矿物能保护有机碳不被降解从而促进土壤和沉积物中有机碳的长久保存，这一观点被人们广泛提出。尽管“矿物保护假说”被越来越多的人接受，但是目前仍然缺乏矿物吸附导致微生物矿化有机碳受阻的直接联系和机理性认识，尤其是针对一些特殊的微生物矿化有机碳途径。为此，英国利兹大学地球与环境学院Xiao Ke-Qing等于2022年在期刊《Nature Communications》上发表题为“Mineralogical control on methylotrophic methanogenesis and implications for cryptic methane cycling in marine surface sediment”的研究论文，揭示了海洋表层沉积物环境中矿物控制的产甲烷过程以及对隐匿的甲烷循环的影响。
受长江流域环境水科学研究公众号邀请，中国地质大学（武汉）袁松虎教授课题组博士后钱傲对本文进行了解读。
第一部分：内容解读
摘要：矿物能保护有机碳不被降解从而促进土壤和沉积物中有机碳的长久保存，这一观点被人们广泛提出。但是，由于缺乏矿物吸附导致微生物矿化有机碳受阻的直接联系和机理性认识，使得“矿物保护假说”经常被提起而很少被证实。研究发现，海洋表层沉积物中一类对隐匿的甲烷产生过程非常重要的代谢底物—甲基化合物，可以被沉积物中的黏土矿物强烈吸附，该吸附作用能极大降低溶液中甲胺类物质的浓度（降低百分比高达~40%）。作者发现，黏土矿物的存在可以降低甲基甲烷球菌产甲烷的速率以及甲烷的最终产量（~24.9%）。近边X射线吸收精细结构光谱学（XANES）显示黏土矿物层间对甲基化合物的可逆吸附和封闭式保护造成了甲烷产生速率降低和产量下降。研究表明，矿物与有机碳的相互作用可以强烈控制甲基营养型微生物产甲烷，影响海洋表层沉积物中隐匿的甲烷循环。
研究背景：海洋环境中有机碳降解和保存的平衡对于调控大气CO2和O2至关重要。尽管已有几十年研究，但是对于控制这种平衡的因素仍然不清楚。越来越多的人认为，矿物保护可以使土壤和沉积物中的有机碳免受生物的再矿化作用而持续保存数百-千年，然而，由于缺乏直接证据，矿物吸附抑制微生物矿化有机碳长期以来只是科学假说。产甲烷古菌产生甲烷是海洋沉积物中有机碳矿化的主要终端步骤之一，主导了~28.6%海底有机碳的降解。最近研究表明，在富含硫酸盐的海洋表层沉积物中存在着隐匿的甲烷循环过程，甲基营养型微生物利用非竞争性小分子甲基化合物（一甲胺、二甲胺、三甲胺）进行新陈代谢产甲烷。以此为背景，作者在本文中探究了黏土矿物吸附控制的甲基营养型微生物产甲烷过程，对甲基化合物在黏土矿物上的吸附及黏土矿物抑制微生物产甲烷过程进行了机制探讨。
结果部分：
首先，验证黏土矿物对甲基化合物的吸附。选用了四种黏土矿物：绿泥石、伊利石、高岭石、蒙脱石，和三种甲基化合物：一甲胺、二甲胺、三甲胺。研究结果表明不同黏土矿物均可以吸附以上三种甲基化合物，黏土矿物对甲基化合物亲和能力强弱规律为：绿泥石<高岭石<伊利石<蒙脱石，甲基化合物在同种黏土矿物上的亲和力随甲基数的增加而增加：一甲胺<二甲胺<三甲胺（图1）。在研究的甲基化合物浓度范围内（0.03-30 mM），甲基化合物的等温吸附线呈线性变化。
图1. 黏土矿物对（a）一甲胺，（b）二甲胺，（c）三甲胺的吸附（选用四种不同黏土矿物（20 g/L）：绿泥石、伊利石、高岭石、蒙脱石）。
验证加入黏土矿物对微生物产甲烷的抑制。选用模式菌株甲基甲烷球菌进行假说验证。相比于控制实验：甲基甲烷球菌和甲基化合物混合培养，蒙脱石（10-40 g/L）的加入使甲烷的产生速率降低、产量下降，减缓效果随蒙脱石剂量的增加而增加，随甲基化合物上甲基数量的增加而增加（图2）。
