好氧甲烷氧化菌及其工程应用进展

好氧甲烷氧化菌能以甲烷作为碳源和能源,对全球甲烷消除的贡献率高达10%–20%,还能有效地合成有价值的甲烷来源生物产品。文中介绍了好氧甲烷氧化菌的甲烷氧化代谢机理,总结了好氧甲烷氧化菌在填埋场甲烷减排、煤矿通风气治理、合成生物产品、油气藏勘探等领域的实际应用功效和研究热点,即污染物去除和产品合成效率的影响因素。基于对甲烷氧化菌规模化培养方法的研究,本文认为加强培养过程中代谢产物对甲烷氧化菌活性和种群结构影响的研究,以及开发经济高效的替代培养基和培养技术的研究将有利于好氧甲烷氧化菌生物技术的应用推广。     

好氧甲烷氧化菌生态学研究进展

好氧甲烷氧化菌是一群以甲烷为碳源和能源的细菌。好氧甲烷氧化菌在自然环境中分布广泛,人类已从土壤、淡水和海洋沉积、泥炭沼泽、热泉、海水和南极环境分离到甲烷氧化菌的纯培养。好氧甲烷氧化菌可分为14个属,包括研究较为深入的隶属于变形菌门Alpha和Gamma纲的细菌,以及属于疣微菌门的极端嗜热嗜酸甲烷氧化菌。最近,好氧甲烷氧化菌还被发现存在于苔藓类植物（尤其是泥炭苔藓）共生体中,兼性营养好氧甲烷氧化菌也被发现。本文通过对好氧甲烷氧化菌的分类、生理生化特征、分子生物学检测方法以及微生物生态学中的研究成果的总结与分析,以及对甲烷氧化菌研究所面临的问题进行讨论,以期为今后进一步开展好氧甲烷氧化菌及其在碳循环中的作用研究提供参考。     

土壤大气甲烷氧化菌研究进展

土壤微生物催化是大气中痕量甲烷(约1.8ppmv)氧化的唯一生物途径。目前的研究表明好氧土壤中存在专性和选择性大气甲烷氧化菌2种类型:前者(USCα和USCγ)广泛分布于各种好氧旱地土壤,其甲烷氧化酶对低浓度甲烷亲和力极高,属真正的寡营养型,但至今尚未获得该种类的纯培养菌株。后者属于传统甲烷氧化菌Methylocystis/Methylosinus属,广泛分布于各种周期性排放高浓度甲烷的土壤环境中。该属大部分菌株含有亲和力不同的2套甲烷单加氧酶系统,其中的高亲和力甲烷单加氧酶使这些菌株可以在相当长的时间内(3个月)保持大气浓度甲烷氧化活性,但其生长和繁殖还需依赖于土壤内部阶段性产生的高浓度甲烷。本文详细阐述了2类大气甲烷氧化菌的发现历程及其可能的生存策略,最后系统梳理了几种关键的环境因子(土壤温度及湿度、土壤pH、植被、土地利用及氮输入)对大气甲烷氧化菌群落结构和甲烷氧化活性的影响,提出并展望了土壤大气甲烷氧化菌研究的重要方向。     

低氧生境中好氧甲烷氧化菌的缺氧耐受机理及种群结构研究进展

甲烷生物氧化在全球大气甲烷平衡和温室气体的控制中起着重要作用.氧气是甲烷生物氧化过程中的重要影响因素之一.生境中氧浓度不仅影响好氧甲烷氧化菌的种群结构、活性及甲烷碳的分配,而且好氧甲烷氧化菌在不同氧浓度下具有不同的代谢途径.理解低氧生境中好氧甲烷氧化菌的缺氧耐受机理和甲烷生物氧化过程,对甲烷驱动型生态系统的碳循环和生物多样性有着重要意义.本文以好氧甲烷氧化菌为对象,综述了低氧生境中好氧甲烷氧化菌的活性及其种群结构、好氧甲烷氧化菌的缺氧耐受机理以及低氧生境中甲烷氧化菌与非甲烷氧化菌的关系,并对今后的研究方向进行了展望.     

