(chǎn)生甲烷。

即使真光層原位微生物能夠介導(dǎo)甲烷產(chǎn)生，但這些微生物的代謝過程以及對(duì)真光層海水甲烷的貢獻(xiàn)程度有待確定：①在產(chǎn)甲烷古菌介導(dǎo)的途徑中，由于海水古菌的豐度非常低，產(chǎn)甲烷古菌是否能夠維持真光層甲烷過飽和狀態(tài)？②在以降解DMSP為代表的C-S鍵裂解途徑中，細(xì)菌如何確保甲基輔酶M還原酶不受氧氣影響？③在以降解MPn為代表的C-P鍵裂解途徑中，海洋中是否有大量MPn底物來源？雖然細(xì)菌也可以Phn為底物，但未必Phn的降解都會(huì)導(dǎo)致甲烷產(chǎn)生，其對(duì)真光層甲烷的貢獻(xiàn)量是多少？此外，這些產(chǎn)甲烷路徑的詳細(xì)代謝步驟仍需進(jìn)一步研究，穩(wěn)定同位素示蹤和微生物純培養(yǎng)等技術(shù)是研究代謝通路的重要手段；明確過飽和甲烷形成的條件與規(guī)律，全方位探究真光層海水甲烷參與的生物地球化學(xué)循環(huán)，是評(píng)估真光層海水甲烷對(duì)全球氣候變化影響的重要條件。