图2. 添加不同剂量蒙脱石对甲基甲烷球菌利用（a）一甲胺，（b）二甲胺，（c）三甲胺产甲烷的影响，蒙脱石的投加剂量为0-40 g/L（K：0 g/L，Mnt10：10 g/L，Mnt20：20 g/L，Mnt40：40 g/L）。
测试黏土矿物影响甲胺在固、液相中的分配。加入甲基甲烷球菌前，让蒙脱石与甲胺平衡24 h，测试培养基中甲胺浓度，称为初始基质甲胺浓度。向蒙脱石与甲胺平衡体系中加入甲基甲烷球菌，继续厌氧培养144 h，测试培养基中甲胺浓度，称为终端基质甲胺浓度；测试固相上交换态甲胺浓度（1 M LiCl提取24 h）；测试固相上非交换态甲胺浓度（HF-HCl提取24 h）。初始基质甲胺浓度随蒙脱石浓度的增加而降低；厌氧培养144 h后非交换态甲胺浓度随蒙脱石浓度增加而增加，培养基中检测不到溶解态甲胺，固相矿物上检测不到交换态甲胺（图3）。
图3. 培养基中（a）一甲胺，（b）二甲胺，（c）三甲胺的不同形态分配，包括初始基质中甲胺，终端基质中甲胺，固相上可交换态甲胺，固相上非交换态甲胺。
XANES表征甲胺在蒙脱石上的吸附。单独甲胺类物质中，氨基-氮特征峰围~405.5 - 409.7 eV，蒙脱石的加入使该特征峰强度降低并向低能区偏移（灰色区域1，图4），受影响强弱规律为：一甲胺-蒙脱石>二甲胺-蒙脱石>三甲胺-蒙脱石。同时，蒙脱石加入导致低能量区出现新特征峰~400.5-400 eV，并且甲胺上甲基数量越多该特征峰越明显（灰色区域2，图4）。
图4. 近边X射线吸收精细结构光谱学（XANES）表征甲胺在蒙脱石上的吸附。
甲基甲烷球菌与蒙脱石相互作用。XRD结果显示，甲基甲烷球菌与蒙脱石厌氧培养144 h后，没有新的矿物形成，但蒙脱石001面层间距收缩并且特征峰展宽、强度减弱。水化学测试结果显示，相比单独蒙脱石体系和甲基甲烷球菌与蒙脱石培养0 h时，甲基甲烷球菌与蒙脱石培养144 h后，培养基中溶解态Fe(II)浓度大幅增加（图5）。
图5. 对比单独蒙脱石体系和甲基甲烷球菌与蒙脱石培养体系中溶解态Fe(II)浓度变化，所有体系中均分别加入了不同种类甲基化合物（一甲胺、二甲胺、三甲胺）。
讨论部分：
尽管人们已经普遍接受矿物吸附保护有机碳这一科学假说，但是对特定条件下的矿物吸附机制或微生物矿化途径仍然很少被研究。在此，我们以海洋表层沉积物中发现的隐匿甲烷循环过程为背景，研究了矿物吸附甲基化合物与微生物矿化有机碳之间的关联。在这些表层沉积物中，甲基化合物在固相上浓度较高而水相中浓度较低，前期研究也表明黏土矿物的吸附作用可以降低孔隙水中甲基化合物的浓度。因此，我们猜测黏土矿物的吸附可以限制甲基化合物的生物可用性、抑制甲基化合物的生物矿化作用，从而控制甲基营养型微生物产甲烷并潜在影响海洋表层沉积物中隐匿的甲烷循环。
已有研究表明，吸附在黏土矿物上的有机碳可免于被微生物胞外酶降解，因此甲基化合物在黏土矿物上的吸附-解吸平衡将限制甲基营养型微生物利用甲基化合物产甲烷。水化学实验证实一部分甲基化合物在黏土矿物上发生可逆吸附（吸附百分比~24.7%，图1），这解释了黏土矿物的加入减缓甲烷的产生速率（图2）；一部分甲基化合物在黏土矿物上发生不可逆吸附（~15.5%，图1），这可能是导致最后甲烷产量减低的原因（图3）。在海洋环境pH条件下（6.9-8.3），一甲胺、二甲胺、三甲胺均带正电。氨基-氮特征峰向低能区偏移，说明带正电的氨基官能团通过静电引力/氢键与黏土矿物带负电的硅氧四面体发生相互作用（图4）。