甲烷氧化菌及其在环境治理中的应用

甲烷的生物氧化包括好氧氧化和厌氧氧化两种,分别由好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌完成.由于该过程是减少自然环境中温室气体甲烷排放的重要途径,越来越受到各国学者的重视.本文主要对当前甲烷氧化菌的研究现状进行了综述,对好氧甲烷氧化菌的种类、参与氧化甲烷的关键酶,厌氧甲烷氧化菌的种类、参与的微生物菌种以及氧化机理进行了论述,并对这两类微生物在温室气体减排、污染物治理、废水生物脱氮、硫及金属元素回收等方面的应用现状及前景进行了分析.     

一株可利用甲烷的克雷伯氏菌的分离及其在甲烷检测中的应用

从山西太原水稻田土壤中,分离得到一株能以甲烷为唯一碳源和能源生长的菌株C611。通过生理生化特征及16SrDNA序列分析,该菌株初步鉴定为克雷伯氏菌(Klebsiella sp.)。采用响应面法优化了该菌株利用甲烷的培养条件,得到最佳培养条件为:温度24.4oC、接种量为6.7%、甲烷含量25%。以C611固定化细菌和溶氧响应仪为体系,采用电化学法研究了不同含量甲烷的响应时间以及溶氧变化与甲烷含量的关系。结果表明,菌株C611能利用甲烷,该反应体系对0～10%甲烷气体测定的响应时间小于100s;溶氧消耗量与通入甲烷气体含量呈线性关系,拟合系数(R2)为0.9994。以3%甲烷气体样品进行8次测量,测定平均值为3.09%,RSD为3.48%,相对误差为3%。表明该反应体系重现性良好,为该菌株进一步研究甲烷传感器奠定基础。     

极端环境中甲烷氧化细菌的分离和特性

从乙醇浓度高达6—7%,pH低至3—4的厌氧曲酒发酵醅中,分离到一株专性甲烷氧化细菌854-1。该菌仅依赖于甲烷好氧生长,在普通牛肉膏平板和以甲醇作为唯一碳源和能源的培养基中均不能生长。细胞革兰氏染色反应     

高效降解纤维素产甲烷菌群的富集及其性质研究

以获得1组高效降解纤维素的产甲烷菌群为目的,以蔬菜厌氧消化液、糖蜜厌氧消化液和池塘沉积物底泥为菌株来源,55℃条件下,以滤纸为碳源进行继代培养,检测其甲烷含量,最终获得1组有效分解纤维素的产甲烷菌群。该菌群能够有效分解滤纸,相对分解率可达67.3%,培养7 d甲烷累积产量可达46.5%(体积分数),培养第3天羧甲基纤维素酶(CMC)活性最高值为26.3 U/mL。有机酸中乙酸产量最高,7 d累积量为2.7 g/L。基于16S rRNA基因扩增子高通量测序分析结果表明,细菌的多样性高于古菌。细菌菌群主要由Lutispora、好氧芽胞杆菌属(Aeribacillus)、解硫胺素杆菌属(Aneurinibacillus)、共生小杆菌属(Symbiobacterium)、梭菌属(Clostridium)等组成,其中Lutispora为优势菌群,占细菌总丰度的11.04%。古菌菌群主要包括甲烷嗜热杆菌属(Methanothermobacter)、甲烷丝状菌属(Methanothrix)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷螺菌(Methanospirillum)等,其中甲烷嗜热杆菌属为优势古菌菌群,占古菌总丰度的99.82%。这组高效降解纤维素的产甲烷菌群可通过多种微生物协同作用实现纤维素的降解和甲烷的产生。     

一株甲烷利用菌的分离及其在甲烷气体测定中的应用

从山西太原晋阳湖水样中分离得到一株能以甲烷为唯一碳源生长的菌株ME16.气相色谱分析表明ME16菌株能利用甲烷.ME16菌株的16S rDNA 序列与铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa,ATCC 10145,AF094713)相似性为99%.该菌株最适培养条件为30℃、2%接种量、25%甲烷含量和培养基pH为6.0.用电化学法研究了ME16固定化细胞体系中不同含量甲烷对溶氧的响应时间以及溶氧变化与甲烷含量的关系.结果表明,加入固定化细胞后.溶氧变化在100s内达到平衡,溶氧消耗量与通入甲烷气体含量在0～16%呈线性关系,相关系数为0.9954.对样品气体8次测量,RSD为3.34%,表明该反应体系重现性良好,为该菌株进一步研究甲烷传感器奠定基础.     

