甲烷是一种重要的温室气体，其在百年尺度上的增温潜势是二氧化碳的20多倍。IPCC于2021年发布的第六次气候评估报告指出，甲烷自工业革命以来已导致全球升温高达0.5 ℃。如何有效控制甲烷排放、增强自然生态系统对甲烷的吸收，实现基于自然过程的甲烷增汇减排，已成为推进国家“双碳”战略和应对全球气候变化的重要科学问题。在自然环境中，甲烷的产生、消耗与排放均与微生物作用密切相关。因此，深入揭示微生物调控甲烷循环的过程与机制，对于识别自然界潜在的甲烷碳汇、探索基于自然过程的温室气体减排路径具有重要意义。
中国地质大学（武汉）谢树成院士领导的地球生物学团队，在前期利用地质微生物突破干湿古气候研究的基础上（Xie et al., 2013, Geology; Liu et al., 2013, NG; Zhu et al., 2017, PNAS; Zhang et al., 2018, Science），近年来开始围绕“地质微生物与温室气体甲烷循环”这一前沿主题进行联合攻关。团队综合地质记录与现代环境观测，系统揭示了陆地生态系统中“微生物-甲烷-气候”之间的作用过程与机制，并提出了基于自然过程的甲烷增汇减排的地质微生物新思路，为未来构建甲烷的“微生物地球工程”提供了坚实的科学支撑。近几年的系列创新研究成果发表于《PNAS》（Sun et al., 2024）、《Science Advances》（Liu et al., 2026）、《Nature Communications》（Huang et al., 2018）、《Geology》（Sun et al., 2026）、《Geochimica et Cosmochimica Acta》（Dang et al., 2026）等期刊上。
微生物-宏体生物互作：甲烷循环的“隐形推手”
研究团队发现，微生物与动物、植物等宏体生物之间的生态互作在甲烷循环中发挥着关键作用。对白垩纪温室气候时期湖泊生态系统的研究发现，产甲烷菌制造了大量的甲烷，这些甲烷随后被甲烷氧化细菌所消耗，而这些细菌又进一步被浮游动物捕食，使甲烷的碳和能量逐级传递到生态系统的上层营养级，由此支撑了一个湖泊生态系统。同时，对全新世泥炭湿地的研究发现，在微生物的作用下，甲烷被细菌氧化成二氧化碳后可以被高等植物的光合作用所利用，从而进入湿地植被碳循环体系。通过收集全球数据发现，湿地不同的木本和草本植被会影响不同的微生物功能群（自养与异养），进而对碳埋藏产生影响。这些研究表明，微生物不仅主导着甲烷的产生与消耗，还通过与动物、植物之间的互作，使甲烷纳入生态系统食物网中，从而形成一个天然的甲烷“过滤器”，有效减少温室气体向大气的释放，为理解自然生态系统的碳汇机制提供了新的视角。
图1 甲烷的碳通过微生物作用进入动物和高等植物
（Sun et al., 2024, PNAS; Huang et al., 2018, NC）
地下洞穴：被忽视的重要甲烷汇
除了地表生态系统，研究团队还发现地下喀斯特系统可能是一个长期被忽视的重要甲烷汇。团队以长江中游的典型喀斯特洞穴为研究对象，通过微宇宙培养实验、稳定同位素示踪以及多组学分析，系统揭示了洞穴沉积物中大气甲烷氧化细菌的分类地位、代谢潜力及其对区域甲烷循环的贡献。研究发现，一类能够高效消耗大气甲烷的关键功能类群——Ca. Methyloligotrophaceae在洞穴沉积物中广泛存在。这类微生物具有低底物阈值、高碳同化效率以及显著的代谢灵活性等特征。研究团队保守估计，我国西南地下喀斯特环境每年可消耗约0.56 Tg甲烷，接近我国森林和草地的年甲烷吸收量。这一发现表明，地下洞穴环境可能是此前被严重低估的重要甲烷汇，未来有必要将其纳入全球甲烷收支预算。
图2 洞穴沉积物微宇宙体系中13C-13CH4流向
（Liu et al., 2026, Science Advances）
环境阈值：控制甲烷排放的“开关”
研究团队还发现，环境条件对甲烷循环具有重要的调控作用。通过研究我国典型草地土壤，综合甲烷通量观测、脂质生物标志物、微生物测序及地球系统模型模拟等多种手段，系统揭示了土壤湿度调控甲烷循环的关键机制，发现30%的土壤湿度是草地生态系统甲烷从源到汇转变的关键阈值。这一转变由产甲烷菌与甲烷氧化菌的群落替换所驱动。同时，对古新世-始新世极热时期（PETM）湖泊的研究表明，盐度可能会限制产甲烷菌的代谢，降低内陆水生生态系统中的甲烷排放，从而削弱温室气体对气候变暖的正反馈效应。这些研究表明，环境因子通过调控微生物群落结构和代谢过程，从而控制甲烷的源和汇，为通过生态系统管理降低甲烷排放提供了科学依据。
图3 土壤环境参数与甲烷从源到汇的转变
（Dang et al., 2026, GCA）
未来，研究团队将进一步整合地质记录、野外观测、室内实验与地球系统模型模拟等多种研究手段，从多尺度、跨圈层耦合的视角系统揭示微生物驱动的甲烷循环过程与机制，识别自然界中关键的甲烷碳汇，评估地质微生物通过调控甲烷对地球温室气候的贡献，为实现全球气候治理和我国“双碳”目标贡献地学智慧。
论文链接：
Huang et al._NC_2018: https://doi.org/10.1038/s41467-018-03804-w
Sun et al._PNAS_2024: https://doi.org/10.1073/pnas.2411413121
Sun et al._Geology_2026: https://doi.org/10.1130/G53790.1
Liu et al._SA_2026: https://doi.org/10.1126/sciadv.ady5942
Dang et al._GCA_2026: https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.01.029
