甲烷八叠球菌研究进展_杨冰

化学与生物工程２０１２，Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．１２Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ７基金项目：科技部国际科技合作项目（２０１０ＤＦＡ６２５１０），教育部２００９年度“长江学者和创新团队发展计划”项目（ＩＲＴ０９６３）收稿日期：２０１２－０９－０６作者简介：杨冰（１９８７－），女，湖南长沙人，硕士研究生，主要从事应用微生物学研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｒｉｎｇ＿２００６＠１６３．ｃｏｍ；通讯作者，田云，副研究员，Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｉａｎｙｕｎ７９６１６＠１６３．ｃｏｍ；指导老师：卢向阳，教授，Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｎｇｙａｎｇｃｎ＠１６３．ｃｏｍ。ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－５４２５．２０１２．１２．００２甲烷八叠球菌研究进展杨冰１，２，卢向阳１，２，田云１，２（１．湖南农业大学生物科学技术学院，湖南长沙４１０１２８；２．湖南省农业生物工程研究所，湖南长沙４１０１２８）摘要：甲烷八叠球菌（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎｅａｅ）是能够利用乙酸、ＣＯ２、甲醇、甲胺、甲基硫化物等多种有机或无机化合物为底物产生甲烷的厌氧古细菌，它的代谢路径多样，遗传结构简单，广泛应用于理论和应用研究，其中Ｍ．ａｃｅｔｉｖｏｒａｎｓ、Ｍ．ｍａｚｅｉ和Ｍ．ｂａｒｋｅｒｉ菌种在完成全基因组测序后成为研究古细菌的模式菌种。甲烷八叠球菌是厌氧消化产甲烷的重要菌株，应用潜力巨大。简单介绍了甲烷八叠球菌的形态特征、代谢特征和基因组特征，并对其在厌氧消化中的应用研究进展进行了综述。关键词：甲烷八叠球菌；特征；厌氧消化；全基因组测序中图分类号：Ｑ９３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－５４２５（２０１２）１２－０００７－０５用有机物生产可再生能源是可持续发展理念中最重要的方法之一，欧盟已提出到２０２０年欧洲能源必须有２０％来源于可再生能源，而可再生能源的总预算中用有机物发酵产生的沼气占２５％［１］。我国是一个能源消耗大国，可持续发展是我们必须坚持的发展战略之一。因此，用有机废弃物生产可再生能源也将是我国未来可再生能源研究的重点。厌氧消化技术是应用得最广泛的将有机废弃物转化为甲烷的技术，它除了能稳定降解有机废弃物产生沼气外，还有生物量低、有机物装载率高、营养需求限度低、运行和维护费用低等优点［２］。厌氧消化过程主要包括两个步骤：一是高分子有机物的分解；二是分解后物质的甲烷化。甲烷化是厌氧消化的限速步骤，主要靠产甲烷古细菌将厌氧消化产生的有机或无机化合物厌氧发酵生成甲烷。在有机物厌氧消化的甲烷化过程中，７０％以上的甲烷来自乙酸的裂解［３，４］，而目前所知，只有甲烷鬃毛菌（Ｍｅｔｈａ－ｎｏｓａｅｔａ）和甲烷八叠球菌（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎｅａｅ）能裂解乙酸产生甲烷［５］。但是当反应器中乙酸浓度超过３０００ｍｇ·Ｌ－１时甲烷鬃毛菌就无法生长，而甲烷八叠球菌在乙酸浓度高达１５０００ｍｇ·Ｌ－１的发酵液中仍能利用乙酸产生甲烷［６～８］。因此，甲烷八叠球菌在有机物厌氧消化中起着重要的作用。目前，欧美国家对甲烷八叠球菌的研究已进入分子机理研究阶段，但我国对甲烷八叠球菌研究的报道还比较少。通过查阅国内外文献，作者在此对甲烷八叠球菌的特征和应用研究进展进行了综述。１甲烷八叠球菌的分类甲烷八叠球菌属于古细菌域（Ａｒｃｈａｅａ）、广古菌门（Ｅｕｒｙａｒｃｈａｅｏｔａ）、甲烷球菌纲（Ｍｅｔｈａｎｏｃｏｃｃｉ）、甲烷八叠球菌目（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａｌｅｓ）、甲烷八叠球菌科（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａｃｅａｅ）、甲烷八叠球菌属（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒ－ｃｉｎａ）。１９４７年，荷兰学者Ｓｅｈｎｅｌｌｅｎ［９］首次分离出了甲烷八叠球菌属并命名为Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａｂａｒｋｅｒｉ。随后各国科学家又相继分离到Ｍ．ａｃｅｔｉｖｏｒａｎｓ、Ｍ．ｂａｌｔｉｃａ、Ｍ．ｌａｃｕｓｔｒｉｓ、Ｍ．ｍａｚｅｉ、Ｍ．ｓｅｍｅｓｉａｅ、Ｍ．ｓｉｃｉｌｉ－ａｅ、Ｍ．ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａ、Ｍ．ｖａｃｕｌｏｌａｔａ等８个甲烷八叠球菌种［１０］。２甲烷八叠球菌的特征２．１形态特征（图１）杨冰等：甲烷八叠球菌研究进展／２０１２年第１２期８图１甲烷八叠球菌细胞的显微照片［１１］Ｆｉｇ．１ＭｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆＭｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎｅａｅ［１１］甲烷八叠球菌通常是８个单细胞以图１ａ中的形式进行生长，它存在２种不同的形态：在淡水中生长时，以聚集形式存在，细胞外包裹着杂多糖基质（图１ｂ）；在高盐环境中生长时，则是以分散形式存在，没有胞外聚合物层（图１ｃ）［１１～１３］。甲烷八叠球菌是唯一能够通过胞外多糖形成多细胞结构的古细菌，胞外多糖的形成是甲烷八叠球菌的一种自我保护机制，它能吸收水作为湿润剂，保持细胞内的水活度；同时也能减少扩散到细胞的氧，保护细菌免受氧的损害［１２］。２．２代谢特征甲烷八叠球菌是