含有甲烷氧化菌的混合菌群特性研究

为获得高效甲烷氧化微生物体系,从农业土壤中采样,以甲烷作为唯一碳源进行好氧选择性传代培养,得到生长性能稳定、生长优于Methylosinus trichosporium OB3b纯培养的具有甲烷单加氧酶(Methane Monooxygenase,MMO)活性甲烷氧化混合菌。利用MMO的共代谢特性,分别以苯酚和环氧丙烷作为目标对象,考察该混合菌对有机污染物的降解及用于生产有用化学物质的催化特性。结果表明,所得混合菌具有高效降解苯酚能力,对初始浓度为600mg/L的苯酚,经过11h培养,苯酚降解率可达99%。另外,以该混合菌为催化剂可以实现丙烯氧化生产环氧丙烷。通过降低磷酸盐浓度可以有效提高环氧丙烷的积累浓度,最大可至5mmol/L。此外,采用纯种分离方法结合PCR扩增、16SrRNA和MMO功能基因分析技术对混合菌群结构进行解析。结果表明,该混合菌群由Ⅱ型甲烷氧化菌及其它至少4种非甲烷氧化菌组成,它们分别属于Methylosinus trichosporium和Acinetobacter junii、Cupriavidusme tallidurans、Comamonas testosteroni和Stenotrophomonas maltophilia。采用PCR方法从混合菌及纯化菌株M.trichosporiums Y9总DNA中都能扩增得到mmoB、mmoX和pmoA基因片段,表明该甲烷氧化菌同时具有sMMO和pMMO两种形式的MMO。通过对从甲烷氧化混合菌中分离纯化得到的甲烷氧化菌进行PCR产物测序,结果发现其与Methylosinus trichosporium的同源性为99.9%。     

小叶章生态系统根际土壤微生物及CO2、CH4、N2O动态

研究了培养 4 5 d的小叶章根际土壤微生物和二氧化碳 ,甲烷及氧化亚氮产生与消耗之间的关系。结果表明好氧微生物与厌氧微生物的空间分布与甲烷 ,二氧化碳及氧化亚氮的产生和氧化有着密切的关系。好氧微生物与甲烷产生呈负相关 ,与二氧化碳和氧化亚氮的产生呈正相关关系。厌氧微生物与甲烷的产生呈正相关 ,与二氧化碳和氧化亚氮的产生呈负相关关系     

变形鞭毛虫的细胞培养和内共生甲烷菌的变化

一种奇特的变形鞭毛虫（Ｐｓａｌｔｅｒｉｏｍｏｎａｓ ｌａｍｅｒｎａ）从淡水厌氧污泥中分离后,在室内培养成功。其生长适宜条件：ｐＨ６·８,温度１５－２５℃,培养瓶内氧含量ｌ％或少于２·５％,盐含量不超过０．ｌｍｍｏｌ／Ｌ,所需营养物质０．０２％（Ｗ／Ｖ）的　蛋白胨。在无氧条件下生活的细胞产生甲烷。荧光显微镜和电镜揭示在寄主细胞内有内共生的甲烷菌。这些甲烷菌和类似微体的细胞器紧密相连形成球体。带有内共生菌的Ｐ．ｌａｎｔｅｒｎａ＋在厌氧环境中生活较好。当加入１％或少于２·５％氧时·其内共菌消失并转变成无甲烷菌的Ｐ．ｌａｎｔｅｒｎａ－,继续在相似的含氧量下培养时,其鞭毛消失,转变成变形虫。变形虫阶段的细胞仍不含内共生菌。失去内共菌的鞭毛虫和变形虫细胞在厌氧中生长极为缓慢     

