互营氧化产甲烷微生物种间电子传递研究进展

甲烷是重要的温室气体,也是典型的可再生性生物质能源。目前约70%的大气甲烷排放来源于产甲烷微生物过程。在产甲烷环境中,产甲烷菌与互营细菌形成互营关系,从而克服有机质厌氧分解反应的热力学能垒,实现短链脂肪酸和醇类物质的互营氧化产甲烷过程。该过程中,种间电子传递是关键步骤。本文首先概述了甲烷的研究意义及微生物互营降解有机质产甲烷的过程,然后分别综述了种间H2转移、种间甲酸转移和种间直接电子传递这3种种间电子传递机制的起源、发展、研究现状和未来所需要解决的研究问题。     

水稻土中铁氧化物对产甲烷古菌群落结构的影响

产甲烷菌广泛分布在淹水水稻土等各种厌氧环境中,在全球气候变化、碳循环和能源等领域都发挥着重要的作用。研究发现,厌氧条件下,水稻土中铁氧化物的生物还原会抑制产甲烷菌的甲烷合成作用。然而,目前关于铁氧化物对产甲烷菌群落结构的影响报道较少。通过泥浆厌氧培养实验,向采集的水稻土中添加甲酸盐作为甲烷合成的底物(Control,CK处理),并设置添加水铁矿作为体系中唯一电子受体的处理组(Ferrihydrite,Fh处理)。培养结束后,与CK相比,添加水铁矿显著降低了古菌在总微生物群落中的占比,但对古菌群落的物种多样性和均一度没有显著影响;且两组处理中优势种均为操作分类单元(Operational taxonomic unit,OTU)2056和OTU 911(76%—80%)。这说明碳源相同时,产甲烷菌的群落结构不受铁氧化物的影响。本研究为探索土壤中微生物铁还原与碳循环耦合的分子机制奠定基础。     

温度对甲烷产生和氧化的影响

综述了温度对土壤产甲烷和氧化甲烷的影响及其机制．温度主要通过土壤中产甲烷菌的优势菌发生更替来改变土壤的产甲烷能力．较高温条件下产甲烷菌以乙酸和H2／CO2都能利用的甲烷八叠球菌(Methanosarcinaceae)为主,使得土壤处于较高的产甲烷状态．较低温条件下产甲烷菌以只能利用乙酸的甲烷毛菌(Methanosaetaceae)为主,土壤形成甲烷的能力相对较弱．温度提高可以显著地增加甲烷的产生,Q10为1．5-28,平均4．1,但是温度效应明显受控于底物浓度,提高底物浓度降低了产甲烷菌对底物的亲和力,相应地增加了度效应,因此在较低温条件下提高底物浓度可以促进甲烷的产生．温度对大气甲烷氧化的影响弱于产甲烷,甲烷氧化菌较少受温度变化的影响,即便在较低温条件下,土壤也具有一定的氧化大气甲烷能力,原因尚不清楚,可能与甲烷氧化菌对大气甲烷具有较高的亲和力有关,有待进一步研究．     

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。     

滨海湿地甲烷产生途径和产甲烷菌研究进展

滨海湿地在全球碳循环中起着重要的作用,其甲烷排放量占全球海洋甲烷排放的75%.本文综述了滨海湿地主要甲烷产生途径、产甲烷菌种类及其影响因子.滨海湿地SO₄^2-含量丰富,乙酸发酵和H₂/CO₂途径产甲烷受抑制,乙酸营养型和氢营养型产甲烷菌丰度较低;而利用甲胺类等“非竞争性”底物的C1甲基化合物歧化途径不受硫酸还原菌竞争底物的限制,兼性营养型产甲烷菌成为产甲烷优势菌.盐度与SO₄^2-含量和植被类型密切相关,影响竞争性电子和产甲烷底物的种类和含量,对甲烷产生途径和产甲烷菌群落结构有重要影响.目前,滨海湿地产甲烷菌群落结构、甲烷产生途径的关键控制因素尚需明确,其对甲烷排放的影响有待进一步研究.     

