海底深处的微生物如何使原油无害化

微生物群落在热液渗漏附近特别活跃，例如加利福尼亚湾的瓜伊马斯盆地。研究团队多年来一直致力于了解这些社区。沉积在瓜伊马斯盆地的有机物质被地球内部的热源加热，分解成原油和天然气。它们的成分为处于恶劣环境中的微生物提供主要能量来源。在他们的最新研究中，研究人员已经证明，古细菌使用一种以前未知的机制在高温下不存在氧气的情况下降解液态石油烷烃。

烷烃是高度稳定的碳和氢化合物。它们是天然气和原油的天然成分。后者被人类提炼成汽油和煤油等燃料。由于原油开采过程中的事故，环境灾难屡屡发生。一个典型的例子是深水地平线钻井平台发生的事故，由于液态烷烃等原油化合物的毒性作用，该事故在墨西哥湾造成了严重的环境破坏。在氧气存在的情况下，微生物可以迅速分解原油的许多成分，其中包括烷烃。然而，没有活性氧，降解要困难得多。能够执行此任务的生物体尚未得到广泛研究。然而近年来，已经发现有证据表明，古生菌能够采用一种令人惊讶的机制来做到这一点。它基于新发现的甲烷生成和厌氧甲烷降解关键酶甲基辅酶 M 还原酶 (MCR) 的变体。在许多环境样本中都发现了编码这些酶的基因。然而，仍然缺乏可以说明这些酶功能的微生物实验室培养物。这就是 Hanna Zehnle 及其同事的实验室研究变得重要的地方。仍然缺乏可以说明这些酶功能的微生物实验室培养物。这就是 Hanna Zehnle 及其同事的实验室研究变得重要的地方。仍然缺乏可以说明这些酶功能的微生物实验室培养物。这就是 Hanna Zehnle 及其同事的实验室研究变得重要的地方。

该团队使用了加利福尼亚湾 2000 米深的瓜伊马斯盆地的沉积物。这里存在的特殊地质条件包括高温、液态原油成分和浅沉积物深度的厌氧环境，所有这些通常只存在于科学家难以进入的深层油藏中。

在不来梅实验室，研究人员用液态烷烃制备培养物，并让它们在高温(70 摄氏度)下厌氧生长，即在无氧条件下生长。“过了一段时间，”第一作者 Hanna Zehnle 解释说，“培养物中形成了硫化物。这提供了它们活跃的证据。” 使用 DNA 和 RNA 样本研究培养物的组成。“通过这种方法，我们可以找出这个系统中生活着哪些生物，以及它们正在使用哪些代谢途径，”Zehnle 说。这些包括物质代谢的化学反应。他们发现了Candidatus Alkanophaga属的古细菌在文化中。这些古细菌使用 MCR 的变体来分解烷烃。研究人员通过转录组数据、酶产物的测量以及酶被抑制时培养物的无活性来验证这一点。但这些生物体无法单独降解原油。在这种情况下，呼吸以硫酸盐还原的形式出现(因为不存在氧气)，由热脱硫杆菌属的细菌进行，它们与古细菌形成致密的菌群。

产甲烷是已知最古老的代谢过程之一，是全球碳循环的一部分。Hanna Zehnle 及其同事的实验室研究表明，参与该过程的酶也可以利用液态(因此有毒)碳氢化合物，这突出了该途径与全球碳循环的相关性。

“由于他们新发现的能力，Alkanophaga及其亲属正在瞄准油藏中的碳氢化合物。剩余的石油变得越来越坚固，因此往往会留在海底，”通讯作者 Gunter Wegener 解释道。“我们仍然无法调查任何深层油藏，但古生菌的活动无疑让石油行业感到恼火。但它们也对天然石油渗漏很少见这一事实做出了重要贡献。”

这项研究是位于 MARUM 的卓越集群“海底——地球未知界面”研究的一部分。在其他研究领域，这里正在进行调查，以确定哪些微生物和环境条件为海底提供了所需的质量，使其成为自远古以来一直平衡地球碳循环的反应堆。有关较高温度范围的深层生物圈中的生物体的问题是该集群的核心主题之一。