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乙烷消失的“幕后推手”是谁

发布时间:2019-04-12   来源:中华环保网    
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乙烷厌氧氧化古菌在显微镜下的图像

“我们想要找到‘幕后推手’。”朱永官说。认识了背后机制,可通过调控微生物降解过程及其功能,减少大气中小分子烷烃的排放、开发油气藏微生物勘探技术,以及降解海洋与土壤里面烃类物质的污染等,这对最终实现环境修复具有重大意义。

在自然界,许多有机物的生物降解需要氧气来提供能量。然而,自然界还普遍存在着无氧或缺氧环境,微生物如何在这样的条件下活下去,并且有效处理环境中的“疑难杂症”,其背后机制是科学家们一直想要解析的生命奥秘。

无氧或缺氧,科学上被称为厌氧。近日,中国科学院生态环境研究中心研究员朱永官团队参与的国际合作团队首次发现了具有厌氧氧化乙烷功能的古菌,并阐明其代谢途径,填补了科学界长期以来在气态烷烃厌氧氧化过程认识上的空白,将开启对土壤环境(如湿地和稻田等)中烷烃厌氧过程的新探索。相关成果发表于《自然》。

寻找“幕后推手”

甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等气态烷烃是天然气的主要成分,也是海洋及陆地生态系统中有机碳库的重要组成,其形成和降解对地球环境和气候变化有着极大影响。

降解过程大多由微生物“介导”。比如,在海洋及陆地环境中,天然气从岩层深部向上扩散至油气藏上部沉积物及土壤时,会被其中微生物“吃掉”,微生物获得能量,发生降解反应。

“在地球环境当中,有机物降解是最基本的微生物过程。目前,我们对厌氧环境中的降解过程认识还不清楚。”朱永官告诉《中国科学报》,厌氧降解过程在自然界是广泛存在的,地球演化的早期就是厌氧环境,厌氧的微生物都非常古老,比如某些古菌类群可能出现在35亿年前。

大量研究表明,甲烷厌氧氧化是海洋底泥及土壤中普遍存在的微生物过程。此外,近期的研究表明丙烷和丁烷等小分子烷烃也能在无氧条件下被古菌或者细菌氧化(即降解)利用。然而,作为天然气中第二丰富的烷烃,乙烷是否能够厌氧降解尚不明确。

在过去的研究中,已有迹象表明乙烷有可能在厌氧条件下被微生物利用进行降解,但还没有直接证据证实。

“我们想要找到‘幕后推手’。”朱永官说。认识了背后机制,可通过调控微生物降解过程及其功能,减少大气中小分子烷烃的排放、开发油气藏微生物勘探技术,以及降解海洋与土壤里面烃类物质的污染等,这对最终实现环境修复具有重大意义。

找到关键因子

有机物降解事实上是一个电子传导过程。朱永官解释,有机物是碳氢化合物,有氧环境中的降解过程是,有机物碳氢键被打开,释放电子,氧气作为终端电子受体将电子“拥入怀抱”,两者结合生成二氧化碳。“如果没有终端电子受体,微生物没有能量,反应将无法进行,就像人没有了氧气便不能呼吸一样。”

然而,厌氧条件下,电子的“归宿”是谁呢?研究人员发现的海水中硫酸盐含量高(浓度为28 mmol/L;相比之下,氧的浓度仅为0.3 mmol/L)。在缺氧海洋环境中,硫酸盐能够扮演氧气的角色,接受电子从而将碳氢化合物转化成硫化氢,为微生物群落提供能量。

已有研究证明,降解甲烷、丁烷、丙烷的微生物将硫酸盐作为能量供应的“营养物质”,乙烷厌氧降解也可能依赖硫酸盐,但对催化这一过程的微生物及其反应机制并不清楚。

在这方面,德国合作者有着多年的积累,他们已特定富集10年并获得乙烷氧化古生菌。基于这一古生菌富集体系,中国研究人员首先验证其是否具备乙烷降解能力——加入定量的乙烷,并在古生菌一年的生长周期内定期取样,大约300天以后,发现乙烷几乎全部“销声匿迹”。

“实验所用的共培养体系能够在硫酸盐还原条件下将乙烷完全氧化为二氧化碳。”论文第一作者、中国科学院生态环境研究中心博士生陈松灿说。

事实上,更有挑战性的是对代谢过程机制的揭示。

在厌氧环境下,生物所有活动都变得很缓慢。就像人到了海拔5000米的青藏高原上,由于缺氧,生命活动必须慢下来。“某些好氧微生物30分钟就能繁殖一代,但许多厌氧菌要几个月才繁殖一代。”陈松灿说。

为了摸清古菌具备乙烷氧化能力的背后机制,研究人员借助宏基因组、宏蛋白组以及宏代谢组技术首先对古生菌进行了全基因组测序分析,发现该基因组包含功能性甲基辅酶M还原酶所必需的全部基因,且对应的基因表达产物在宏蛋白组中被检测到。接着利用傅里叶回旋共振质谱以及液相色谱—质谱技术,确认了中间代谢产物乙基辅酶M的存在,结果表明通过合成乙基辅酶M可催化乙烷的活化。

陈松灿表示,发现甲基辅酶M还原酶,为我们探索乙烷厌氧降解机制提供了方向,这是整个实验的关键转折点。

“该古菌及其功能基因在深海天然气渗漏环境中广泛分布,暗示其所介导的乙烷氧化可能是海洋环境中气态烷烃生物降解的重要途径。”朱永官说。

解析“抱团工作”机制

研究并未就此止步。

乙烷降解的每一步都需要酶作为蛋白质进行催化,最终生成二氧化碳,如果把这个反应“逆”过来呢?陈松灿根据甲烷的可逆反应猜测,改造古菌的酶实现“逆反应”,这将是一个产生重要能源物质乙烷的过程,应用意义更大。

此外,陈松灿在研究中还发现两个古菌之间在相互传递电子时,并不是按照传统“套路”,比如借助纳米导线导电、“摆渡车”中间体运送电子等,“这说明该体系中极有可能蕴含着全新的电子传导机制。”陈松灿说,若能解析这一机制,便可通过调控手段加速电子传导过程,加速乙烷降解过程,“如果乙烷是污染物,生物修复速度也随之加快”。

多年来,朱永官团队一直以水稻土和沉积物为研究对象,开展有机碳和氨的厌氧氧化的相关研究,在厌氧环境下微生物系统功能及其调控方面有着长期的积累。他们前期围绕土壤—水稻系统中铁的氧化还原与氮/砷循环的耦合开展了许多前瞻性的研究,揭示了厌氧条件下水稻土中铁—砷—氮耦合的微生物学机制。

在朱永官看来,该领域还有很多挑战与值得深入研究的问题。

“我们借助诸如高通量测序技术和单细胞等先进的科学手段,认识并理解了更多的微生物,它们是谁、能做什么,这些个体层面的认知只是最初级的。因为自然界的微生物通常不是‘单打独斗’,而是‘抱团干活’,发挥更强大的力量,所以认识这一机制是我们未来努力的方向。”朱永官说。

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