水稻土中脂肪酸互营氧化的研究进展

水稻田是温室气体甲烷(CH4)的重要释放源之一,有机质在水稻土中通过厌氧分解途径最终产生CH4和CO2.短链脂肪酸互营氧化是水稻土有机质降解的关键环节,但是由于互营微生物独特的生理生态特性,目前人们对于参与该过程的微生物群落及功能了解甚少.稳定同位素探针(SIP)技术被认为是实现环境中参与物质转化微生物种类与功能相耦合的有力工具.本文首先讨论互营过程的热力学基础和互营微生物的种间相互作用模式,然后简要讨论了互营过程的环境影响因子,最后详细综述稳定同位素探针技术在水稻土短链脂肪酸互营氧化过程中的相关研究.目前的研究表明:参与水稻土脂肪酸互营氧化过程的互营细菌种类丰富、多样性高;除已知互营细菌的作用外,大量未培养、功能未知的细菌类型也可能参与短链脂肪酸的互营氧化;对于互营细菌的伙伴而言,新型产甲烷胞菌属(Methanocella)类型的古菌在不同脂肪酸互营降解过程中均起主要作用,揭示了这类产甲烷古菌在水稻土厌氧产甲烷过程中的重要作用.     

稻鱼共生系统的土壤产甲烷和甲烷氧化微生物群落

稻鱼共生对稻田甲烷(CH₄)排放产生明显影响，但稻鱼共生是否影响与CH₄排放相关的产甲烷菌和甲烷氧化菌仍有待阐明。本研究以全球重要农业文化遗产——青田稻鱼系统为例，通过田间试验，比较研究了水稻单作系统(RM)、无饲料投放的稻鱼共生系统(RFN)和有饲料投放的稻鱼共生系统(RFF)水稻和田鱼的产量、土壤碳氮磷含量以及产甲烷和甲烷氧化微生物的特征。结果表明，RFF的水稻产量和土壤碳氮增量均显著高于RM。荧光定量PCR分析表明，稻鱼共生(RFN和RFF)的产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度显著高于RM,且RFF的产甲烷菌丰度显著高于RFN。Illumina Miseq测序分析表明，稻鱼共生显著影响产甲烷菌群落结构，但对甲烷氧化菌群落结构的影响不显著；对于不同代谢类型的产甲烷菌，稻鱼共生(RFN和RFF)氢营养型产甲烷菌的丰度显著高于RM,且RFF的乙酸营养型产甲烷菌丰度显著高于RFN;对于不同代谢类型的甲烷氧化菌，RFN和RFF对类型Ⅰ的甲烷氧化菌丰度影响均不显著；RFF中类型Ⅱ的甲烷氧化菌丰度显著高于RM和RFN。可见，稻鱼共生可明显影响产甲烷菌和甲烷氧化...     

产甲烷条件下岩溶湿地沉积物中古菌群落的变化规律

【背景】桂林会仙湿地位于喀斯特峰丛洼地和峰丛平原的过渡区,主要由岩溶地下河补给,水质呈现富钙偏碱特征,是一处典型的岩溶湿地环境,湿地沉积物以厌氧环境为主,独特的环境特征使之成为研究新型厌氧微生物的理想场所。氢型产甲烷菌和乙酸型产甲烷菌是环境中有机质厌氧降解的重要参与者,但目前会仙湿地产甲烷菌生理生态功能的研究十分有限。【目的】揭示乙酸盐营养型产甲烷条件和氢气营养型产甲烷条件下岩溶湿地环境古菌群落结构的变化规律和产甲烷菌的主要类群,探讨岩溶环境古菌的功能和相互关系。【方法】以会仙岩溶湿地沉积物为研究材料,分别以乙酸盐和氢气为唯一能源物进行富集培养,结合未添加任何能源底物的对照处理,动态监测产甲烷通量,分别构建了3个共包含146条古菌16S rRNA基因全长序列的文库,以及3个共包含138条甲基辅酶M还原酶基因mcr A基因序列的文库,通过构建系统发育树比较分析不同产甲烷底物培养条件下典型岩溶湿地古菌群落的变化规律。【结果】从乙酸型和氢型产甲烷条件培养物顶空气中都检测到了几乎等浓度的甲烷产生,甲烷八叠球菌是mcr A文库中主要的古菌类群,其中包含了Methanosarcina属古菌、Zoige Cluster I (ZC-I)和ANME-2d Cluster (AD)类群古菌,以及两个相对独立且不包含任何参考序列的分支KT-I和KT-II,可能代表产甲烷菌的新类群;经过两种产甲烷条件的富集培养后,ZC-I、AD和KT-II类群古菌的序列数占比有较为显著的增加(45%–155%);深古菌(Bathyarchaeota)是所有古菌16Sr RNA基因文库的优势类群,序列占比为88%–100%,其中MCG-11亚群最为丰富,占所有深古菌的84%,并且在乙酸盐产甲烷条件下增加了17%。【结论】会仙湿地沉积物中蕴涵着丰富的新型古菌序列,沉积物中主要的氢型产甲烷菌和乙酸型产甲烷菌都来自甲烷八叠球菌目,深古菌在岩溶环境和乙酸型产甲烷条件下可能都发挥着重要的作用。     

