地球深处，没有阳光也没有氧气，微生物却在这种极端环境中顽强生存，默默推动着地球碳素循环，并持续产生甲烷这种绿色能源。此前研究发现，在地下深部生物圈，广泛分布着“吃”甲醇产甲烷的古菌。但是，他们赖以生存的甲醇从何而来一直是一个未解之谜。
北京时间2025年1月30日，农业农村部成都沼气科学研究所（以下简称沼气所）厌氧微生物科技创新团队与日本科学家合作，在《自然》（Nature ）上发表题为“Methanol transfer supports metabolic syntrophy between bacteria and archaea”的研究论文。该研究发现了一种合作共赢的菌群互作模式，为解答上述谜题提供了新的线索。
该研究揭示了厌氧微生物产甲醇的新途径，并提出了第四种细菌和古菌互作产甲烷模式——种间甲醇转移。这一发现为理解全球甲烷循环提供了全新视角，也为“地下沼气工程”和温室气体减排控制技术开发带来了新思路。
论文第一作者、沼气所副研究员黄艳介绍，全球每年甲烷排放量高达5亿至6亿吨，其中约70%通过产甲烷代谢产生的。自然界中，有机物代谢产甲烷的过程类似于沼气发酵，通常需要细菌和产甲烷古菌通过“互营代谢”合作完成。
以往的研究认为，这种代谢主要依赖细菌与产甲烷古菌间的“种间氢转移”、“种间甲酸转移”或“种间直接电子传递”三种模式实现，主要由氢营养型和乙酸营养型产甲烷古菌负责甲烷的产生。然而，对于自然界广泛分布的甲基营养型产甲烷古菌，其在互营产甲烷代谢中的生态功能一直未被明确。
甲醇生成细菌与甲基型产甲烷古菌通过种间甲醇转移互营降解甲酸产甲烷。受访者供图
承磊团队前期从地下油藏先后分离了厌氧细菌新科物种Zhaonella formicivorans（嗜甲酸赵氏杆菌，为纪念沼气所赵一章研究员而命名），以及吃甲醇产甲烷的厌氧古菌新科物种Methermicoccus shengliensis（胜利甲烷嗜热微球菌，为纪念胜利油田而命名）。
黄艳介绍，嗜甲酸赵氏杆菌是一位“酿假酒大师”。它通过一种全新的途径，巧妙地将甲酸“酿造”成甲醇。这位“大师”却不胜酒力，随着甲醇的积累，整个酿造过程会逐步停滞。而胜利甲烷嗜热微球菌虽不会酿酒，却是专门吃甲醇的“醉翁”，它的出现，不仅协助嗜甲酸赵氏杆菌持续酿“甲酸”产“甲醇”，解决了甲醇累积的问题，还将甲醇转化为甲烷，持续生成天然气。
此前，细菌和古菌互作产甲烷（被称为“互营代谢”）主要依赖于微生物之间的氢气、甲酸或电子传递，而此次发现的“种间甲醇转移”是一种新的菌群互作产甲烷模式。
随后，该团队利用嗜甲酸赵氏杆菌和胜利甲烷嗜热微球菌人工构建了合成菌群，并结合同位素示踪、多组学等前沿技术，证实了嗜甲酸赵氏杆菌通过全新的甘氨酸—丝氨酸循环介导途径产生甲醇，这也是首次在微生物细胞内发现。这种转化过程面临的热力学限制，通过与产甲烷古菌——胜利甲烷嗜热微球菌的合作得以克服。
“细菌和古菌通过甲醇转移来解除热力学限制，从而推动甲烷的持续产生。”承磊说。
甲醇生成细菌与甲醇代谢古菌通过“种间甲醇转移”互作产甲烷。受访者供图
该研究不仅丰富了深部生物圈的碳循环认知，为地下甲基化合物的生物来源提供了新的线索，也为未来开发“地下沼气工程”和碳减排新技术开发提供了新的思路。
该研究由沼气所联合日本国立海洋研究开发机构、日本北海道大学、日本产业技术综合研究所和北京大学等多家国内外知名研究机构共同完成。日本国立海洋研究开发机构主任研究员Masaru K. Nobu、日本产业技术综合研究所上级主任研究员Souichiro Kato，以及承磊为论文共同通讯作者。沼气所副研究员黄艳为论文第一作者。
承磊表示，这项研究从启动到发表历时十年，得益于沼气所的长期支持、团队的接力协作以及国内外团队的共同努力，才得以顺利发表。这也成为了一种互作共赢的合作典范。《自然》杂志还为本研究配发了题为“Underground bacteria serve alcohol to methane-making microbes”的研究简报，介绍了该研究的科学发现与应用前景。
目前该团队主要从事厌氧微生物资源与利用研究，拥有国内一流的厌氧微生物研究平台，保藏了1400多种厌氧微生物模式物种。该团队已分离了非广古菌门产甲烷古菌（Nature 2024），证实了第五条产甲烷新途径（Nature 2022）、发现了第四种细菌和古菌互作产甲烷模式（Nature 2025）。承磊表示，接下来将致力于甲烷代谢调控与改造、人工合成石油烃等多学科交叉研究，希望与化学生物学、结构生物学、基因编辑等研究背景的专家和博士开展合作研究。
该研究得到了国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程和四川省创新群体等项目的大力支持。
相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08491-w
论文研究简报：
https://doi.org/10.1038/d41586-025-00199-9
