非光合微生物菌群好氧固定CO2的研究

第39卷第5期2009年10月工业微生物IndustrialMicrobiologyV0I．39No．5Oct．2009doi：10．3969／j．issn．1001—6678．2009．05．001非光合微生物茵群好氧固定CO2的研究李艳丽，胡佳俊，付小花，王磊¨，乐毅全，徐殿胜，陆兵(1．同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092；2．华东理工大学生物工程学院生物反应器工程国家重点实验室，上海200237)摘要微生物固定cO，在环境、资源方面具有重要意义。然而，通常具有较高固碳能力的光合细茵和氢氧化细茵由于需要光照／严格厌氧和供氢，限制了其在反应器或土壤中的应用。本研究通过生物技术手段从海水及其沉积物中选育到在普通好氧条件下具有固碳能力的非光合微生物茵群，并通过电子供体和无机碳源结构的优化，显著提高了其对无机碳的同化能力，好氧条件下固碳茵液的最高无机碳同化效率可达110mgCo／L·d，为实现普通环境条件下的微生物固碳奠定了基础。同时，通过分子生物学手段研究了不同环境条件下固碳微生物茵群的群落结构，以期为进一步优化固碳微生物群落结构，提升固碳效率提供理论依据。结果发现在不同培养条件下，茵群的群落结构发生了很大改变，表明不同条件下的固碳优势茵属于不同的种属，但通过测序、序列比对及构建系统发育树后发现，在已测序的16个显著条带中，11个是不可培养微生物，即其只能以共生方式存在，混合培养时，固定CQ的效果可能是多种菌共同作用的结果。这意味着单一纯种微生物的固碳效率可能较低，研究与优化固碳微生物茵群的结构和配比将有利于固碳效率的提升。关键词：CO同化；非光合微生物；电子供体；好氧条件；微生物群落结构“温室效应”造成的全球变暖是当前面临的重大环境问题。C02作为主要的温室气体，所造成的温室效应占总效应的50％，且CO在大气中存留期最长可达200年。随着人类利用能源速度的不断增长，CO2排放量增长势头令人担忧。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)预测[1]。人类活动产生的折算C02将从1997年的271亿a增长到2100年的950亿t／a，而大气中的CO2体积分数也将从现有的3．6×10增长到2050年的7．2X10～。联合国政府问气候变化专门委员会警告，到本世纪末，由于温室效应，地球的气温将比现在升高6℃，结果将是灾难性的。为减缓温室效应，人们重点关注的是包括C02在内的温室气体的减排。然而CO又是地球上最丰富的碳源和可再生资源，因此在考虑如何减排二氧化碳的前提下，研究Co2的回收与固定，既能有效减少环境中游离的C()2，又能将其再生为资源，因此已得到了世界各国的广泛兴趣。CQ的固定方法主要有物理法、化学法和生物法，而大多数物理法和化学法能量消耗较大，而且物理法固定的O()2最终都必须结合生物法将其转化为有机碳。生物法固定C02主要是依靠植物和微生物，传统上植物的光合作用较为重要也更为人所重视，但地球上存在各种各样的环境，尤其是在植物不能生长的特殊环境中，微生物的环境适应性强、生长迅速的优势便显现出来了，因此从整个生物圈的物质流、能量流来看，微生物固定C02在环境、能源、资源方面都有极其重要的意义。目前国际上有关CO2微生物固定的研究主要集中在藻类及氢一氧化细菌方面]。藻类经济价值较高，但由于需光照培养，在大规模培养时，存在很多难题；且藻类不耐高温，不耐高浓度C02]，若应用于工业废气(10％～20％Co2)的直接处理，则效果基金项目：国家科技支撑计划重大项目(20O6BAC01A14)，上海市科委重大科技攻关项目(06dz12302)。作者简介：李艳丽(1983～)，女，博士研究生，主要研究方向为全球变化与∞2减排。*通讯作者，Ermil：celwang@yahoo．oorfl，电话：021—65981831。一1一第5期工业微生物第39卷不佳。在非光合固碳微生物中，氢一氧化细菌的生长速率是最快的，而且相比藻类其适应范围更广，但由于培养中需要通人大量的氢气【6]，在实际应用中存在很多困难，又极不安全。因此获得不用供氢与光照的高效固碳微生物是实现C02微生物固定与资源化的重要前提。本实验室根据地球起源时期的古细菌具有自养碳同化功能以及海洋中目前尚存在较多古细菌的特点，分别从我国的黄海、东海、南海以及南极海域采集海水和沉积物，通过生物技术手段选育不用供氢与光照的固碳微生物，并在此基础上通过电子供体和无机碳源结构的优化，以期实现在普通好氧和厌氧条件下的高效固碳。同时运用分子生物学手段分析各状态下，固碳微生物的群落结构变化，以便为进一步构建高效固碳微生物菌群提供理论依据。研究结果将为发展微生物固碳技术提供技术支撑，并为实现C的资源化，缓解全球气候变暖提供一种可选择的手段。1材料与方法1．1非光合固碳