自然界中甲烷的厌氧降解主要通过产甲烷途径的逆反应过程来完成。这一反应过程通常由一类甲烷厌氧氧化古菌（ANME）介导，该类古菌预计可以消耗海洋沉积物中90%的甲烷。已有研究发现，甲基辅酶M还原酶（methyl-coenzyme M reductase，MCR）是产甲烷和活化烷烃分子的关键酶，该蛋白非常保守，包含3个亚基（McrA, McrB, McrG），其中α亚基基因mcrA常被用来检测环境中甲烷代谢古菌的丰度和类群。截至目前，沉积物中小分子短链烷烃的厌氧氧化仍鲜有报道。Kniemeyer等首先发现并证实了一株硫酸盐还原细菌（BuS5）可以在厌氧情况下通过将丙烷（C3H8）或正丁烷（C4H10）活化，加成延胡索酸分子，最终进入β-氧化的降解途径。因此长期以来人们认为，在厌氧环境中只有细菌可以进行多碳烃类的氧化过程，只有古菌可以进行甲烷的氧化过程。近期有实验室富集培养研究发现，古菌进行厌氧氧化非甲烷的短链烷烃分子的反应，但该反应是否在自然界存在及对烷烃转化的贡献尚未知。
图1 Guaymas Basin热液甲烷渗漏区的沉积物柱理化性质与古菌丰度（A）；微生物群落组成（B）
图2 Guaymas Basin热液甲烷渗漏区小分子烷烃厌氧代谢古菌代谢图；ANME-1 WYZ-LMO12&13（A）；ANME-2c WYZ-LMO14（B）；Ca. Synthrophoarchaeum sp. WYZ-LMO15（C）
深海海床埋藏了大量的有机质，某些区域可形成丰富多样的烃类化合物，如短链烷烃分子乙烷、丙烷、丁烷、戊烷和己烷等。本研究通过对Guaymas Basin热液甲烷渗漏区的沉积物柱进行综合的地球化学、宏基因组、宏转录组研究首次发现，短链烷烃降解古菌与甲烷厌氧氧化菌同时存在于沉积物中（图1）。这类短链烷烃降解古菌具有四套MCR蛋白基因，推测是与不同碳链长度的烷烃降解有关。同时基因组中还包含有β-氧化代谢通路，该通路能够保证烷烃分子有效进入Wood–Ljungdahl代谢通路，最终形成CO2（图2）。研究还通过转录组测序，证实了短链烷烃降解古菌在原位环境中活跃表达这些关键基因，表明其在自然环境中也可以有效降解代谢短链烷烃。
该研究证实了除了细菌之外，古菌也可以有效的对沉积物中的短链烷烃进行降解，拓展了人们对古菌在沉积物碳循环中作用的认识。
该研究团队在海底烷烃生物转化方向得到了国家项目的长期资助，取得了系列研究成果。本研究受科技部重点研发计划项目（2018YFC0310800，20162016YFA0601102）和国家自然科学基金（91751205, 41525011, 91428308）等项目的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1462-2920.14568