低能量区出现新特征峰~400.5-400 eV，并且甲胺上甲基数量越多该特征峰越明，表明甲基上的-CH官能团通过氢键/范德华力与黏土矿物发生相互作用（图4）。对比不同黏土矿物对甲基化合物的吸附强弱，可以看出蒙脱石的吸附能力最强。相比于其他三种黏土矿物，只有蒙脱石具有可膨胀的层间域，甲基化合物进入黏土矿物的层间被吸附，能更大程度保护甲基化合物不被微生物矿化。微生物可以还原黏土矿物结构态Fe(III)为Fe(II)，本研究中也检测到了Fe(II)的产生。Fe(II)对微生物产甲烷的抑制作用已有报道，因此反应体系中累积的溶解态Fe(II)也可能抑制了甲烷的产生。本研究结果直接证实了（黏土）矿物对有机碳（甲基化合物）的吸附可以限制微生物（甲基甲烷球菌）对有机碳的生物可利用性，从而减缓有机碳的矿化。黏土矿物对甲基化合物的吸附可能潜在影响海洋表层沉积物中隐匿的甲烷循环。
在东南太平洋的秘鲁海岸带表层沉积物中蒙脱石浓度接近130 g/L，在南太平洋的远洋沉积物中蒙脱石浓度高达200 g/L。我们研究中发现，蒙脱石对甲基营养型产甲烷的抑制作用随蒙脱石剂量的增加而增加。因此，在蒙脱石含量高的区域，如南太平洋地区，甲烷的产生过程将受到黏土矿物的显著影响。由于海洋表层沉积物中隐匿甲烷循环的周转率与海底的甲烷通过沉积物-水界面流出的通量相当，黏土矿物对微生物产甲烷的抑制可能会影响沉积物和海水之间的甲烷交换，从而影响全球碳收支平衡。
第二部分：贡献解读
背景问题：甲烷是一个很重要的温室气体物质，早期研究认为产甲烷带只能出现在硫酸盐还原带之后，但二十世纪初发现海洋表层沉积物中可以同时发生硫酸盐的还原和甲烷的产生（Geophys. Res. Lett., 2001）。尽管硫酸盐还原菌会与氢营养型产甲烷菌、乙酸发酵型产甲烷菌竞争新陈代谢底物（H2和乙酸），但硫酸盐还原菌不能利用甲基化合物，这为硫酸盐还原菌与甲基营养型产甲烷菌的共存创造了条件（Nature, 1982）。“矿物保护假说”被越来越多的人接受，但是仍缺少对矿物吸附影响微生物矿化有机碳之间的直接联系和机理性认识。作者将研究场景设置为，海洋表层沉积物中发现的隐匿甲烷循环，研究矿物吸附控制甲基营养型微生物产甲烷以及对隐匿的甲烷循环的影响。
核心发现：直接证实了黏土矿物吸附甲基化合物能抑制甲基营养型微生物产甲烷，为“矿物保护假说”提供了直接证据。一部分甲基化合物在黏土矿物上发生可逆吸附减缓了甲烷的生成速率，一部分甲基化合物进入膨胀型黏土矿物的层间发生不可逆吸附整体降低了甲烷的产量；微生物还原黏土矿物产生的Fe(II)也能进一步抑制产甲烷过程。以上发现从机制层面解释了矿物吸附有机碳控制甲基营养型微生物产甲烷以及对隐匿甲烷循环的影响。
原文来源：Xiao et al., Mineralogical control on methylotrophic methanogenesis and implications for cryptic methane cycling in marine surface sediment, Nature Communications, 2022, https://doi.org/10.1038/s41467-022-30422-4.
本文由中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室袁松虎教授课题组博士后钱傲解读。受作者能力所限，本文难免有不当之处，敬请各位读者谅解。如疑义、建议或其他方面的学术交流，请与袁松虎教授联系，邮箱yuansonghu622@cug.edu.cn.
