微生物温室期通过甲烷支撑湖泊食物网并减缓气候变暖

众所周知，生物通过光合作用捕获二氧化碳和太阳光为食物网提供碳和能量，从而支撑着地球生态系统的高效运转。这就是大家熟知的“万物生长靠太阳”。然而，当地球变暖时，聪明的微生物不满足于这项司空见惯的本领而能独辟蹊径，通过利用丰富的甲烷来支撑湖泊食物网，并减缓全球变暖。

近日，中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室谢树成院士领导的团队在国际期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表题为《白垩纪温室世界甲烷为湖泊浮游食物网添加燃料》的研究成果，发现在1.2亿年前的白垩纪温室期，湖泊里的产甲烷菌制造了十分丰富的甲烷，这些甲烷又被另外一些叫做甲烷氧化菌的微生物所利用，一些动物又以这些甲烷氧化菌为食，使得甲烷的碳和能量最终能输送到生态系统食物链的上层营养级，摸不着看不见的甲烷菌控制着湖泊食物网结构的重大变化。

研究团队聚焦我国西北地区的白垩纪湖相沉积，通过检测不同生物来源的分子化石碳同位素组成，发现在约1.2亿年前白垩纪大洋缺氧事件（OAE1a）发生时（以高温和高大气CO₂浓度为特征），产甲烷菌和甲烷氧化菌（丰度高达所有产藿类细菌的87%）都发生了大规模的扩张，湖泊微生物显著增强了CH₄循环。浮游动物纤毛虫通过捕食甲烷氧化菌（高达食物来源的47%），将大量CH₄衍生的碳和能量转移到食物链的更高营养级，并在湖泊化学跃层位置构成重要的CH₄汇。研究表明，随着地球变暖，微生物驱动CH₄循环的加剧，可以重构湖泊食物网，从根本上改变湖泊生态系统中的碳和能量流动以及营养方式。同时，这个生态过程扮演着CH₄温室气体“过滤器”的作用，降低CH₄向大气里的释放，从而减缓气候变暖。

图1 湖泊生态系统不同生物来源的分子化石碳同位素组成。产甲烷菌产生富¹³C的CO₂进入自生白云石（δ¹³C高达+12‰），贫¹³C的CH₄被甲烷氧化菌消耗（藿烷δ¹³C低至-82‰）。甲烷氧化菌进一步被纤毛虫捕食，后者产生的伽马蜡烷δ¹³C低至-54‰。

这项研究对理解当前全球变暖情景下湖泊CH₄循环及其生态功能具有重要意义。当今气候变暖和土地利用变化，导致湖泊广泛脱氧和富营养化，温室气体CH₄排放的增加将起到正反馈作用。这项地质记录的证据表明，甲烷氧化菌和浮游食物网的消耗是湖泊水柱中关键的CH₄汇，可以缓解这一正反馈过程，从而减缓全球变暖。除了发现CH₄的碳通过微生物传递到动物以外，谢树成团队还曾在Nature子刊上报道了CH₄的碳通过微生物作用传递到湿地植物上的现象。这些工作都体现了微生物与宏体生物之间的相互作用对CH₄循环的重要性。因此，未来的工作不仅应探索CH₄通量的变化，还应探索这些生态系统营养关系对环境变化的脆弱性，以便更好地理解温室气体、生态危机与全球气候变化之间的复杂关系。

图2 白垩纪由CH₄（左）和非CH₄（右）支撑的湖泊生态系统示意图

中国地质大学（武汉）孙福宁博士后为论文第一作者，谢树成院士和罗根明教授为通讯作者，共同作者包括英国布里斯托大学Richard Pancost教授、中国地质大学（武汉）陈中强教授、王红梅教授，以及博士生董正坤和李志国。研究得到了国家自然科学基金委重大项目、重点项目和青年项目、“111计划2.0”项目、“博新计划”、博士后基金面上项目等资助。

第一作者简介：孙福宁，现为中国地质大学（武汉）博士后（合作导师谢树成院士）。研究聚焦甲烷温室气体，阐述地质微生物对地球重大环境转型的影响，研究成果以第一作者在PNAS、NC、Geology、GSA Bulletin等高影响力期刊发表，入选全国博士后创新人才支持计划，获得湖北省博士后创新研究岗位资助，主持国家自然科学基金青年项目1项、博士后基金面上项目1项。

论文信息：Sun F., Luo G., Pancost R. D., Dong Z., Li Z., Wang H., Chen Z.-Q., Xie S. 2024. Methane fueled lake pelagic food webs in a Cretaceous greenhouse world. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121, e2411413121.

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2411413121