甲烷是一种强温室气体，在地球气候中起着关键作用。每当我们使用天然气时，无论是点燃厨房炉灶还是烧烤，我们都在使用甲烷。
地球上只有三个来源会自然产生甲烷：火山、地下水-岩石相互作用和微生物。在这三个来源中，大部分是由微生物产生的，微生物已将数百亿吨甲烷沉积到深海海底。在海底甲烷渗漏处，它向上渗透到开阔的海洋，微生物群落在它到达大气之前消耗掉了大部分甲烷。多年来，研究人员在海底下发现了越来越多的甲烷，但很少有甲烷离开海洋进入大气。剩下的去哪儿了?
由哈佛大学有机与进化生物学前博士后研究员 Jeffrey J. Marlow 领导的一组研究人员发现了快速消耗甲烷的微生物群落，防止其逃逸到地球大气中。发表在《美国国家科学院院刊》上的这项研究收集并检查了来自 7 个地质不同的海底渗漏中的以甲烷为食的微生物，最令人惊讶的是，最令人惊讶的是，来自一个地点的碳酸盐岩中含有甲烷氧化微生物群落的比例最高。迄今为止测量的甲烷消耗量。
“这些碳酸盐岩中的微生物就像一个甲烷生物过滤器，在它们离开海洋之前将其全部消耗掉，”哈佛大学有机与进化生物学教授、资深作者彼得·吉尔吉斯说。几十年来，研究人员一直在研究生活在海底沉积物中的微生物，并且知道这些微生物正在消耗甲烷。然而，这项研究非常详细地检查了在碳酸盐岩中茁壮成长的微生物。
海底碳酸盐岩很常见，但在特定地点，它们会形成不寻常的烟囱状结构。这些烟囱高达 12 到 60 英寸，沿着海底成群结队地被发现，就像一排树木。与许多其他类型的岩石不同，这些碳酸盐岩是多孔的，形成的通道是非常密集的消耗甲烷微生物群落的家园。在某些情况下，这些微生物在岩石中的密度比在沉积物中的密度高得多。
在 2015 年由海洋探索信托基金资助的一次探险中，吉尔吉斯在加利福尼亚州南部海岸的深海地点 Point Dume 发现了一个碳酸盐烟囱礁。吉尔吉斯于 2017 年返回美国宇航局资助建造海底天文台。在加入 Girguis 的实验室后，现任波士顿大学生物学助理教授的 Marlow 正在研究碳酸盐中的微生物。两人决定进行社区研究并从现场收集样本。
“与沉积物中的微生物相比，我们测量了碳酸盐中的微生物吃甲烷的速度，”吉尔吉斯说。“我们发现生活在碳酸盐岩中的微生物消耗甲烷的速度比沉积物中的微生物快 50 倍。例如，我们经常看到来自富含甲烷的泥火山的一些沉积物微生物在吃甲烷时可能快五到十倍，但 50快几倍是一个全新的事物。此外，这些比率是最高的，如果不是最高的，我们在任何地方都进行过测量。”
“这些甲烷氧化或消耗的速度确实非常惊人，我们着手了解原因，”马洛说。
研究小组发现，碳酸盐烟囱为微生物提供了一个理想的家园，可以非常快地吃掉大量甲烷。“这些烟囱的存在是因为从地下流出的流体中的一些甲烷被微生物转化为碳酸氢盐，然后碳酸氢盐可以作为碳酸盐岩从海水中沉淀出来，”马洛说。“我们仍在试图弄清楚这种流体——以及它的甲烷——是从哪里来的。”
由于其多孔性质，碳酸盐内的微环境可能含有比沉积物更多的甲烷。碳酸盐具有不断用新鲜甲烷和其他营养物质灌溉微生物的通道，使它们能够更快地消耗甲烷。在沉积物中，甲烷的供应通常是有限的，因为它通过矿物颗粒之间较小的蜿蜒通道扩散。
一个惊人的发现是，在某些情况下，这些微生物被黄铁矿包围，黄铁矿是导电的。对甲烷消耗率高的一种可能解释是，黄铁矿提供了一个电子管道来回传递电子，使微生物具有更高的代谢率并快速消耗甲烷。
“这些非常高的速率是由这些碳酸盐促进的，这些碳酸盐为微生物的生长提供了框架，”吉尔吉斯说。“该系统类似于一个市场，在那里碳酸盐允许一群微生物聚集在一个地方并生长和交换——在这种情况下，交换电子——这允许更多的甲烷消耗。”
马洛同意，“当微生物一起工作时，它们要么交换碳或氮等结构单元，要么交换能量。一种方法是通过电子，就像一种能源货币。黄铁矿散布在这些碳酸盐中岩石可以帮助电子交换更迅速、更广泛地发生。”
在实验室中，研究人员将收集到的碳酸盐放入高压反应器中，并在海底重建条件。他们给他们添加了碳 14 或氘(氢 2)的同位素标记的甲烷，以跟踪甲烷的生产和消耗。该团队接下来将 Point Dume 的数据与另外六个地点(从墨西哥湾到新英格兰海岸)的数据进行了比较。在所有地点，甲烷渗漏处的碳酸盐岩都含有以甲烷为食的微生物。
“接下来我们计划解开碳酸盐的这些不同部分——结构、电导率、流体流动和密集的微生物群落——是如何使这成为可能的。截至目前，我们不知道每个部分的确切贡献，”吉尔吉斯说。
“首先，我们需要了解这些微生物如何维持其代谢率，无论它们是在烟囱中还是在沉积物中。我们需要在不断变化的世界中了解这一点，以建立我们的预测能力，”马洛说。“一旦我们弄清了这些相互关联的因素如何结合在一起将甲烷转化为岩石，我们就可以问我们如何将这些厌氧的以甲烷为食的微生物应用于其他情况，例如有甲烷泄漏的垃圾填埋场。”