陆地生态系统甲烷产生和氧化过程的微生物机理

陆地生态系统存在许多常年性或季节性缺氧环境,如:湿地、水稻土、湖泊沉积物、动物瘤胃、垃圾填埋场和厌氧生物反应器等。每年有大量有机物质进入这些环境,在缺氧条件下发生厌氧分解。甲烷是有机质厌氧分解的最终产物。产生的甲烷气体可通过缺氧-有氧界面释放到大气,产生温室效应,是重要的温室气体。产甲烷过程是缺氧环境中有机质分解的核心环节,而甲烷氧化是缺氧-有氧界面的重要微生物过程。甲烷的产生和氧化过程共同调控大气甲烷浓度,是全球碳循环不可分割的组成部分。对陆地生态系统甲烷产生和氧化过程的微生物机理研究进展进行了概要回顾和综述。主要内容包括:新型产甲烷古菌即第六和第七目产甲烷古菌和嗜冷嗜酸产甲烷古菌的发现;短链脂肪酸中间产物互营氧化过程与直接种间电子传递机制;新型甲烷氧化菌包括厌氧甲烷氧化菌和疣微菌属好氧甲烷氧化菌的发现;甲烷氧化菌生理生态与环境适应的新机制。这些研究进展显著拓展了人们对陆地生态系统甲烷产生和氧化机理的认识和理解。随着新一代土壤微生物研究技术的发展与应用,甲烷产生和氧化微生物研究领域将面临更多机遇和挑战,对未来发展趋势做了展望。     

植物排放甲烷的研究进展

甲烷是一种重要的大气痕量气体,参与全球变暖和大气化学作用。传统上已知的甲烷生物排放源只有专性厌氧的原核生物即甲烷产生菌。然而近年来有研究发现,植物在好氧条件下能通过一种未知的机理排放甲烷,即非微生物机制产生甲烷。本文对植物排放甲烷的研究进展进行了综述,并提出了今后应加强研究的方面。     

植物排放甲烷的研究进展

甲烷是一种重要的大气痕量气体,参与全球变暖和大气化学作用。传统上已知的甲烷生物排放源只有专性厌氧的原核生物即甲烷产生菌。然而近年来有研究发现,植物在好氧条件下能通过一种未知的机理排放甲烷,即非微生物机制产生甲烷。本文对植物排放甲烷的研究进展进行了综述,并提出了今后应加强研究的方面。     

基于甲烷氧化菌的脱氮技术研究进展

甲烷氧化菌利用甲烷作为唯一碳源和能源,在氧化甲烷的过程中能有效地实现脱氮,该过程分为好氧甲烷氧化耦合反硝化(aerobic methane oxidation coupled to denitrification,AME-D)和厌氧甲烷氧化耦合反硝化(anaerobic methane oxidation coupled to denitrification,ANME-D),在碳循环和氮循环的研究中具有重要意义。本文通过总结近年来有关甲烷氧化菌的分类与分布,阐述AME-D和ANME-D的基本原理、影响因素和应用情况,提出相应的研究方向,以期为甲烷氧化菌在污水脱氮中的应用提供参考。     

颗粒状甲烷单加氧酶异源表达方法

由于甲烷氧化菌只能利用甲烷作为唯一的碳源和能源,存在生长缓慢、细胞密度低、培养困难等问题,限制了其工业应用。解决该问题的有效途径之一是在容易实现高密度培养的异源宿主菌中表达甲烷单加氧酶(Methane monooxygenase,MMO)。本实验室前期首次在一种红球菌中成功地表达了来自于甲烷氧化菌(Methylosinus trichosporium)OB3b的pMMO(颗粒状甲烷单加氧酶),但比酶活较原始菌低很多。本实验在该结果的基础上,通过选用不同的启动子和宿主细胞探索表达pMMO的可能性,结果得到了具有氧化甲烷活性的重组菌,但是产物检测到乙醇的生成,且该重组菌的pMMO活性不稳定,暗示pMMO的催化特性可能发生了变化。另外,很多重组菌检测到pMMO蛋白的表达,但没有催化活性,说明pMMO在宿主细胞中的正确组装是其功能表达的关键。     

