产甲烷古菌铁氢酶研究进展

根据活性中心金属原子的不同,氢酶主要分为镍铁、铁铁、铁氢酶三大类。铁氢酶是发现较晚、存在物种单一且结构较为特殊的一类氢酶。目前,铁氢酶仅发现于氢营养型产甲烷古菌中。该酶直接催化氢气异裂,还原产甲烷代谢途径中一碳载体四氢蝶呤的次甲基转化为亚甲基。与其他两类氢酶相比,铁氢酶不含传递电子的铁硫簇和双金属活性中心,在结构组成上有较大的差异。此外,铁氢酶活性中心的吡啶环被高度取代,活性中心铁原子直接与酰基碳成键,这些奇特的活性分子结构预示着氢酶全新的催化机制,以及古菌细胞在合成特殊结构大分子方面的特殊功能。本文总结了从1990年发现这类新型氢酶以来的相关研究,分别从氢酶的生理功能、结构特征、催化机制、成熟过程及应用研究等方面阐述铁氢酶的研究进展。     

产甲烷古菌研究进展

产甲烷古菌是一类严格厌氧的古菌,只能利用简单的化合物进行产甲烷生长。产甲烷古菌在地球生命起源和进化、全球气候变化、碳生物地球化学循环和农业废弃物资源化利用等领域,都起着至关重要的作用。系统了解产甲烷古菌的生物学特征,将有助于在这些基础和应用领域的研究工作。本文主要从生理生化特征、代谢途径、能量储存和系统分类等方面介绍产甲烷古菌的研究进展。     

光呼吸研究进展

光呼吸是指植物绿色组织依赖光能吸收O₂并释放CO₂的过程,它被认为是一个浪费能量的过程。正常生长的C₃植物光呼吸可损耗光合产物的25%~30%,在干旱、高温、高光等逆境胁迫下,该损耗可高达50%,因此,显著提高C₃植物的生产力可通过减少光呼吸通量来实现。尽管光呼吸对植物生产力的负面影响明显,但它对植物一些必要生理活动可能起着重要作用,其中包括参与光保护、H₂O₂信号发生、氮代谢、光氧化和抗逆反应等。该文对光呼吸的改造优化需要把握好平衡点与适配度。基于Rubisco改造、CO₂浓缩机制(CCM)和光呼吸支路创建的光呼吸改造研究进展进行了综述。通过了解调控光呼吸提高植物光能转化效率方面的最新进展, 可望为光呼吸代谢的分子调控及改良研究提供指导。     

低温湿地甲烷古菌及其介导的甲烷产生途径

甲烷是重要的温室气体,低温湿地是大气甲烷的重要来源,因为湿地土壤中生活着大量的微生物包括甲烷古菌,它们将有机物降解转化为甲烷.本文总结了近年来低温湿地甲烷古菌群落组成、甲烷产生途径及其与环境的关系.研究显示,乙酸是低温湿地中主要的产甲烷物质,氢产甲烷过程主要发生在中温地区或酸性泥炭土中,而在盐碱水域中甲醇、甲胺是甲烷的重要底物.位于我国青藏高原的若尔盖湿地具有高海拔但低纬度的地理特征,我们的前期研究却显示甲醇在该湿地的甲烷排放中具有重要贡献.相应地,低温湿地中的甲烷古菌主要是利用甲基类化合物/乙酸的甲烷八叠球菌目和氢营养型的甲烷微球菌目.然而不同类型湿地甲烷排放途径及甲烷古菌的差异主要与环境的土壤类型、pH及植被类型相关,如刚毛荸荠生长的若尔盖湿地土壤中来源于甲醇的甲烷占全部甲烷的l7％;而木里苔草土壤中乙酸是产甲烷的主要前体物质.尽管已知冷适应的甲烷古菌在低温湿地的甲烷排放中发挥重要作用,但目前获得培养的嗜冷甲烷古菌却很少.冷响应的组学研究显示甲烷古菌的冷适应涉及到全局性生物学过程.     

