甲烷是仅次于二氧化碳的重要温室气体，其全球增温潜势显著高于后者。相比于研究成熟的地表甲烷汇，地下喀斯特系统在甲烷循环中的作用尚未得到充分审视。尽管已有研究发现洞穴内甲烷浓度显著低于大气水平，并初步指向生物消耗机制，但这一地下生境在全球甲烷收支中的角色与贡献尚未得到充分评估。
2026年2月5日，来自地质微生物与环境全国重点实验室和环境学院的王红梅教授团队，针对地下喀斯特系统甲烷氧化过程及其微生物介导机制认知不足这一关键科学问题，取得了重要研究进展。研究团队通过微宇宙培养实验、稳定同位素示踪及多组学分析（宏基因组与宏转录组），系统揭示了洞穴沉积物中大气甲烷氧化菌的分类地位、代谢潜力及其对区域甲烷循环的贡献。相关成果以《High-efficiency methane consumption by atmospheric methanotrophs in subsurface karst caves: the irrefutable methane sink》为题，在线发表于国际知名期刊《Science Advances》。论文第一作者为博士生刘晓燕，通讯作者为王红梅教授，中国地质大学（武汉）地质微生物与环境全国重点实验室和环境学院为共同第一完成单位。
被忽视的地下空间：喀斯特洞穴是大气甲烷汇？
喀斯特洞穴在全球广泛分布，在中国西南地区尤为集中发育，但其在全球甲烷收支中的作用长期缺乏系统评估。洞穴环境以黑暗、寡营养、相对封闭为特征，是与地表生态系统显著不同的地下空间。然而，近年来多项研究发现，洞穴内空气甲烷浓度普遍低于大气背景值，指向持续存在的甲烷消耗过程。尽管基于灭菌对照的培养实验支持微生物介导的甲烷氧化，主导该过程的微生物类群及其代谢潜力仍缺乏明确认识，从而限制了对其在地下生态系统中生态功能及作为大气甲烷汇意义的评估。
洞穴甲烷氧化菌被“抓现行”
对典型喀斯特洞穴沉积物开展了系统的微宇宙培养与同位素示踪实验。在补给不同浓度甲烷（2–500 ppm）的条件下，洞穴沉积物表现出稳定的甲烷氧化活性，且速率随底物浓度升高而增强，从2.9 ± 0.1到90.7 ± 4.5 ng·g⁻¹·h⁻¹，表明洞穴沉积物中存在功能上活跃的甲烷氧化微生物群落。多组学分析（16S、pmoA基因高通量测序以及宏基因组与宏转录组数据）表明，洞穴沉积物中的甲烷氧化主要由大气甲烷氧化菌Upland Soil Cluster gamma（USCγ）介导，其在分类学上隶属于Candidatus Methyloligotrophaceae科（图1）。本研究进一步解析其系统发育结构，将该类群划分为三个属，其中两个新属的鉴定显著拓展了该菌群的系统发育多样性。
图1 Candidatus Methyloligotrophaceae系统发育关系，Ca. Methylotierraosa和Ca. Methylocavernigena为鉴定的新属。
甲烷既是能源也是碳源
研究团队结合稳定同位素示踪（13CH4）、NanoSIMS成像、磷脂脂肪酸（PLFA）稳定同位素标记，在添加13CH4的微宇宙体系中，检测到13C向微生物生物量（13C-TOC、13C-PLFAs）的转移，并同步检测到13CO2的产生。这一多尺度证据链表明，洞穴大气甲烷氧化菌在获取能量的同时，能将>50%的甲烷高效同化为细胞碳源（图2）。这种高碳同化效率结合低底物阈值反映了Ca. Methyloligotrophaceae对洞穴内长期低甲烷、碳限制环境的适应。
低甲烷生境下的代谢适配
多组学分析表明，Ca. Methyloligotrophaceae可能并非依赖单一的C1碳同化途径。转录组数据显示，在甲烷浓度升高（500 ppm）时，RuMP途径中EMP分支相关基因显著上调，指示C1向生物量转化能力的增强。与此同时，丝氨酸循环及相关丝氨酸生物合成途径持续转录。RuMP途径与丝氨酸循环的并行运行，可能构成一种互补的碳同化策略，使Ca. Methyloligotrophaceae在能量受限条件下仍能维持较高的碳同化效率。此外，检测到NiFe型氢化酶基因的表达，提示该类群可能利用环境中的痕量H2作为辅助能量来源，以支持代谢与碳同化。这种混合营养策略与近年来在其他大气甲烷氧化菌中发现的代谢特征一致，反映出其在长期能量受限环境中的代谢灵活性。
图2 洞穴沉积物微宇宙体系中13C-13CH4流向。
地下喀斯特系统的区域甲烷汇潜力
研究表明，Ca. Methyloligotrophaceae亦广泛存在于森林、草地等生态系统中，体现其作为大气甲烷氧化菌的生态普适性。将洞穴的甲烷氧化速率与森林、草地和农田进行了对比，发现洞穴甲烷氧化能力在量级上与地表生态系统相当。进而对中国西南喀斯特地下系统的甲烷汇潜力进行了保守估算，该区域地下喀斯特环境每年可能消耗约0.56 Tg甲烷，接近中国森林（0.68 Tg甲烷/年）和草地（0.65 Tg甲烷/年）的年甲烷吸收总量。尽管该估算仍受洞穴空间异质性、甲烷氧化层厚度及微生物群落结构差异等因素限制，但结果表明地下大气甲烷氧化菌对陆地甲烷收支的贡献此前被显著低估。
结语：
研究表明，Ca. Methyloligotrophaceae凭借低底物阈值、高碳同化效率及显著的代谢灵活性，成为驱动地下甲烷氧化过程的关键功能类群。该类群在全球多样生态系统中的普遍存在，突显了其作为大气甲烷氧化菌的广泛生态适应性；而区域尺度的保守估算则揭示，地下环境是此前被严重低估的大气甲烷汇。这些发现强调，有必要将地下大气甲烷氧化过程纳入全球甲烷收支预算，并为改进陆地生态系统中甲烷通量的预测提供重要的机制支撑。
原文链接：
High-efficiency methane consumption by atmospheric methanotrophs in subsurface karst caves: the irrefutable methane sink (2026-02-04).
doi: https://doi.org/10.1126/sciadv.ady5942.