互花米草入侵对滩涂湿地甲烷排放的影响

在浙江省台州市附近滩涂湿地设置3个不同互花米草入侵密度梯度,即仅有本土植物样地、互花米草与本土植物混生样地和互花米草单优群落样地,研究互花米草入侵对滩涂湿地CH₄排放的影响.结果表明: 3个样地CH₄排放通量为0.68～5.88 mg·m^-2·h^-1,CH₄排放通量随着互花米草入侵梯度的增加而显著升高,互花米草单优群落样地CH₄排放通量分别为本土植物样地和混生样地的8.7和2.3倍.互花米草入侵显著提高了产甲烷菌数量、产甲烷潜力、甲烷氧化菌数量、甲烷氧化潜力、植物生物量、土壤有机碳含量和土壤pH,降低了土壤全氮含量.CH₄排放通量与土壤全氮呈显著负相关,与产甲烷菌数量、产甲烷潜力、甲烷氧化菌数量、甲烷氧化潜力、植物生物量和土壤pH呈显著正相关.互花米草的入侵提高了滩涂湿地植物群落生物量和土壤pH,促进了产甲烷菌数量和产甲烷潜力,从而提高了滩涂湿地的CH₄排放.     

土壤有机质和外源有机物对甲烷产生的影响

对土壤有机质含量及组分、外源有机物和根系分泌对甲烷产生的影响作了综述。土壤产甲烷量和甲烷排放量随有机质含量增加而提高,与土壤中易矿化有机碳或沸水浸提有机碳含量呈显著相关。外源有机碳加入促进了土壤排放甲,刺激效果与外源有机碳的用量和组成有关。还原力强的有机物如纤维素和半纤维素较还原力弱的有机物如类脂和多糖能够产生更多的甲烷。甲醇、甲基化氨基酸等无其它微生物竞争利用的有机物能被产甲烷菌更多地转化成甲烷。植物根系分泌物也促进甲烷的产生,促进作用大小与植物种类及分泌物的数量和质量有关。外源有机物通过3种方式促进土壤甲烷产生;提高土壤的甲烷底物供应量,降低土壤氧化还原电位,刺激土壤原有有机碳的转化。     

微生物互营产甲烷过程中的种间电子传递

甲烷作为全球第二大温室气体,是典型的可再生清洁能源,也是碳循环中的重要物质组成。大气中约74%的甲烷由产甲烷古菌和其他微生物的互营产生,种间电子传递(interspecies electron transfer, IET)是微生物菌群降低热力学能垒、实现互营产甲烷的核心过程。IET可分为间接种间电子传递(mediated interspecies electron transfer,MIET)和直接种间电子传递(direct interspecies electron transfer, DIET)两种类型,其中MIET依赖氢气、甲酸等载体完成电子的远距离传输,而DIET则依赖导电菌毛、细胞色素c等膜蛋白,通过微生物的直接接触实现电子传递。本文将从IET的研究历程出发,从电子传递机制、微生物种类、生态多样性等方面对微生物互营产甲烷过程中的两种IET类型进行比较,最后对未来待探索的方向进行展望。本综述有助于加深对微生物互营产甲烷过程中IET的理解,为解决由甲烷引发的全球气候变暖等生态问题提供理论支撑。     

酸沉降对泥炭地甲烷排放和碳循环的影响

泥炭地是一个巨大的碳库,是温室气体的源或汇。有研究表明,酸沉降可以促使硫酸盐还原细菌活性增加,并与产甲烷菌争夺基质,从而抑制甲烷气体的产生。这种作用可能对北方泥炭地及全球甲烷气体排放具有重要的影响。硫酸盐还原菌同产甲烷菌竞争主要受到硫酸根浓度、硫酸根循环速度、基质及温度的影响。通过硫酸根的快速循环,酸沉降可以长期抑制泥炭地的甲烷排放和产生。目前关于酸沉降对泥炭地碳库和碳循环的影响还无最后定论。本文综述了酸沉降对泥炭地甲烷产生、排放及碳循环影响的机制方面的最新研究成果,以期找出其内在规律,为今后研究提供参考,并探讨了中国在该领域可开展的研究方向。     

冻土甲烷循环微生物群落及其对全球变化的响应

冻土是陆地生态系统中最容易受到全球气候变化影响的碳库,既发挥着碳源又起着碳汇的作用。人们非常关注贮存于冻土中有机碳的最终归宿,是因为全球气候变暖会加快冻土的解冻,释放更多的温室气体（二氧化碳和甲烷）到大气中,从而进一步加剧温室效应。据估计每年从北半球冻原陆地生态系统释放进入大气的甲烷约占全球自然界释放甲烷总量的25%。研究证实冻土生物源甲烷的产生和消耗分别由耐(嗜)低温的产甲烷菌(methanogens)和甲烷氧化菌(methanotrophs)介导。鉴于冻土甲烷循环对全球甲烷平衡的显著作用以及在冻土生物地球化学循环中的重要功能,对介导冻土甲烷循环的产甲烷菌和甲烷氧化菌的研究将有助于更好地评估冻土生态系统对全球气候变化的响应和影响,本文就冻土甲烷循环过程、产甲烷菌、甲烷氧化菌的群落结构、活动、生态功能及其对气候和环境变化的响应机制的最新研究进行综述,以期为我国开展冻土甲烷循环机理研究提供支持。     

乙酸型甲烷八叠球菌细胞工厂的设计与构建研究进展

在整个地球演化历史过程中,产甲烷古菌在生物地球碳循环中一直扮演着重要角色。据报道,约三分之二的地球生物甲烷通量来自乙酸型产甲烷途径,乙酸型甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)是目前发现为数不多的可以进行乙酸型产甲烷途径的模式产甲烷古菌,对M.acetivorans代谢途径的解析、改造和应用可为温室气体甲烷的减排与其作为能源的合理利用提供新思路。本文综述了M.acetivorans的产甲烷代谢途径、遗传改造策略、细胞工厂构建3个方面的研究进展,分析了M.acetivorans与其他进行乙酸型产甲烷代谢的产甲烷古菌在以上三方面的异同,并对进一步设计和构建其作为微生物细胞工厂所面临的问题与挑战进行了展望。     

不同抑制剂对乙酸降解产甲烷及产甲烷菌群结构的影响

摘要:【目的】研究不同温度条件下的石油烃降解产甲烷菌系中是否存在乙酸互营氧化产甲烷代谢途径。【方法】以3个不同温度条件的正十六烷烃降解产甲烷菌系Y15(15℃)、M82(35℃)和SK(55℃)作为接种物,通过乙酸喂养实验、并添加乙酸营养型产甲烷古菌的选择性抑制剂NH4Cl和CH3F,结合末端限制性片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)和克隆文库技术,分析乙酸产甲烷潜力及产甲烷古菌群落的演替趋势,推测产甲烷代谢途径的变化趋势。【结果】无论是否添加NH4Cl和CH3 F,这3个菌系都可以利用乙酸生长并产生甲烷,但是添加NH4Cl和CH3 F后产甲烷延滞期增加,最大比甲烷增长速率降低;只添加乙酸后,3个不同温度的菌系的古菌群落主要由乙酸营养型产甲烷古菌甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)组成,其丰度分别为92.8±1.4%、97.3±2.4%和82.8±9.0%;当添加选择性抑制剂NH4Cl,3 个菌系中的Methanosaeta的丰度分别变为98.5±0.7%、87.4±4.8%和6.1±8.6%,中温菌系M82中氢营养型产甲烷古菌甲烷袋装菌属(Methanoculleus)的相对丰度增加到12. 6±4.0%,高温菌系SK中另一类氢营养型产甲烷古菌甲烷热杆菌属(Methanothermobacter)增至84.3±1.5%;当添加选择性抑制剂CH3 F,Methanosaeta丰度分别降至77.1 ± 14.5%,86.4±6.1%和35.8±7.8%,低温菌系Y15中的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)增高(15.7±21%),这类产甲烷古菌具有多种产甲烷代谢途径,M82中Methanoculleus丰度上升到13.6±13.1%,SK中Methanothermobacter丰度增大到48.5±11.2%。【结论】在低温条件下,菌系Y15可能主要通过乙酸裂解完成产甲烷代谢,在中高温条件下,菌系M82和SK中可能存在乙酸互营氧化产甲烷代谢途径,并且甲烷的产生分别通过不同种群的氢营养型产甲烷古菌来完成。     

