生物產(chǎn)甲烷的生化代謝途徑現(xiàn)狀及問題

1、產(chǎn)甲烷生化代謝途徑研究進(jìn)展產(chǎn)甲烷生化代謝途徑研究進(jìn)展方曉瑜123李家寶145芮俊鵬145李香真1451中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點實驗室成都生物所成都6100412中國科學(xué)院成都生物研究所環(huán)境微生物四川省重點實驗室成都6100413中國科學(xué)院大學(xué)北京1000494中國科學(xué)院山地生態(tài)恢復(fù)與生物資源利用重點實驗室成都生物所成都6100415生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點實驗室成都生物所成都610041摘要微生物產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生的甲烷

2、約占全球甲烷產(chǎn)量的74%。產(chǎn)甲烷過程對生物燃?xì)馍a(chǎn)和全球氣候變暖等都有重要的意義。本文綜述了產(chǎn)甲烷菌的具體生化代謝途徑，其本質(zhì)是產(chǎn)甲烷菌利用細(xì)胞內(nèi)一系列特殊的酶和輔酶將CO2或甲基化合物中的甲基通過一系列的生物化學(xué)反應(yīng)還原成甲烷。在這一過程中，產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞能夠形成鈉離子或質(zhì)子跨膜梯度，驅(qū)動細(xì)胞膜上的ATP合成酶將ADP轉(zhuǎn)化成ATP以獲得能量。根據(jù)底物類型的不同，可以將該過程分為三類：還原CO2途徑、乙酸途徑和甲基營養(yǎng)途徑。還原CO2途徑

3、是以H2或甲酸作為主要的電子供體還原CO2產(chǎn)生甲烷，其中涉及到一個最新的發(fā)現(xiàn)—電子歧化途徑；乙酸途徑是乙酸被裂解產(chǎn)生甲基基團(tuán)和羧基基團(tuán)，隨后，羧基基團(tuán)被氧化產(chǎn)生電子供體H2用于還原甲基基團(tuán)；甲基營養(yǎng)途徑是以簡單甲基化合物作為底物，以外界提供的H2或氧化甲基化合物自身產(chǎn)生的還原當(dāng)量作為電子供體還原甲基化合物中的甲基基團(tuán)。通過這三種途徑產(chǎn)甲烷的過程中，每消耗1mol底物所產(chǎn)生ATP的順序為還原CO2途徑甲基營養(yǎng)途徑乙酸途徑。由于產(chǎn)甲烷菌自身

4、難以分離培養(yǎng)，未來將主要通過現(xiàn)代的生物技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，包括基因工程和代謝模型構(gòu)建等最新技術(shù)來研究產(chǎn)甲烷菌的生化代謝過程以及其與其他菌群之間的相互作用機(jī)制，以便將其應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。關(guān)鍵詞：產(chǎn)甲烷菌；生化代謝；還原CO2途徑；乙酸途徑；甲基營養(yǎng)途徑CLCQ939.99收稿日期Received:接受日期Accepted:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項目（973項目，2013CB733502）；國家自然科學(xué)基金資助項目（31300447，41

5、371268）資助SupptedbyStateKeyBasicR&DProgramofChina(973ProgramNo.2013CB733502)theNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.31300447，41371268).通訊作者Crespondingauth(Email:lixz@cib.)產(chǎn)甲烷菌在地球碳循環(huán)中扮演著重要角色，是有機(jī)物厭氧降解的末端功能類群，能夠?qū)⒂袡C(jī)碳轉(zhuǎn)化為

6、甲烷。它們廣泛分布于地球的無氧環(huán)境中，從土壤到湖泊沉積物，從陸地到海洋，從零下的低溫環(huán)境到100℃以上的高溫環(huán)境，都有產(chǎn)甲烷菌的存在。進(jìn)化研究表明產(chǎn)甲烷菌是地球上最為古老的菌群，目前有兩個不同的假說均認(rèn)為產(chǎn)甲烷菌是真核生物的祖先[12]。相比于細(xì)菌和真核生物，它以甲烷作為其厭氧呼吸終產(chǎn)物，具有獨特的生化代謝特性。另一方面，甲烷作為一種清潔能源，正越來越受到關(guān)注[3]。同時，甲烷的高紅外吸收以及對臭氧層的影響使之成為第二大溫室效應(yīng)氣體，其