新型产甲烷古菌研究进展

产甲烷古菌是一类能利用简单化合物产生甲烷气体的厌氧菌。近年来,随着测序技术的不断发展,科学家结合宏基因组学和其他技术先后发现了众多之前未被报道的新型产甲烷古菌。基因组分析等研究发现这几类新型产甲烷古菌具有独特的甲烷代谢通路以及广泛的生态分布,科学家推测它们在全球生态调节以及碳循环中可能起到了不可忽视的作用。然而,这些新型产甲烷古菌大部分尚未通过传统培养方法获得纯培养菌株,其确切的生理代谢机制和生态功能还有待深入研究。为了更加系统地了解这些新型产甲烷古菌,本文从它们的分类、系统发育地位、代谢机制、生态分布以及分离培养等方面进行了综述,并对新型产甲烷古菌未来的研究方向进行了展望。     

植物维生素B_6从头合成与代谢转换研究进展

维生素B6是一组可相互转换的吡啶衍生物的总称,包括吡哆醇、吡哆胺、吡哆醛、磷酸吡哆醇、磷酸吡哆胺和磷酸吡哆醛。其中,磷酸吡哆醛是140多种细胞酶的辅酶。至今发现两种VB6从头合成途径,DXP(1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸)依赖途径和DXP非依赖途径,前者仅存在于大肠杆菌和少量其他细菌,后者存在于其他所有VB6自养生物。除了VB6的从头合成,所有细胞生物体内还存在一条相似的补救途径,补救途径实现VB6各型的代谢转换。该文对近年来国内外有关植物VB6从头合成和代谢转换研究进展进行综述。     

甲基-辅酶M还原酶结构、功能及催化机制研究进展

产甲烷古菌是目前发现唯一能产生甲烷气体的微生物,也是自然界中生物甲烷的主要贡献者.甲基-辅酶M还原酶(Methyl-coenzyme M reductase,Mcr)负责产甲烷代谢中最后一步甲烷的生成与甲烷氧化代谢中第一步甲烷的激活反应.该酶的基因高度保守,被广泛应用于古菌的鉴定与系统发育研究.其特殊的辅因子F430及...     

早春短命植物鸢尾蒜和准噶尔鸢尾蒜的光合途径

该研究以鸢尾蒜属两种早春短命植物准噶尔鸢尾蒜(Ixiolirion songaricum)和鸢尾蒜(Ixiolirion tataricum)为对象,通过解剖结构、光合参数、稳定碳同位素比值(δ¹³C)和光合关键酶活性分析二者的光合途径。结果发现：(1)显微结构和超微结构显示,两种短命植物的叶脉维管束鞘细胞1层、排列较紧密,鞘细胞内含有较多叶绿体且多离心分布,类似C₄花环结构。(2)准噶尔鸢尾蒜和鸢尾蒜最大净光合速率分别为14.81和15.04 μmol·m^-2·s^-1;两者的CO₂补偿点较低,分别为3.57和2.54 μmol·mol^-1,δ¹³C分别为-25.36±0.55‰和-25.76±1.38‰,光合酶PEPC/Rubisco比值分为别0.244和0.322。(3)最大净光合速率、δ¹³C和PEPC/Rubisco比值均说明两种植物为C₃光合途径,但二者均具有类似C₄的维管束鞘结构、较低的CO₂补偿点和暗呼吸速率,并具有高于部分C₃和C₃ C₄中间型植物的PEPC/Rubisco比值,表明两种短命植物的光合途径并非典型的C₃途径,而是C₃ C₄中间型。     

地质封存二氧化碳与深地微生物相互作用研究进展

地质封存将工业和能源相关领域生产活动产生的二氧化碳（CO₂）进行捕集并注入到深部地下岩石构造中,以实现长期储存的目标,是降低温室气体排放、实现CO₂长期封存的重要可行性手段之一。向深部地下地质构造中注入大量CO₂会导致深地环境发生显著变化,进而引起原生微生物活性及群落结构发生明显改变。因此,地质封存CO₂能够直接或间接影响深地微生物驱动的生物地球化学过程。同时,微生物在短期和长期的超临界CO₂（scCO₂）胁迫作用下,也会通过不同的适应性进化方式影响CO₂在地下环境中的迁移、转化和赋存形态。本文介绍了国内外二氧化碳捕获与封存发展现状以及地质封存CO₂影响条件下的scCO₂-水-微生物-矿物的相互作用领域的最新科研进展,并展望了利用深地微生物强化CO₂固定以及将其转化为高附加值产物的潜力。     

螺旋藻培养液吸收CO2特性的研究

培养液中含有高浓度的ＨＣＯ和ＣＯ,活跃进行的ＣＯ２,ＨＣＯ和ＣＯ３种碳源形式相互转变的化学反应,构成了螺旋藻培养液不同于其它藻类培养液的显著特征。定量研究了ＣＯ２吸收速率与碳源浓度、温度、ｐＨ值、盐度、培养液运动状态的关系,利用培养液吸收ＣＯ２的物理模型解释了碳源浓度、ｐＨ值、培养液运动状态影响ＣＯ２吸收速率的机理。对化学反应是否影响ＣＯ２吸收速率这一有争议的问题进行了探讨,在肯定化学反应影响的前提下,指出化学反应的影响能否被观察到,显著程度如何,关键在于培养液的运动状态。根据实验结果,给出了利用“气罩法”添加ＣＯ２,所需气罩面积与产量、碳源浓度、培养液运动状态、培养面积数量关系的理论值。使用培养液的“ＣＯ２容量”的概念,说明利用ＣＯ２为碳源培养螺旋藻与其它藻类相比,可以得到更高的碳源利用率,从而产生更大的效益。     

Effect of hydrogen concentration on the community structure of hydrogenotrophic methanogens studied by T-RELP analysis of 16S rRNA gene amplicons

Terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) analysis of 16S rRNA genes was used to monitor the changes in the composition of the population of methanogens in enrichment cultures under high and low hydrogen concentrations. Hydrogen concentration was shown to determine the structure of a methanogenic community. High hydrogen concentration probably favors the hydrogen-and acetate-utilizing representatives of Methanosarcinaceae, while a more diverse methanogenic community is favored by low hydrogen concentrations.     

芦岭煤田微生物群落结构和生物成因气的产甲烷类型研究

【目的】揭示芦岭煤田微生物群落组成,并分析其潜在的产甲烷类型及产甲烷途径。【方法】采集芦岭煤田的煤层气样品和产出水样品,分别分析样品的地球化学性质特征;利用Illumina HiSeq高通量测序技术分析产出水中的微生物群落结构;采用添加不同底物的厌氧培养实验进一步证实芦岭煤田生物成因气的产甲烷类型。【结果】该地区煤层气为生物成因和热成因的混合成因气;古菌16S rRNA基因分析表明在产出水中含有乙酸营养型、氢营养型和甲基营养型的产甲烷菌。丰度较高的细菌具有降解煤中芳香族和纤维素衍生化合物的潜力。厌氧富集培养结果表明,添加乙酸盐、甲酸盐、H2+CO2为底物的矿井水样均有明显的甲烷产生。【结论】芦岭煤田具有丰富的生物多样性,该地区同时存在三种产甲烷类型。本研究为利用微生物技术提高煤层气的采收率,实现煤层气的可持续开采提供科学依据。     

Influence of temperature and high acetate concentrations on methanogenesis in lake sediment slurries

Methanogenesis from main methane precursors H(2)/CO(2) and acetate was investigated in a temperature range of 2-70 degrees C using sediments from Lake Baldegg, Switzerland. Psychrophilic, psychrotrophic, mesophilic, and thermophilic methanogenic microbial communities were enriched by incubations for 1-3 months of nonamended sediment slurries at 5, 15, 30, and 50 degrees C. Isotope experiments with slurries amended with (14)C-labeled bicarbonate and (14)C-2-acetate showed that in the psychrophilic community (enriched at 5 degrees C), about 95% of methane originated from acetate, in contrast to the thermophilic community (50 degrees C) where up to 98% of methane was formed from bicarbonate. In the mesophilic community (30 degrees C), acetate was the precursor of about 80% of the methane produced. When the hydrogen-carbon dioxide mixture (H(2)/CO(2)) was used as a substrate, it was directly converted to methane under thermophilic conditions (70 and 50 degrees C). Under mesophilic conditions (30 degrees C), both pathways, hydrogenotrophic and acetoclastic, were observed. At low temperatures (5 and 15 degrees C), H(2)/CO(2) was converted into methane by a two-step process; first acetate was formed, followed by methane production from acetate. When slurries were incubated at high partial pressures of H(2)/CO(2), the high concentrations of acetate produced of more than 20 mM inhibited acetoclastic methanogenesis at a temperature below 15 degrees C. However, slow adaptation of the psychrophilic microbial community to high acetate concentrations was observed.     

有氧产甲烷研究进展

甲烷是温室气体的一种,对全球气候变化和人们的生活都有着重要的影响。全球绝大部分甲烷来自于产甲烷古菌的代谢,因此主要发生在厌氧环境之中。然而一些最新的研究发现,自然界的有氧环境中同样存在着甲烷产生现象,而产甲烷微生物也不仅限于产甲烷古菌。本文从微生物的产甲烷作用出发,对有氧环境中的甲烷产生进行整体的归纳,总结已有的研究结果,为以后产甲烷方面的研究提供新的思路和方向。     

2-卤代酸脱卤酶研究进展

2-卤代酸脱卤酶(EC 3.8.1.X)催化2-卤代酸脱卤水解形成相应的2-羟基酸。该类酶不仅能够降解环境中的卤代污染物,而且具有宽广底物谱和高效手性拆分特性,因而在环保和手性中间体的绿色合成中具有广阔应用前景。目前已经对多种2-卤代酸脱卤酶进行生化特性表征,并对酶分子三维结构及催化机制进行了深入研究。文中从2-卤代酸脱卤酶的来源、蛋白质结构与催化反应机制、催化特性及应用方面等研究取得的新进展进行综述,并展望了2-卤代酸脱卤酶的进一步研究方向。     

Microbial ecosystem and methanogenesis in ruminants

Ruminant production is under increased public scrutiny in terms of the importance of cattle and other ruminants as major producers of the greenhouse gas methane. Methanogenesis is performed by methanogenic archaea, a specialised group of microbes present in several anaerobic environments including the rumen. In the rumen, methanogens utilise predominantly H2 and CO2 as substrates to produce methane, filling an important functional niche in the ecosystem. However, in addition to methanogens, other microbes also have an influence on methane production either because they are involved in hydrogen (H2) metabolism or because they affect the numbers of methanogens or other members of the microbiota. This study explores the relationship between some of these microbes and methanogenesis and highlights some functional groups that could play a role in decreasing methane emissions. Dihydrogen ('H2' from this point on) is the key element that drives methane production in the rumen. Among H2 producers, protozoa have a prominent position, which is strengthened by their close physical association with methanogens, which favours H2 transfer from one to the other. A strong positive interaction was found between protozoal numbers and methane emissions, and because this group is possibly not essential for rumen function, protozoa might be a target for methane mitigation. An important function that is associated with production of H2 is the degradation of fibrous plant material. However, not all members of the rumen fibrolytic community produce H2. Increasing the proportion of non-H2 producing fibrolytic microorganisms might decrease methane production without affecting forage degradability. Alternative pathways that use electron acceptors other than CO2 to oxidise H2 also exist in the rumen. Bacteria with this type of metabolism normally occupy a distinct ecological niche and are not dominant members of the microbiota; however, their numbers can increase if the right potential electron acceptor is present in the diet. Nitrate is an alternative electron sinks that can promote the growth of particular bacteria able to compete with methanogens. Because of the toxicity of the intermediate product, nitrite, the use of nitrate has not been fully explored, but in adapted animals, nitrite does not accumulate and nitrate supplementation may be an alternative under some dietary conditions that deserves to be further studied. In conclusion, methanogens in the rumen co-exist with other microbes, which have contrasting activities. A better understanding of these populations and the pathways that compete with methanogenesis may provide novel targets for emissions abatement in ruminant production.