米乐m6官方网站 地下微生物掩盖了天然气的起源！ ？

米乐m6官方网站 (AIST) 与麻省理工学院合作，正在与麻省理工学院合作开发地下栖息地产甲烷古菌甲烷细菌（以下简称“甲烷细菌”）可以将热解产生的天然气“指标”转变为生物来源的“指标”。这有可能显着改变有关天然气来源和数量的信息，并有望发现迄今为止一直被忽视的新天然气矿藏。

了解甲烷（天然气的主要成分）的产生地点和方式将有助于整个地球天然气资源到目前为止，为了确定甲烷产生的来源，“稳定同位素信号''已被用作重要指标。然而，这种识别方法有一个近半个世纪仍未解决的重大问题：地下甲烷细菌产生的生物甲烷的稳定同位素信号无法通过实验室培养甲烷细菌来重现。通过开发能够忠实模拟地下环境的高压培养装置，我们在世界上首次成功地通过实验再现了地下产生的生物甲烷的稳定同位素信号。此外，在这项研究中，我们发现了一个令人惊讶的现象，当热解产生的甲烷与产甲烷菌共存时，产甲烷菌的稳定同位素信号被生物来源的稳定同位素信号覆盖。这一发现表明，热解产生的甲烷量可能被低估了，并且有必要重新考虑目前估计的天然气矿藏的来源。这将促使人们重新考虑天然气矿床的勘探方法，并有望发现迄今为止一直被忽视的新天然气矿床。

此结果的详细信息将于 2024 年 12 月 19 日（美国东部时间）发表在《美国科学杂志》上。科学

天然气是比石油和煤炭更清洁的化石能源，约占世界能源消耗总量的24%^*另一方面，天然气的主要成分甲烷也是一种强大的温室气体，了解全球范围内甲烷的生成、移动、积累和扩散机制不仅有助于准确评估天然气资源，也有助于应对气候变化问题。

地下环境产生的甲烷大致可分为地下温度低于80摄氏度的较浅地质层中的微生物产生的“生物源”和地下深处有机物在较高温度和压力下热分解产生的“热解源”。这些是甲烷（分子式：CH₄) 稳定的碳和氢同位素信号（例如¹²C 和¹³C，¹H 和²H)的比率作为指标，可以推断形成的起源和温度。甲烷水合物等天然气矿床的勘探。以及识别湖泊、沼泽和稻田等甲烷气源。然而，地下生物甲烷的稳定同位素信号从未在产甲烷菌的实验室培养物中重现，并且同位素地球化学和微生物学之间的解释之间存在不匹配的固有问题。

AIST 一直在开展旨在评估地下微生物的天然气生产潜力并阐明其在油田、气田和煤层中的生产机制的研究。2016 年 10 月 14 日、2013 年 6 月 13 日 AIST 新闻稿）。

这次，在AIST，拥有地球化学专家团队的地圈资源环境研究部和拥有微生物学专家团队的生物过程研究部联手，并与能源过程研究部（研究开始时的前身为甲烷水合物研究中心）合作，花了15年的时间来解决这个问题。

这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (18H05295、20H00366、21H04670、22H05152、23H00387、24H00765) 的部分支持。

典型的甲烷细菌培养实验是在接近大气压下进行的，将含有营养物和甲烷细菌的培养液添加到可密封的玻璃容器中，使气相充满大量氢气，氢气是产生甲烷的底物（图1）。这与地下环境的高静水压、低氢浓度的条件特征相差甚远。因此，在这项研究中，研究深海底甲烷水合物的专家团队在开发忠实模拟地下环境的甲烷细菌培养装置方面发挥了核心作用。该装置是甲烷水合物合成实验中使用的不锈钢耐压容器和压力泵，经过改造用于微生物培养，是一个可以在静水压力（相当于~150个大气压）下培养甲烷细菌的系统，相当于地下环境（图2）。此外，我们不是在培养开始时添加氢气，而是与甲烷细菌共同培养分解有机物并缓慢产生氢气的细菌，从而再现了地下环境特有的低氢气浓度条件。

在这些条件下产生的甲烷稳定同位素信号与大气压或高氢浓度条件下产生的甲烷稳定同位素信号明显不同，并且与迄今为止无法再现的地下生物甲烷的稳定同位素信号明显匹配（图3）。这是因为在静水压条件下培养，使培养基中溶解的甲烷浓度增加，加速了产甲烷反应的逆反应，最终正向反应和逆向反应几乎达到平衡，即平衡已达到。