7、產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的2030倍[45]。目前全球的甲烷排放量約為51096109kg年[6]，其中大約74%的甲烷排放來自生物產(chǎn)甲烷[7]，大氣中的甲烷含量正以每年2%的速度遞增[8]。因此研究產(chǎn)甲烷菌的生化代謝途徑不僅能夠增加我們對古菌特殊代謝途徑的了解，而且能夠為解決全球能源緊缺以及氣候變暖等問題提供理論依據(jù)。產(chǎn)甲烷菌能夠利用的底物非常有限，僅能夠利用CO2、乙酸和簡單甲基化合物這三類物質(zhì)作為碳源產(chǎn)甲烷。本文綜述了產(chǎn)甲烷菌利用這

8、三類底物產(chǎn)甲烷的具體代謝過程，對其中涉及到的能量轉(zhuǎn)化過程、電子傳遞途徑以及參與的關(guān)鍵酶和輔酶進(jìn)行了詳細(xì)闡述，介紹了最新發(fā)現(xiàn)的電子歧化途徑，即包含F(xiàn)DA蛋白的復(fù)合體介導(dǎo)電子在脫氫酶和氧化還原酶之間轉(zhuǎn)移，從而完成能量儲存的過程；同時還總結(jié)了目前通過一些新技術(shù)和新方法對產(chǎn)甲烷菌生化代謝過程研究的進(jìn)展情況。1產(chǎn)甲烷菌的特點產(chǎn)甲烷菌是嚴(yán)格厭氧的原核生物，是已知的唯一一種能夠代謝產(chǎn)甲烷的生物。系統(tǒng)發(fā)育學(xué)上屬于古菌域，廣古門菌門（Euryarchae

9、ota）[9]。已知的產(chǎn)甲烷菌分為7個目：甲烷桿菌目（Methanobacteriales），甲烷球菌目（Methanococcales），甲烷微菌目（Methanomicrobiales），甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales），甲烷火球菌目（Methanopyrales）Methanocellales和Methanoplasmatales（圖1）。前五個目中已經(jīng)分離到很多純菌種，研究較多[8]。Sakai等[10]于2

10、008年從稻田里分離得到了一種僅利用H2或甲酸還原CO2生長產(chǎn)甲烷的菌株，提出了Methanocellales目；Paul等[11]于2012年在白蟻腸道中分離得到的一種與熱原體目類似的菌，它僅能夠利用甲醇作為底物生長產(chǎn)甲烷，他們提出了Methanoplasmatales目。產(chǎn)甲烷菌分布廣泛，主要存在于厭氧生態(tài)系統(tǒng)中，如(1)湖泊、沼澤濕地、水稻田、污泥等；（2）生物體內(nèi)，如反芻動物的瘤胃和人類、昆蟲等的腸道內(nèi)；（3）土壤中的厭氧團(tuán)粒，

11、如森林中的土壤團(tuán)粒；（4）人工生物降解設(shè)施，如沼氣池和生物反應(yīng)器；（5）一些極端環(huán)境，如熱泉、含硫熱液口、水底的熱流等[81314]。盡管產(chǎn)甲烷菌在自然界中分布廣泛，但其不能利用復(fù)雜的有機(jī)物作為能量來源，僅能夠利用幾種簡單化合物作為產(chǎn)甲烷的底物，這些物質(zhì)主要是CO2、乙酸和簡單甲基化合物。根據(jù)其利用的底物可以將產(chǎn)甲烷菌分為三類：（1）還原CO2型，主要利用H2、甲酸作為電子供體還原CO2產(chǎn)甲烷，例如Methanobrevibacter[

12、15]；（2）甲基營養(yǎng)型，通過H2還原甲基化合物中的甲基產(chǎn)甲烷或通過甲基化合物自身的歧化作用產(chǎn)甲烷，例如Methanococcus[16]；（3）乙酸型，通過裂解乙酸，將乙酸的羧基氧化為CO2，甲基還原為甲烷，例如Methanosaeta[1718]。Methanococcales、Methanobacteriales、Methanomicrobiales和Methanopyrales目中幾乎所有的甲烷菌都利用H2和CO2途徑產(chǎn)甲烷，其