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.

甲烷产生过程是湿地生态系统中最活跃的生物地球化学进程之一,岩溶湿地是一类具有典型岩溶地区水文特征和重要环境影响的特殊内陆淡水湿地.为了解岩溶湿地产甲烷菌的类型及其在碳循环中的贡献,综合运用分子生物学、微生物学和地球化学的方法对桂林会仙岩溶湿地沉积物中产甲烷菌的数量、群落组成、活性以及相关的环境因子进行研究.分析15-35 cm沉积物中甲基辅酶M还原酶基因mcrA的数量、种类以及与环境因子之间的关系,发现mcrA基因的拷贝数为106-107,主要来自5类产甲烷古菌目,分别是甲烷微菌目(Methanomicrobiales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、甲烷胞菌目(Methanocellales)、甲烷杆菌目(Methanobacteriales)以及一类尚未鉴定的产甲烷古菌,这些序列中有一半的序列与已知McrA蛋白序列相似度在95％以下,并且mcrA基因的多样性和数量分布主要受到有机碳和硫酸盐含量的影响.在产甲烷活性方面,沉积物的乙酸型产甲烷速率为1 024(±447) pmol g-1 d-1,氢型产甲烷量约为650(±155)pmol g-1 d-1.上述结果表明,会仙岩溶湿地具有同普通淡水湿地类似的产甲烷菌群落组成和较高的产甲烷潜力,并且该环境中可能蕴藏着许多尚未被研究的微生物资源.

[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,湿地沉积物以反氧环境为主,独特的环境特征使之成为研究新型反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反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 mcrA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坑产生,甲烷八叠球菌是 mcrA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;经过两种产甲坑条件的富集培养后,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16S rRNA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.

[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qPCR定量古菌16S rRNA多样性分析优势古菌类群;模拟原位盐浓度及pH,比较不同产甲烷底物(甲醇、三甲胺、乙酸和H2/CO2)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(Methanomicrob iales,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(Methanobact erium)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.

[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％).H2还原甲基物质的甲烷马赛球菌属(Methanomassiliicoccus,4.05％)和高比例的未培养厌氧甲烷氧化古菌-噬甲烷菌属(Candidatus Methanoperedens,35.06％).优势细菌包括绿弯菌门(Chloroflexi,21.55％)、变形杆菌 门(Proteobacteria,16.88％)、放线菌 门(Actinobacteria,13.37％)和酸杆菌 门(Acidobacteria,10.0％).扎龙湿地的三甲胺和甜菜碱富集物产甲烷速率最高,富集物中代谢甜菜碱的优势细菌包括鼠胞菌科(Sporomusaceae)、沉积杆菌科(Sedimentibacteraceae)、亨氏梭菌科(Hungateiclostridiaceae)和梭菌科(Clostridiaceae).从三甲胺产甲烷的优势古菌包括甲基营养型的甲烷八叠球菌属和H2还原甲基物质产甲烷的甲烷马赛球菌属.[结论]以相似相容物质甜菜碱的还原产物三甲胺为前体的甲烷代谢途径是扎龙低温盐碱湿地芦苇根际土的优势产甲烷途径.