更详细地说，随着溶解甲烷浓度的增加，观察稳定同位素信号随时间的变化，发现当溶解甲烷浓度较低时，产甲烷菌很活跃非平衡，但随着溶解甲烷浓度的增加，该信号达到平衡。接下来，我们开始在培养容器中添加热解甲烷来培养甲烷细菌，发现添加的热解甲烷的稳定同位素信号（图4中的α_H2O-CH4= 114左右）与生物信号平衡。这一结果表明，产甲烷菌用生物来源的稳定同位素信号覆盖热解产生的甲烷的稳定同位素信号。回顾世界各地天然气稳定同位素信号的数据，推断这种被甲烷细菌覆盖稳定同位素信号的现象实际上正在世界各地的天然气矿藏中发生，未来有必要在全球范围内重新评估天然气的起源和来源。

生物天然气仅存在于相对较浅的地质构造中（下图 1）。另一方面，热解产生的天然气在较深的地质层中生成，其中一些迁移到较浅的地质层中形成天然气矿床。因此，如果在浅层地质构造中发现了源自热解的天然气，则更深的地质构造中可能存在更大的天然气矿床（下图2）。然而，如果迁移到浅层地质构造的热解天然气被甲烷细菌的生物天然气覆盖，则存在于更深地质构造中的热解天然气沉积物可能会被忽视（下图3）。这一发现为准确估计天然气生产的来源和过程提供了基础知识，并有望鼓励人们重新考虑天然气矿床的勘探方法，从而发现迄今为止一直被忽视的新天然气矿床（下图4）。

根据可以使用的底物（食物），产甲烷菌大致分为三种类型（氢同化、乙酸同化和甲基化合物同化）。这次，我们观察到氢同化甲烷细菌对稳定同位素信号的重写现象。接下来，我们计划验证类似的现象在乙酸同化和甲基化合物同化甲烷细菌中也存在，并阐明这一发现的普遍性。

已出版的杂志：科学
论文标题：氢营养产甲烷菌覆盖地下甲烷的同位素信号
作者：真由美大辅^*†，玉木英行^†，加藤总一郎^†，五十岚健介^†、Ellen Lalk、西川康典、皆川秀树、佐藤智之、小野修平^*，镰形洋一^*和坂田进^*
*通讯作者
†这些作者对这项工作做出了同等贡献。
DOI：101126/scienceado0126

产甲烷古菌

也称为甲烷细菌或产甲烷古细菌。它是原核生物家族的一员，细胞内没有细胞核，在生物学上被归类为古细菌而不是细菌，负责在缺氧的厌氧环境中分解有机物的最终过程。产甲烷古菌可利用的底物（食物）主要限于氢气+二氧化碳，以及乙酸和甲醇等甲基化合物。[返回来源]

天然气资源

天然气储量是指在当前技术和价格下经济上可行的天然气开采量。相比之下，资源量是指可以确认或几乎可以肯定假设存在的所有资源。[返回来源]

稳定同位素信号

甲烷分子（分子式：CH₄) 碳和氢具有不同的稳定同位素 (¹²C 和¹³C，¹H 和²H 或 D)。甲烷中碳和氢的稳定同位素比 (¹³C/¹²C，²H/¹H) 和甲烷分子内稳定同位素比率 (δ¹³中文₃D) 或甲烷及其前体二氧化碳或水的同位素分馏系数 (α_CO2-CH4呀α_H2O-CH4)等用作指示甲烷产生环境及其产生过程的信号。[返回来源]

甲烷水合物

甲烷水合物是一种在低温高压下水分子包围甲烷分子，形成冰状结构的物质。它主要存在于海底和永久冻土层，由于可以从1立方米中提取约160立方米的气态甲烷，因此作为未来的天然气资源而受到关注。此外，由于全球变暖，甲烷分解时释放出大​​量甲烷，人们担心它们对气候变化的影响。[返回来源]

平衡/非平衡

化学反应中的平衡是指反应速率等于逆反应速率，并且反应物和产物的浓度保持恒定的状态。此时，反应似乎已经停止，但实际上，反应在两个方向上继续以相同的速度进行。这种状态称为化学平衡。非平衡是指反应继续朝一个方向进行，尚未达到平衡状态的情况。另一方面，同位素平衡是指分子间双向同位素交换反应速率相同的情况，非平衡是指速率不同的情况。如果甲烷和二氧化碳之间的碳同位素平衡

¹³中文₄ + ¹²CO₂⇌¹²中文₄ + ¹³CO₂

如果甲烷和水之间氢同位素平衡

中文₃日 + 午₂O ⇌ CH₄+ HDO

两个方向的速度会是一样的。由于甲烷分子中碳和氢之间的键很难断裂，因此这些同位素的交换速率通常非常慢。然而，当甲烷细菌存在时，促进了甲烷的产生及其逆反应，并且同位素交换反应也迅速进行。随着逆反应与产甲烷反应的速率比增加，稳定同位素信号的值也发生变化。当最终达到化学平衡（产甲烷反应及其逆反应速率相等的状态）时，也实现了同位素平衡。同位素平衡中稳定同位素信号的值主要由温度决定。[返回来源]

*摘自《2020 财年能源年度报告（能源白皮书 2024）》（经济产业省自然资源能源厅）