泥火山提供了探索深部地殼流體成因、構造、生物圈重要的管道（概念解說請見此連結），更是重要的地質成因溫室氣體（甲烷、二氧化碳）排放源。相對於海域泥火山，陸域泥火山並無上覆含高硫酸鹽之海水，形成有效的生物甲烷濾除機制，因此其甲烷逸散通量可能遠高於海域泥火山，對於大氣甲烷濃度、氣候變遷，產生較大的衝擊。我們過去的研究顯示（見此連結），最終甲烷溢散量，受到多重複雜的生物與非生物交互作用控制，而呈現不同的樣貌。

 

本研究接續過去運用台灣場域產生的概念，進一步擴及至義大利西西里島泥火山，嘗試解析不同地球化學特徵（亦受控於地質作用），如何影響微生物族群的組成與作用。我們結合地球化學與分子生物的手段（多重引子與定量分析），分析了兩大地球化學特徵截然不同類型的泥火山材料，其中一類型分佈於西西里島西南部的前陸盆地，具有高甲烷、低二氧化碳、中等離子強度、地殼源氦等特徵，另一類型則分佈於 Mt Etna 山腳下，具有低甲烷、高二氧化碳、超高鹽度、火山源氦等特徵。

 

我們的結果顯示了與地球化學特徵相關之截然不同的微生物組群組成與作用。於前陸盆地的泥火山，具有多重硫酸鹽—甲烷的過渡變化、mM 等級的甲烷濃度、>15 mM 的二氧化碳濃度、高比例的Woesearchaeota、ANME-2、Delta-Proteobacteria、Chloroflexi、Bacteroidetes、Cyanobacteria、高bacteria (～10^9 copies/g)與ANME (~ 10^7 copies/g) 豐度等特徵。這樣的結果指示了複雜代謝作用共構的硫、甲烷相關的元素循環，這些代謝作用包括硫氧化作用、有氧與無氧的甲烷氧化作用、硫酸鹽還原作用、甲基甲烷生成作用、發酵作用。其中硫氧化作用可能發生於有氧或無氧的環境，將硫化礦物氧化成硫酸鹽，使得低鹽或低硫環境仍可以進行硫酸還原或是無氧甲烷氧化作用，結合有氧甲烷作用，形成濾除孔隙甲烷重要的機制；我們的觀察也顯示，現地的甲烷產生作用，使用甲基類基質，可能隱含其與硫酸鹽還原作用並未強烈競爭，而產生排擠的效應。這樣的代謝網絡與結構，與台灣西南部陸域泥火山的成果相似，顯示與隱沒作用相關之泥火山的物質循環，得以建構強烈氧化還原梯度，並促使多重代謝作用與族群多樣性的發展；我們的估算也顯示，此區域泥火山微生物濾除甲烷的效率，並不如台灣西南部高，亟需較高時頻的分析，以釐清控制甲烷濾除效率的因子。

 

反觀鄰近 Mt Etna 的泥火山，則具備低硫酸鹽與甲烷濃度、高鹽度 (> 1 M 氯離子)、無硫酸鹽—甲烷的過渡變化、高比例的 Halobacteriales、Woesearchaeota、Gamma-Proteobacteria、Chloroflexi、Actionbacteria、Campylobacterota、較低bacteria (～10^6 copies/g)與ANME (~ 10^4-5 copies/g) 豐度等特徵。這樣的結果指示了較低的氧化還原梯度，並以嗜鹽有機代謝與硫氧化作用為主。此區域的流體受控於古地中海蒸發岩與火山流體，並受到地表高蒸發率的加劇，孔隙水氯離子濃度最高可達 2 M，產生極高的滲透壓，更影響溶質的傳輸，進而控制微生物的生理、多樣性、分佈。相較於前陸盆地，此區域甲烷相關代謝可能以有氧甲烷氧化為主，並僅有非常有限度的甲烷生成、厭氧甲烷氧化、硫酸鹽還原作用。

 

我們的研究顯示陸域泥火山微生物族群組成呈現與地球化學特徵相關皆然不同的面貌，更具備不同的甲烷調控機制、造成不同的甲烷通量，是建構推估自然甲烷溢散模型重要的基礎。

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論文來源：

Chen, J.-N., Chiu, Y.-P., Tu, T.-H., Italiano, F., Wang, P-L. and Lin, L.-H. (2024) Variations in microbial community compositions and processes imposed under contrast geochemical contexts in Sicilian mud volcanoes, Italy. Front. Microbiol. 15, 1461252. http://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1461252