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。     

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。     

微生物介导铁还原耦合氨氧化过程的研究进展

铁的氧化还原过程可以显著影响环境中次生矿物的形成、养分转化和污染物的归趋。作为厌氧环境中新发现的铁循环过程,铁氨氧化过程对自然和农田生态系统中氨氧化的贡献可达10%以上,对环境保护和农业生产具有深远的意义。文章主要从发展历程、相关微生物、反应机制、影响因素和环境意义等方面综述了铁氨氧化过程。在此过程中,Acidimicrobiaceaesp.A6和异化铁还原菌(DIRB)是驱动铁氨氧化过程的关键微生物,环境pH、Fe(Ⅲ)的浓度和种类、碳源和Mn(Ⅳ)氧化物是重要环境影响因子。铁氨氧化过程可能由微生物独立驱动完成,也可能由微生物-化学耦合作用驱动完成。从环境意义看,铁氨氧化过程对减少温室气体排放、固定重金属等方面具有积极影响,但也会导致氮素流失等负面环境效应。后续的研究可以从纯化微生物、拓展研究方法等方面着手,进一步提升铁氨氧化过程的研究广度和深度。     

甲烷代谢古菌分离培养研究进展

全球变暖是全人类面临的一个巨大挑战,而温室气体排放持续上升是全球变暖的关键因素,并引发一系列生态环境问题。甲烷是第二温室气体,对全球变暖的贡献达20%。然而,在甲烷代谢中发挥重要作用的产甲烷古菌和厌氧甲烷氧化古菌(anaerobic methanotroph,ANME)较难培养,极大地限制了人们对甲烷代谢及其影响碳源-汇关系与机制的研究。本文综述了最新产甲烷古菌和ANME富集、分离和培养方法,包括富集培养、原位培养、共培养、微流控技术、稀释分离和固体分离技术、ANME反应器和培养瓶富集培养,以及宏基因组预测和反向基因组学,并对这些方法的优缺点进行了评估,对未来甲烷代谢古菌的富集、分离和培养提出新的建议。     

厌氧甲烷氧化微生物物质代谢与能量代谢研究进展

甲烷既是一种温室气体,也是一种潜在的能源物质,其源与汇的平衡对地球化学循环及工程应用均有重要意义。厌氧甲烷氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)过程是深海、湿地和农田等自然生境中重要的甲烷汇,在缓解温室气体排放方面发挥了巨大作用。AOM微生物的中枢代谢机制及其能量转化途径则是介导厌氧甲烷氧化耦合其他物质还原的关键所在。因此,本文从电子受体多样性的视角,主要分析了硫酸盐型,硝酸盐/亚硝酸盐型,金属还原型厌氧甲烷氧化微生物的生理生化过程及环境分布,并对近些年发现的新型厌氧甲烷氧化进行了梳理;重点总结了厌氧甲烷氧化微生物细胞内电子传递路径以及胞外电子传递方式;根据厌氧甲烷氧化微生物环境分布及反应特征,就其生态学意义及在污染治理与能源回收方面的潜在应用价值进行了展望。本综述以期深化对厌氧甲烷氧化过程的微生物学认知,并为其潜在的工程应用方向提供新的思路。