地下细菌为产甲烷微生物提供酒精

许多生活在地球表面下的微生物将甲醇代谢为天然气甲烷，但其来源一直不明确。研究发现，某些细菌将甲酸分子转化为甲醇，并将其转移给代谢甲烷的古菌。这种微生物之间的甲醇代谢转移此前从未被报道过。

这是对Huang, Y.等人研究的总结：甲醇转移支持细菌和古菌之间的代谢共生关系。Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08491-w (2025)。

问题

在地球表面下，缺乏氧气和营养物质的环境中，微生物合作将埋藏的有机物质分解为天然气，主要是甲烷1。这一过程的机制以及这些生物如何更广泛地参与碳流动仍不清楚。了解这些因素可能为未来控制和增强地下生物天然气生产的努力提供信息——这项技术被称为微生物增强能源回收2–4。我们研究了一组在地球表面下广泛存在但在甲烷生成模型中基本被排除的微生物——甲基营养型产甲烷菌。这些古菌将甲醇和其他含有甲基化学基团的化合物转化为甲烷。然而，地下甲醇的来源5以及甲基营养型产甲烷菌如何参与天然气生产和碳流动尚不清楚。

发现

我们假设地下生物可能从甲酸——另一种常见的地下单碳化合物——生成甲醇。热力学计算表明，将甲酸转化为甲醇的生物需要与使用甲醇的生物建立密切的伙伴关系（共生），涉及代谢相互作用（共生关系）。我们使用基因表达分析和基于同位素的代谢物追踪来研究地下微生物将甲酸转化为甲醇的过程及其驱动途径。我们还通过监测新鲜地下样品中的甲酸摄取和代谢，并调查从各种环境中获得的集体基因序列（宏基因组）的公共数据库，探索了自然环境中甲醇的生成和共生甲醇转移。

我们从地下油藏中分离出一种名为Zhaonella formicivorans的细菌，并发现将其与甲酸一起培养时会产生甲醇。甲酸消耗和甲醇生成的比例与预测一致，但在少量甲醇积累后代谢停止（图1a）。然而，当与甲基营养型产甲烷菌Methermicoccus shengliensis共同培养时，Z. formicivorans对甲酸的降解直接与产甲烷菌的甲烷生成耦合（图1b）。我们证明了甲醇从细菌转移到产甲烷菌，这在热力学上可定义为一种新的共生模式：种间甲醇转移。我们使用遗传和代谢物追踪数据重建了细菌如何将甲酸转化为甲醇和二氧化碳。该过程涉及一个先前未报道的“甘氨酸-丝氨酸循环”，该循环与三羧酸循环有许多共同特征——三羧酸循环是一组在许多细胞过程中起核心作用的反应，包括呼吸细胞中的能量生产和细胞构建块（如氨基酸）的合成。

图1 | 微生物伙伴在甲烷生产中使用甲酸。a，细菌Zhaonella formicivorans从甲酸生产甲醇。重复实验用不同符号表示，线条连接其平均值。b，当Z. formicivorans和古菌Methermicoccus shengliensis与甲酸一起培养时，细菌将甲酸转化为甲醇，然后将其转移给古菌代谢生成甲烷（CH4）。空符号表示不含甲酸的重复实验。CO2，二氧化碳；H2O，水。

意义

据我们所知，这种代谢代表了第一个已知的以甲醇为主要代谢产物的生物反应。此前，细菌和古菌之间的共生关系被认为仅通过氢、甲酸和电子的转移连接；因此，甲醇的转移代表了一种先前未描述的关系。这些发现极大地改变了我们对甲基营养型产甲烷菌在地下甲烷生产和地下碳循环中作用的理解。从能源角度来看，这种相互作用可能为增强或控制天然气生产提供新的目标。鉴于甲烷是一种强效温室气体，对地下碳流动的更深入了解也可能为更精确预测全球甲烷排放如何影响气候变化提供信息。

尽管我们的工作展示了一对地下生物之间的甲醇转移，但尚未显示其他微生物对是否参与类似的相互作用。与其他共生模式相比，甲醇转移对碳通量的相对贡献也尚未解决。同样，我们仍然不知道除了这里描述的细菌和代谢途径外，是否还有其他地下甲醇来源。

我们下一步的目标是探索环境中甲醇生成的广度和多样性，并量化其对全球碳循环的贡献。我们希望揭示甲醇驱动的生态过程将引导我们走向创新的能源回收策略。——黄岩在中国成都农业农村部沼气研究所工作，Masaru K. Nobu在日本横须贺的日本海洋地球科学技术机构（JAMSTEC）工作。

专家意见

作者描述了一种先前未知的由甲醇介导的细菌Zhaonella formicivorans和甲基营养型古菌Methermicoccus shengliensis之间的共生关系。他们描述了这种单碳醇——其在这些环境中的存在和起源长期以来一直存在争议——如何促进代谢物的交换，从而有助于油藏中的碳循环。这篇论文增加了我们对代谢相互作用和微生物生态学的理解。——Pablo Ivan Nikel在丹麦Kongens Lyngby的诺和诺德基金会生物可持续性中心工作。

论文背后

这项研究始于2017年，是中国和日本的微生物培养和共生专家之间的合作。我前往日本研究我们团队最近培养的地下生物驱动的碳流动。偶然间，我们发现了一种产生甲醇的细菌——但其基因组中没有代谢途径的痕迹。几周来，我们筛选了细菌的基因表达数据，最终意识到该生物可能通过三碳中间体代谢单碳化合物。重新审视数据后，一切都吻合——碳流动、电子转移和热力学都一致。这一认识缓解了我在COVID-19大流行期间完成博士学位的压力。更令人兴奋的是，我们发现了这种途径在细菌内部运行的化学证据。我们渴望看到这种不寻常的代谢和共生关系如何激发碳流动研究的新方向。——Y.H.

编辑评论

目前有三种已记录的微生物共生模式，但作者在这里描述了第四种：利用甲酸的细菌和甲基营养型古菌共培养生成甲醇。他们描述了一种微生物如何从甲酸生成甲醇，而其古菌伙伴如何从甲醇生成甲烷。这项工作提出了一种新的微生物关系，并强调甲醇不仅仅是微生物代谢的碳源。——George Caputa，Nature高级编辑。