海底突发甲烷渗漏？冷泉生物火速来“吞噬”！ | NSR封面论文

近日，由广州海洋地质调查局、上海交通大学、自然资源部第三海洋研究所、美国乔治亚大学等组成的国际联合科研团队，在海洋生态与碳循环研究领域取得重要进展。相关成果 “Rapid de novo assembly of animal-microbe biofilter to mitigate seabed methane leakage” 以封面论文形式发表在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

该研究基于长达六年的深海原位定点观测，首次完整记录了海底甲烷渗漏后，一个全新化能合成生态系统快速构建的全过程。研究表明，海底并不需要几十年甚至上百年才能形成有效减缓甲烷释放的防线，一个由动物和微生物密切协作、高效运转的“甲烷生物过滤器”仅需1-2年即可初步建立。同期发表由美国北卡罗莱纳大学教堂山分校Andreas Teske教授撰写的亮点评述指出，该研究改写了冷泉生态系统“慢车道生命”的传统认知。

海底“甲烷生物过滤器”形成之谜

海洋沉积物是地球最大的甲烷储库。作为强效温室气体，甲烷从海底大规模释放可加剧海洋缺氧甚至气候变暖。幸运的是，海底存在一道天然的“生物防线”—— 由甲烷氧化微生物和底栖动物共同构成的“甲烷生物过滤器”，即冷泉生物群落。然而，一个谜题长期未解：海底发生甲烷渗漏后，这道“生物防线”需要多久才能建立？经典理论认为，关键甲烷代谢微生物如厌氧甲烷氧化古菌（ANME）的生长极其缓慢，细胞倍增时间可达数月，而典型冷泉动物群落的构建和演替更是跨越了数十乃至数百年的时间尺度。因此，理论模拟推测海底甲烷渗漏后，可能存在一个长达60–100年的“甲烷逃逸窗口期”。而研究团队在南海开展的原位定点监测，挑战了这一认知。

捕捉宝贵的甲烷渗漏“时间零点”

依托我国自主研发的“海马”无人遥控深潜器（ROV），2015年广州海洋地质调查局在我国琼东南海域发现了大规模发育成熟的冷泉区，并对该区域的冷泉和天然气水合物资源开展了大量的精细调查。2018-2019年，研究团队明确观测到了海底甲烷喷发“从无到有”的过程。这为研究人员提供了一个千载难逢、起点确切的海底甲烷渗漏天然实验室。随后，团队每年定期前往现场，利用多波束扫描、深海高清摄像、化学传感器、原位取样和实验分析等多学科技术，对渗漏区的生物、地质和化学动态特征进行了全方位追踪和解析。

甲烷渗漏后海底生态系统的剧变

基于详细的物理、化学和生物监测数据，研究团队还原了海底生态系统响应和重构的剧变。在甲烷渗漏后的短短1至2年内，原本“荒芜”的海床即转变为生机勃勃的“绿洲”（图1）。不仅甲烷氧化微生物（包括好氧的细菌Methyloprofundus和厌氧的古菌ANME-2e、ANME-3）迅速成为优势类群，机会主义底栖动物（如多毛类）也大量增殖，在沉积物中构建了每平方米多达数万个洞穴的网络，扰动深度可达50厘米，远超普通深海环境。

图1. 甲烷渗漏后海底生态系统的快速演变过程。a. 微生物群落多样性、丰度以及动物群落丰度的变化；b. 海底沉积物表面地貌特征的快速演变；c. 渗漏点周边沉积物甲烷浓度与微生物多样性的相关性。

惊人的“甲烷生物过滤器”构建速率

其中，最令研究人员意外的是厌氧甲烷氧化古菌（ANME）的响应和增殖速率（图2）。在渗漏初期，ANME细胞的倍增仅需20至40天，是迄今记录到最快的ANME原位生长速率，甚至超过了同一群落中的好氧甲烷氧化细菌，打破了“厌氧甲烷氧化菌反应迟缓”的认知。快速增殖的微生物为穴居动物提供了丰富的食物来源；作为回馈，动物通过洞穴将氧气、硝酸盐、硫酸盐等“氧化剂”源源不断地泵入沉积物，促进微生物氧化甲烷的过程。这种精妙的微-宏生物合作，构成了一个高效的“甲烷生物过滤器”，消耗了大部分从深部向上输运的溶解态甲烷，显著减少了其向上层海洋的排放。

图2. 底栖微生物群落的时空演替规律。a-b. 渗漏中心附近微生物群落结构的快速演替；c. 关键甲烷氧化微生物等类群的相对丰度变化及增长速率；d. 渗漏点周边沉积物中甲烷浓度及甲烷氧化微生物丰度的空间分布特征及其相关性。

亮点

这项历时六年的深海连续观测研究，实现了从“观察静态片段”向“量化动态序列”的深海研究范式跨越。通过追踪一个具有确切起点的甲烷渗漏事件，首次完整还原了海底冷泉化能合成生态系统的初始形成过程。如Andreas Teske教授在亮点评述中指出，长期以来冷泉被视为深海“慢车道生命”的典型代表，而该研究表明，面对突发的环境扰动，海底生命能以惊人的速率进行响应和反馈调节。鉴于气候变化和资源勘采对加速天然气水合物分解及甲烷释放的潜在影响，该成果对于优化全球变化下海洋甲烷循环模型、评估未来海洋健康、制定精准的海洋开发及气候环境应对策略具有重要的价值，同时也呼吁建立更广泛、长期的海底观测网络。

广州海洋地质调查局梁前勇教授级高工、上海交通大学邓龙辉副教授和解瑞泽博士为论文共同第一作者，上海交通大学王风平教授、自然资源部第三海洋研究所董西洋研究员、上海交通大学邓龙辉副教授为论文共同通讯作者。合作者包括自然资源部第三海洋研究所刘心悦、广州海洋地质调查局陶军教授级高工和肖曦博士、美国海洋生物实验室Emil Ruff研究员、美国乔治亚大学Christof Meile教授等。

该研究得到国家自然科学基金（42230401、42276087、42306057、42576121、U2544219）、上海市科学技术委员会（23R1428500）、广东省基础与应用基础研究基金（2019B030302004）、中国地质调查局海洋地质调查项目（DD20230065）等共同资助。

研究论文

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag266

亮点评述

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag267