氢营养型产甲烷代谢途径研究进展

产甲烷古菌是一类极端厌氧的古菌域微生物,可以利用CO_2、甲醇、乙酸等简单化合物产甲烷并获得能量。目前能够培养的氢营养型(CO_2/H_2)产甲烷古菌的种类较多,而且在三类产甲烷代谢类型中,氢营养型产甲烷途径的产能效率最高,并具有多种模式的特殊能量利用系统。近年来,随着质谱、光谱和晶体技术的发展与运用,人们对产甲烷代谢途径的研究进一步深入,尤其是对氢营养型产甲烷途径的生化机制有了新的认识,揭示了产甲烷古菌在能量极限条件下独特、高效的能量利用模式。本文从能量储存、代谢途径、蛋白功能与催化机制等方面概述产甲烷古菌利用CO_2/H_2产甲烷的详细过程,并对产甲烷古菌代谢途径的研究方向与技术发展进行展望。     

产甲烷菌的辅酶

产甲烷菌是迄今所知最严格的厌氧菌:它不仅必须在无氧条件下才能生长,而且只有当氧化还原电位低于-330mV时才产甲烷。它们从简单的碳化合物转化成为甲烷的过程中获得生长所需的能量。产甲烷菌能够利用的基质范围很窄。极大多数产甲烷菌从H_2还原CO_2生成甲烷的过程中获取能量。     

青藏高原三个盐碱湖的产甲烷菌群和产甲烷代谢途径分析

【目的】分析青藏高原不同类型盐碱湖中的优势产甲烷菌群和优势产甲烷代谢途径。【方法】以不同盐度和植被类型的公珠错、昆仲错和无植被的兹格塘错的沉积物为研究对象,通过高通量测序和q PCR定量古菌16S r RNA多样性分析优势古菌类群;模拟原位盐浓度及p H,比较不同产甲烷底物(甲醇、三甲胺、乙酸和H_2/CO_2)富集沉积物的产甲烷速率,分析其优势产甲烷菌代谢类型。通过添加产甲烷抑制剂(2-溴乙烷磺酸盐),检测沉积物中产甲烷底物积累,确定不同盐碱湖中主要的产甲烷途径。【结果】昆仲错的优势菌群包括甲基/乙酸型的甲烷八叠球菌科(Methanosarcinaceae,11%),乙酸型的甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae,7.9%)和氢型甲烷菌甲烷杆菌目(Methanomicrobiales,7.4%);公珠错和兹格塘错的优势菌群为甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)分别占15%和15.3%,及甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲基型的甲烷叶菌属(Methanolobus)。公珠错和昆仲错分别以乙酸和甲醇产甲烷速率最高,而兹格塘错从不同底物产甲烷速率无差异。抑制甲烷产生后,公珠错主要积累乙酸,昆仲错主要积累甲醇;兹格塘错不仅甲烷排放低,也无产甲烷物质显著积累。【结论】昆仲错沉积物中的甲烷主要来自甲醇,公珠错中的甲烷主要来自乙酸,而兹格塘错产甲烷和底物积累不活跃。因而推测高原盐碱湖主要的产甲烷途径和菌群可能与周围植被类型的相关性更高,而与盐度的直接相关性较低。     

扎龙盐碱湿地芦苇根际土的优势产甲烷途径分析

【背景】芦苇湿地是甲烷主要的排放源之一,产甲烷古菌是唯一产生大量甲烷的生物,而盐碱湿地芦苇根际土优势甲烷途径鲜有研究。【目的】调查扎龙低温盐碱湿地芦苇根际土中的优势产甲烷途径。【方法】通过16S rRNA基因扩增子测序,分析扎龙湿地芦苇生长季根际土壤深度0–20 cm的产甲烷古菌和细菌组成。用已知的产甲烷底物三甲胺、甲醇、乙酸和H₂/CO₂,以及高盐环境植物和细菌的相似相容物质——甜菜碱(被细菌还原成三甲胺)在pH 8.0培养获得芦苇根际土的产甲烷富集物。测定各种富集物的产甲烷速率鉴定芦苇根际土的优势产甲烷途径;测定甜菜碱富集物中的16S rRNA基因多样性,并用RT-qPCR定量优势细菌和古菌的物种组成,从而推测协同代谢甜菜碱产甲烷的细菌和古菌类群。【结果】扎龙盐碱湿地芦苇根际土含有氢营养型的甲烷杆菌属(Methanobacterium,36.42%)、偏好低氢的Rice Cluster Ⅱ (11.55%)、乙酸营养型的甲烷鬃菌属(Methanosaeta,11.29%)、甲基营养型的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina,6.53...     

厌氧消化器中微生物生态学的研究

应用一套自行设计的以豆腐废水为原料实验性的半连续化的厌氧消化器可将甲烷发酵的各个阶段分开。从中分离到占优势和重要的水解和发酵性细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌。艰解和发酵性细菌经鉴定是乳杆菌盾、链球菌属、双岐杆菌属、梭状芽孢杆菌属、丙酸杆菌属和螺旋体等属的细菌,其中有些菌株是上述属中的新种。产氢产乙酸细菌是氧化丁酸盐菌,初始分离时与氧化丁酸盐菌相配合的利用氢的细菌是消化器中的一种特有的产甲烷球菌。分离到的产甲烷细菌中有4个已知的种,还发现一个新种。本文还对上述细菌利用豆腐废水生成甲烷的一系列生化反应进行了归纳小结。从豆腐废水厌氧消化器中发现了一些未报道过的细菌新种,说明这样的微生物生态系是前人未曾研究过的。     

产甲烷细菌的超微结构

用透射电子显微镜和扫描电子显散镜观察了7株产甲烷细菌的形态和细胞细微结构。这7株产甲烷细菌分别是嗜热自养甲烷杆菌CB一12菌株,布氏甲烷杆菌CS菌株、史氏甲烷短杆菌H一13菌株、索氏甲烷丝菌CT菌株、甲烷八叠球菌TH菌株、嗜热甲烷八叠球菌CB-8菌株、甲烷球菌。讨论了7株产甲烷细菌细胞壁结构的差异,产甲烷杆菌的细胞质内膜结构与其产能代谢的关系。     

南海莺琼盆地沉积环境中几种厌氧细菌的组成与分布

在严格的厌氧条件下,用MPN计数的方法测定了莺琼盆地东方1-1-1井垂直剖面不同沉积层的地质样品中的硫酸盐还原菌、发酵细菌的数量,并检测了产甲烷细菌,对各种菌的形态进行了观察,比较了菌数量与一些指标的关系,并对产甲烷细菌的代谢类型和产甲烷能力进行了观察。研究结果表明：硫酸盐还原菌在各样品中均存在,与沉积深度无相关性,而与样品中SO2-4的含量有一定相关性;而发酵细菌的分布也与沉积深度无相关性,而与样品中的有机质有一定的负相关性。全部样品中均检测出两种形态产甲烷细菌,即甲烷球菌（Methanococcus）和甲烷杆菌（Methanobacterium）,其营养类型为H2／CO2。     

嗜热自养甲烷杆菌的分离和生理特性的初步研究

嗜热自养甲烷杆菌(Methanobacterium thermoau trophicum)是从上海市科学会堂沼气池取样,在65℃条件下经过富集分离而得到的一株产甲烷杆菌。该菌能利用H_2和CO_2作为生长基质,不能利用甲醇、乙醇、甲酸钠、乙酸钠、丙酸钠等作为供氢体。氮源主要来自NH_4~+。少量的酵母膏等有机物和一定量的污泥上清液对     

人肠道梭菌和甲烷马赛球菌协同代谢甜菜碱和胆碱产甲烷研究

【目的】根据人肠道富含胆碱和甜菜碱,同时肠道微生物组中具有裂解胆碱和还原甜菜碱产三甲胺的细菌,以及利用三甲胺产甲烷的古菌,本研究探讨肠道细菌与古菌协同代谢甜菜碱和胆碱产甲烷的可能性。【方法】调查不同年龄段人群粪便中的16S rRNA基因多样性,分析肠道中古菌的菌群组成;利用定量PCR(quantitativePCR,qPCR)定量甲烷马赛球菌(Methanomassiliicoccus)特异的甲醇甲基转移酶基因mtaB和甲烷八叠球菌(Methanosarcina)及细菌的16SrRNA基因拷贝数,分析肠道中甲基营养型产甲烷古菌及总细菌的含量;宏基因组组装基因组(metagenome-assembled genomes, MAGs)分析携带甜菜碱还原酶基因grdH和胆碱裂解酶基因cutC的细菌组成。从粪便中分离代谢甜菜碱及胆碱产生三甲胺的细菌,并与分离自人肠道的甲烷马赛球菌构建共培养物,测定其协同转化甜菜碱和胆碱产甲烷的能力。【结果】年轻人粪便中含有甲烷杆菌科(Methanobacteriaceae,82.16%)的甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter,49.18%)和甲烷...     

不同沉积环境中几种厌氧细菌的组成与分布

在严格的厌氧条件下,用MPN计数的方法测定了几种不同沉积环境的地质样品中的硫酸盐还原细菌、发酵性细菌、产甲烷细菌的数量;观察了不同沉积类型的样品中产甲烷细菌的种类和代谢类型;比较了岩芯等典型样品的产甲烷能力。结果表明,陆相沉积物中的硫酸盐还原细菌的分布,受沉积深度的限制,其数量与沉积深度之间有较好的负相关性。在同一沉积环境的相同层位中,发酵性细菌以及厌氧纤维素分解细菌的数量随有机质或纤维素的含量而变化。在各种沉积环境中,产甲烷细菌的数量都明显少于其他非产甲烷细菌。用MPN计数的方法通常检测不到岩芯样品中的产甲烷细菌。现代海相表层沉积物的样品产甲烷细菌主要是甲烷杆菌属(Methanobactertum),其营养类型为H2／CO2。现代陆相沉积物和成岩早期的样品,产甲烷细菌的类群比较复杂,营养类型为H2／CO2和乙酸。成岩中晚期的样品中,产甲烷细菌以甲烷球菌属(Methanococcus)为主,营养类型为H 2／CO2．     

不同生境微生物转化H_2/CO_2产乙酸及其在合成气发酵中应用（英文）

【目的】合成气发酵对大力开发可再生资源和促进国家可持续发展具有重要意义,研究旨在探究不同生境微生物转化H_2/CO_2产乙酸及其合成气发酵的潜力。【方法】采集剩余污泥、牛粪、产甲烷污泥和河道底物样品在中温(37°C)条件下生物转化H_2/CO_2气体,将来源于牛粪样品的H_2/CO_2转化富集物用于合成气发酵,通过454高通量技术和定量PCR技术分析复杂微生物群落的组成,GC气相色谱法检测气体转化产生的挥发性脂肪酸(VFAs)浓度。【结果】牛粪和剩余污泥微生物利用H_2/CO_2气体生成乙酸、乙醇和丁酸等,最高乙酸浓度分别为63 mmol/L和40 mmol/L,明显高于河道底物和产甲烷污泥样品的最高乙酸浓度3 mmol/L和16 mmol/L。牛粪和剩余污泥微生物中含有种类多样化的同型产乙酸菌,剩余污泥中同型产乙酸菌主要为Clostridium spp.、Sporomusa malonica和Acetoanaerobium noterae,牛粪中则为Clostridium spp.、Treponema azotonutricium和Oxobacter pfennigii。【结论】同型产乙酸菌的丰富度和数量两个因素都对复杂微生物群落转化H_2/CO_2产乙酸效率至关重要;转化H_2/CO_2得到的富集物可用于合成气发酵产乙酸和乙醇,这为基于混合培养技术的合成气发酵提供了依据。     

甲烷产生菌是原始生物的活化石吗?

甲烷产生菌(Metanogen)是消耗二氧化碳和氢而生成甲烷(O_2 4H_2→CH_4 2H_2O)的一些嫌气性细菌的总称。其形态千差万别,生境也各不相同。迄今为止它在分类学上的地位尚未明确。依利诺斯大学C.R.Woese和C.Fox认为甲烷产生菌和其他细菌有许多不同点,应     

土壤铁氧化物对有机质产甲烷过程的影响及其机制

甲烷(CH4)是重要的温室气体和清洁能源。土壤铁氧化物作为重要的环境因子对有机质产甲烷过程具有重要影响。强氧化性且易微生物还原的铁氧化物对产甲烷具有抑制作用,其抑制机理为:(1)铁还原菌与产甲烷菌竞争产甲烷底物(乙酸或H_2)抑制产甲烷过程;(2)产甲烷菌利用Fe(Ⅲ)氧化底物抑制甲烷产生;(3)铁氧化物提高体系氧化还原电势抑制产甲烷过程。然而,具有导电性且晶型较高的铁氧化物可作为电子导体促进互营菌与产甲烷菌之间的直接电子传递,加速产甲烷过程。本文系统阐述了不同类型铁氧化物对有机质互营产甲烷过程的抑制或促进效应及作用机制,并在此基础上探讨了铁氧化物影响产甲烷过程的研究趋势,以期推动铁氧化物在抑制温室气体和促进清洁能源生产方面的实际应用。     

人肠道梭菌和甲烷马赛球菌协同代谢甜菜碱和胆碱产甲烷研究

【目的】根据人肠道富含胆碱和甜菜碱,同时肠道微生物组中具有裂解胆碱和还原甜菜碱产三甲胺的细菌,以及利用三甲胺产甲烷的古菌,本研究探讨肠道细菌与古菌协同代谢甜菜碱和胆碱产甲烷的可能性。【方法】调查不同年龄段人群粪便中的16S rRNA基因多样性,分析肠道中古菌的菌群组成;利用定量PCR(quantitative PCR,qPCR)定量甲烷马赛球菌(Methanomassiliicoccus)特异的甲醇甲基转移酶基因mtaB和甲烷八叠球菌(Methanosarcina)及细菌的16S rRNA基因拷贝数,分析肠道中甲基营养型产甲烷古菌及总细菌的含量;宏基因组组装基因组(metagenome-assembled genomes,MAGs)分析携带甜菜碱还原酶基因grdH和胆碱裂解酶基因cutC的细菌组成。从粪便中分离代谢甜菜碱及胆碱产生三甲胺的细菌,并与分离自人肠道的甲烷马赛球菌构建共培养物,测定其协同转化甜菜碱和胆碱产甲烷的能力。【结果】年轻人粪便中含有甲烷杆菌科(Methanobacteriaceae,82.16%)的甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter,49.18%)和甲烷杆菌属(Methanobacterium,33.34%)、甲基营养型的甲烷八叠球菌科(Methanosarcinaceae,5.67%)的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina,5.70%),以及甲烷马赛球菌科(Methanomassiliicoccaceae,3.13%)的甲烷马赛球菌属(Methanomassiliicoccus,3.14%)。而中老年人粪便中的甲烷古菌多样性较低,也未检测到甲烷马赛球菌。qPCR定量分析显示年轻人比中老年人肠道的总古菌含量高3.11倍,其中甲烷马赛球菌高6.53倍、甲烷八叠球菌高5.52倍,总细菌含量高2.90倍。宏基因组分析组装了229个细菌基因组,其中42个携带基因grdH和cutC,这些细菌属于毛螺菌科(Lachnospiraceae)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)和梭菌科(Clostridiaceae)等。从粪便中分离到恶名梭菌(Clostridium malenominatum)B8,菌株B8与卢米尼甲烷马赛球菌(Methanomassiliicoccus luminyensis)B10共培养物可降解47.03%的甜菜碱和25.83%胆碱,并产生甲烷,在培养液中检测到三甲胺先积累后被降解。【结论】人肠道细菌恶名梭菌B8和卢米尼甲烷马赛球菌B10可协同代谢甜菜碱和胆碱产甲烷,推测它们在人肠道中可将部分食物中的甜菜碱和胆碱代谢产生甲烷。     

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。     

寺河矿煤地质产甲烷微生物菌群的保藏和产甲烷性能

【背景】煤地质产甲烷微生物菌群可以代谢煤基质产生甲烷,对于实现煤层气资源的再利用具有重要意义。【目的】检测产甲烷菌群在保藏过程中群落结构的动态变化以及在产气实验中甲烷气的生成情况,以验证保藏方法的可行性,同时为煤层气的微生物增产奠定基础。【方法】分别于不同温度条件下比较3种菌种保藏方法,即甘油/L-半胱氨酸法、富营养法和煤基-基础盐法。通过产气实验检测不同保藏条件下产甲烷菌群的活力。同时,采用454高通量测序技术测定16S r RNA基因序列,分析25°C条件下煤基-基础盐菌种保藏过程中微生物群落结构的变化。【结果】比较了9组菌种保藏方法,发现菌种最佳保藏条件为25°C的煤基-基础盐保藏。在该条件下保藏的产甲烷菌群活性最高,甲烷生成量最大。以无烟煤为碳源进行产气实验时甲烷生成量为12%-25%,而以褐煤为碳源时甲烷生成量可达24%-73%。在25°C的煤基-基础盐菌种保藏条件下,保藏初期细菌的主要优势菌为假单胞菌属(Pseudomonas),而古菌的主要优势菌为甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)。随着保藏时间的增加,细菌的群落结构变化显著,发酵细菌及产氢产乙酸细菌成为优势细菌,古菌的群落结构则相对稳定。【结论】菌种保藏的最佳条件为25°C的煤基-基础盐,保藏的产甲烷菌群能长期维持在较高的活性状态,具有较好的产甲烷能力。     

不同pH缓冲液对由乙酸产甲烷菌群结构的影响

【目的】研究不同p H缓冲液对乙酸产甲烷过程及对细菌和古菌群落结构的影响。【方法】分别添加磷酸盐(PB)、4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)、哌嗪-1,4-二乙磺酸(PIPES)和Na HCO3/CO2缓冲液到乙酸产甲烷菌系中,定期监测甲烷产生趋势,到稳定期后收集菌体,进行16S rRNA基因的末端限制性片段多态性分析(T-RFLP)。【结果】发现PB组的乙酸产甲烷菌系延滞期约为40d,显著高于其他组的20-24 d(P0.05);Na HCO3/CO2组乙酸转化为甲烷的比例为(88.3±0.5)%,显著高于其他组的77%-81%(P0.05);不同缓冲液组的最大甲烷比生长速率为0.46-0.57 d-1(P0.05);Na HCO3/CO2组的细菌群落变化最明显,主要是未培养细菌(unclassified bacteria)、螺旋菌科细菌(Spirochaetaceae)和未培养WWE1类群的丰度较其他组分别增加到(15.5±9.4)%、(7.3±4.6)%和(17.6±6.3)%,而互养菌科(Synergistaceae)的细菌丰度降低到(8.9±8.1)%。AC+PB组中的古菌类群发生了明显变化,以竹节状甲烷鬃毛菌(Methanosaeta harundinacea)相关的产甲烷古菌占主导(97±2%),而在HEPES、PIPES和Na HCO3/CO2组和不加缓冲液组中同时存在两类乙酸营养型产甲烷古菌M.harundinacea和联合鬃毛甲烷菌(Methanosaeta concilii),以及属于甲烷杆菌目(Methanobacteriales)的氢营养型产甲烷古菌。【结论】在乙酸产甲烷菌系中加入PB增加了甲烷产生的延滞期,加入Na HCO3/CO2增加了甲烷产量,但是添加p H缓冲液不会影响到菌系的最大甲烷比生长速率。加入PB和Na HCO3/CO2都会显著改变微生物的菌群结构。这些研究为设计适宜的产甲烷菌系生长条件提供了参考。     

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。     

厌氧降解丁酸共培养物中产氢产乙酸细菌与产甲烷细菌的分离与再组合

由处理啤酒厂废水的厌氧消化器颗粒污泥中分离和纯化了一个能厌氧降解丁酸产生甲烷的共培养物BF2。共培养物BF2可降解包括异丁酸在内的含4～18个碳原子的脂肪酸,最适生长温度37℃,最适pH7.7。以巴豆酸为底物,成功地将共培养物BF2分离为专性质子还原产乙酸细菌沃尔夫互营单胞菌嗜脂肪亚种菌株CF2和产甲烷细菌甲酸甲烷杆菌菌株MF2两个纯培养,将它们再组合后仍可降解丁酸。菌株CF2与亨氏甲烷螺菌、布氏甲烷短杆菌菌株1125、甲酸甲烷杆菌菌株1535和普通脱硫弧菌G11组合成人工共培养物,可以厌氧降解丁酸。     

厌氧降解丁酸共培养物中产氢产乙酸细菌与产甲烷细菌的分离与再组合

由处理啤酒厂废水的厌氧消化器颗粒污泥中分离和纯化了一个能厌氧降解丁酸产生甲烷的共培养物BF2。共培养物BF2可降解包括异丁酸在内的含4～18个碳原子的脂肪酸,最适生长温度37℃,最适pH7.7。以巴豆酸为底物,成功地将共培养物BF2分离为专性质子还原产乙酸细菌沃尔夫互营单胞菌嗜脂肪亚种菌株CF2和产甲烷细菌甲酸甲烷杆菌菌株MF2两个纯培养,将它们再组合后仍可降解丁酸。菌株CF2与亨氏甲烷螺菌、布氏甲烷短杆菌菌株1125、甲酸甲烷杆菌菌株1535和普通脱硫弧菌G11组合成人工共培养物,可以厌氧降解丁酸。