微生物胞外长距离电子传递网络研究进展

[目的] 解析一株从黄河三角洲湿地甲烷氧化富集物中分离获得的甲烷氧化菌伴生菌的生理学及电化学特性,并探究该菌株对甲烷氧化过程的影响。[方法] 使用高通量测序技术解析甲烷氧化富集物的菌群结构,采用稀释涂布法、平板划线法分离甲烷氧化菌的伴生菌,通过16S rRNA基因测序技术进行菌株初步鉴定。利用扫描电子显微镜观察菌株形态,并通过气相色谱（gas chromatography,GC）检测伴生菌利用甲烷情况及对甲烷氧化菌氧化甲烷效率的影响。采用双室微生物燃料电池（microbial fuel cells,MFCs）及差分脉冲伏安法（differential pulse voltammetry,DPV）检测菌株的电化学活性。[结果] 黄河三角洲湿地土壤甲烷氧化富集物主要的好氧甲烷氧化菌为甲基杆菌属Methylobacter,同时还发现一些伴生菌。分离得到一株甲醇利用菌P7,其16S rRNA基因序列与恶臭假单胞菌Pseudomonasputida的相似性达99.79%。扫描电镜结果显示该菌株为杆状,长约1.5-2.5μm,宽度约为0.5μm。GC检测结果显示,该菌株不能利用甲烷,但与甲烷氧化菌共培养时,可以促进甲烷氧化（P<0.05）。双室MFCs检测结果显示该菌株具有电活性,最大电流输出密度为28 mA/m²,DPV检测结果显示该菌株主要的氧化峰和还原峰分别位于-0.17 V和-0.25 V。[结论] 本研究从黄河三角洲湿地甲烷氧化富集物中获得一株具有电活性的甲烷氧化菌的伴生菌恶臭假单胞菌Pseudomonas putida P7,该菌株可以促进甲烷氧化。本研究加深了对甲烷氧化过程中伴生菌的生理学特性及功能的认识。     

一株催化丙烯环氧化菌株的分离及特金润之 朱劲松 江群益 沈思师 沈善炯性

从87株能利用甲烷的培养物中筛选到一株具有高甲烷单加氧酶活性的甲基单胞菌菌株(Methylomonas Z201)。研究了该菌的最佳生长条件和催化丙烯氧化积累环氧丙烷(PO)的最佳催化条件。在最佳条件下,Z201休止细胞的催化能力达60nmoIPO·min-1·mg-1干细胞．     

新一代高通量测序与稳定性同位素示踪DNA/RNA技术研究稻田红壤甲烷氧化的微生物过程

[目的]利用新一代高通量测序技术分析复杂土壤环境中整体微生物群落结构的变化规律,研究特定功能微生物生理过程的分子机制;利用稳定性同位素示踪微生物核酸DNA/RNA,研究复杂土壤中关键元素转化的微生物调控机制.[方法]针对我国第四纪红色粘土母质发育的3种稻田红壤,围绕13C-甲烷好氧氧化的微生物过程,在DNA和RNA水平高通量测序土壤微生物群落16S rRNA基因和16S rRNA,通过超高速密度梯度离心土壤微生物总核酸获得13C-标记的DNA/RNA,进一步采用克隆文库技术研究稻田红壤甲烷好氧氧化的微生物作用者.[结果]新一代高通量测序结果表明,3种稻田红壤甲烷的好氧氧化过程中,甲烷好氧氧化菌占土壤整体微生物群落的丰度显著增加,RNA水平的增幅显著高于DNA水平,能够更为灵敏地反映土壤甲烷好氧氧化的微生物过程.3种稻田红壤甲烷的好氧氧化过程中,类型Ⅰ和类型Ⅱ甲烷好氧氧化菌在湖南古市土壤中显著增加,湖南桃源土壤中类型Ⅱ甲烷好氧氧化菌增加明显,而类型Ⅰ甲烷好氧氧化菌在广东雷州土壤中增幅最大.进一步利用13C-DNA和13C-RNA分别构建pmoA基因和16S rRNA克隆文库,发现类型Ⅰ甲烷好氧氧化菌主导了湖南古市和广东雷州稻田红壤甲烷的好氧氧化过程,类型Ⅱ甲烷好氧氧化菌主导了湖南桃源稻田红壤甲烷的好氧氧化过程.[结论]新一代高通量测序技术能够在整体微生物群落水平,清楚反映复杂土壤中特定功能微生物的生理生态过程,而RNA较DNA水平的分析更为灵敏;稳定性同位素示踪微生物核酸DNA/RNA技术能够准确地揭示复杂土壤重要过程的微生物作用者.