深层生物气富含高浓度甲烷，但其微生物参与的甲烷生成机制尚不明确。目前，高通量测序技术已成功运用到页岩（Nat. Microbiol. 2016 1,16146）和结晶岩（ISME J. 2014. 8, 126-138）的产甲烷机制研究，但是上述研究主要基于压裂液和冷却液作为实验样本，缺乏原位岩石样本中产甲烷菌的相关信息。本研究通过对柴达木第四系盐湖沉积岩三个深度的岩石样品进行宏基因组分析，揭示了产甲烷菌的组成与功能特征，并进一步发掘了产甲烷代谢的关键影响因子。
导 读
宏基因组分析表明，Methanosarcina和Methanohalophilus是柴达木第四系盐湖沉积岩的特征菌群，其丰度与产甲烷代谢功能基因显著相关；乙酸利用型产甲烷代谢是检测到的唯一代谢类型；产甲烷菌和产甲烷代谢功能基因丰度在不同深度之间存在显著差异，且与岩石中的元素含量、矿物质组成及微生物碳、氮、硫循环紧密相关。
图1 图文摘要
柴达木第四系盐湖沉积岩是全球最大的第四系生物气产区，其独特的地质环境为微生物提供了良好的栖息条件。涩北1井取样点位于柴达木盆地东部三湖凹陷涩北1、2气田的鞍区，海拔为2716.44 米。岩芯样品于2004年8月31日至9月14日期间完成采集。2019年5月14日，我们从存储中心取回用于分析的岩芯样本，这些样本分别代表浅层（S：100米）、中层（M：1000米），深层（D：2000米）的原位岩石环境（图2）。
图2 中国青海石油公司钻井岩心样品储存中心及本研究样品
在无菌条件下处理样品后，首先对岩石样本中的碳、氮、磷、钾、硼、钙、铁、氯、镁等元素，以及矿物质、粘土矿物和有机质等因子进行分析。结果显示，这些因子在不同深度的岩石样本中存在显著差异，表明不同深度的原位岩石环境各具特点。同时，扫描电镜观测岩石形貌也展示了明显的矿物组成差异（图3）。
图3 扫描电镜图像（各深度占比最高的矿物）
岩石样品的宏基因组分析表明，Methanosarcina和Methanohalophilus是岩石样本中的优势古菌菌群，而乙酸利用型产甲烷代谢是唯一检测到的产甲烷代谢类型：乙酸利用性产甲烷菌Methanosarcina（图4）与KEGG代谢模块M00357（乙酸利用型产甲烷代谢）中的部分功能基因（图5）显著相关，而且这些基因在不同深度之间存在显著性差异。
图4 优势古菌属相对丰度
图5 甲烷代谢功能基因相对丰度
Mantel检验和Spearman相关性分析表明，总碳浓度（TC）、碳氮比值、硼（B）、钙（Ca）、镁（Mg）、钾（TK）和部分矿物质含量对古菌优势属的组成具有显著影响（Mantel’s p < 0.05）（图6）；粘土矿物（CM）和产甲烷底物代谢功能基因（KO_MS）的丰度均与产甲烷代谢功能基因（KO_M）丰度存在显著相关性（Spearman’s p < 0.05），这些结果表明除了部分元素浓度外，深层岩石中微生物群落的整体代谢水平及矿物质含量也是影响产甲烷代谢的关键因素。
图6 微生物群落组成、物种丰度、功能基因丰度、理化参数浓度与矿物质的相关性
以往对生物气田深层岩石产甲烷代谢的研究主要关注于产甲烷菌的多样性及其代谢途径，而与碳、氮和硫代谢的关系鲜有研究。对不同深度与产甲烷相关的功能基因丰度、碳、氮和硫代谢路径和相关环境指标进行的相关性分析表明，碳、氮和硫代谢酶种类的丰度以及代谢途径的完整性在不同深度存在显著差异，且氮和硫代谢与产甲烷代谢之间表现出密切关联（图7）。
矿物学特征是深层岩石的核心指标，可能对深层地下环境中微生物动力学和甲烷生产潜力具有重要影响。例如，白云石（Dol）被报道对微生物产甲烷代谢具有抑制作用，而方解石（Cal）可能主要来源于甲烷厌氧氧化过程中产生的碳。本研究中，白云石（Dol）含量在1000米处的显著增加对应了该深度最低的产甲烷功能基因丰度，而方解石（Cal）含量在2000米处显著增加对应了该深度最高的甲烷代谢功能基因丰度。同时，甲烷代谢功能基因丰度与富含碳元素的粘土矿物含量显著相关（图6）。这些结果表明矿物组成可能与深部岩石产甲烷代谢之间存在重要联系。
图7 各深度与产甲烷相关的代谢途径和产甲烷潜力的潜在影响因素
综上，深层岩石中矿物质、元素等因子的组成和丰度塑造了不同深度的环境差异，进而影响产甲烷微生物群落的活性和功能。这些发现为第四系生物气的产甲烷机理提供了科学依据，同时也为生物气的勘探和开发利用提供了参考。
总结与展望
本研究揭示了柴达木第四系盐湖不同深度下沉积岩中产甲烷菌结构与功能特征，说明了土著环境对于产甲烷菌的重要影响。相较于压裂液和冷却液，本研究直接研究了岩石本身，获得的岩石微生物信息更为准确。然而，长期储存的岩石样本具有局限性，无法完全再现原位条件，未来，通过原位条件下耦合多组学和原位培养技术，将更精确地评估深层地下微生物群落组成和功能，从而更深入地揭示深部岩石环境中生物气的生产机制。
责任编辑
武东海 中国科学院华南植物园
张宝刚 中国地质大学（北京）
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第3卷第2期以Article发表的“Response of methanogenesis to the local environment along a 2.0-km deep Quaternary Saline Lacustrine Source Rocks” (投稿: 2024-08-16；接收: 2025-01-23；在线刊出: 2025-02-18)。
DOI:10.59717/j.xinn-geo.2024.100125
引用格式：Ni R, Yang S., Tan Y., et al. (2025). Response of methanogenesis to the local environment along a 2.0-km deep Quaternary Saline Lacustrine Source Rocks. The Innovation Geoscience 3:100125.
作者简介
宋立岩，安徽大学资源与环境工程学院研究员、博导。主要研究方向为微生物生态学。
办公电话：13966777349
邮箱：20023@ahu.edu.cn
个人网页：https://zhxy.ahu.edu.cn/2020/0819/c16052a242636/page.htm
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The Innovation 简介
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