研究發(fā)現(xiàn)具有乙烷厭氧功能的古菌及其代謝途徑

3月28日，學(xué)術(shù)刊物《自然》（Nature）在線發(fā)表了關(guān)于乙烷厭氧生物氧化的研究論文“Anaerobic oxidation of ethane by archaea from a marine hydrocarbon seep”，報(bào)道了具有乙烷厭氧功能的古菌及其代謝途徑。該研究由德國(guó)亥姆霍茲環(huán)境研究中心（UFZ）Florin Musat團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心朱永官團(tuán)隊(duì)和德國(guó)Max-Planck海洋微生物研究所Freidrich Widdel團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成。中科院生態(tài)中心博士生陳松燦為作者，德國(guó)亥姆霍茲環(huán)境研究中心Florin Musat為論文的通訊作者。

天然氣，包括甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等氣態(tài)烷烴，是海洋及陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)碳庫(kù)的重要組分，其形成和分解對(duì)地球環(huán)境和氣候變化影響極大。在海洋及陸地環(huán)境中，天然氣從巖層深部向上擴(kuò)散至油氣藏上部沉積物及土壤，是其間微生物重要的碳源及能源。甲烷厭氧氧化是海洋底泥及土壤中普遍存在的微生物過(guò)程。此外，近期的研究表明丙烷和丁烷等小分子烷烴也能在無(wú)氧條件下被古菌或者細(xì)菌氧化利用。相反，乙烷，作為天然氣中第二豐富的烷烴，是否能夠被微生物厭氧降解尚不明確。

該研究通過(guò)富集培養(yǎng)、熒光原位雜交、宏基因組、宏蛋白組以及宏代謝組技術(shù)揭示了乙烷厭氧氧化古菌及其代謝機(jī)制。研究所用的共培養(yǎng)體系能夠在硫酸鹽還原條件下將乙烷*氧化為二氧化碳。古菌為該富集體系的主導(dǎo)微生物菌群，作者將其命名為Candidatus Argoarchaeum ethanivorans；Ca. Argoarchaeum基因組含有甲基輔酶M還原酶（methyl-coenzyme M reductase，MCR）所有編碼基因，且對(duì)應(yīng)的基因表達(dá)產(chǎn)物在宏蛋白組中被檢測(cè)。利用傅里葉回旋共振質(zhì)譜以及液相色譜-質(zhì)譜技術(shù)，該研究進(jìn)一步確認(rèn)了中間代謝產(chǎn)物乙基輔酶M（ethyl-coenzyme M）的存在。這些結(jié)果表明Ca. Argoarchaeum通過(guò)合成乙基輔酶M來(lái)催化乙烷的活化，與近期報(bào)道的Ca. Syntrophoarchaeum厭氧丁烷氧化的機(jī)制相似。宏蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明乙烷氧化生成的中間產(chǎn)物乙酰輔酶A通過(guò)Wood Ljungdahl途徑被氧化為二氧化碳。Ca. Argoarchaeum及其功能基因在深海天然氣滲漏環(huán)境中廣泛分布，暗示Ca. Argoarchaeum所介導(dǎo)的乙烷氧化可能是海洋環(huán)境中氣態(tài)烷烴生物降解的重要途徑。

該研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于氣態(tài)烷烴厭氧氧化的研究，并取得系列成果和進(jìn)展，包括在世界上分離培養(yǎng)了具有丙烷和丁烷降解功能的硫還原細(xì)菌Desulfosarcina sp. BuS5（Nature，2007）；報(bào)道了嗜熱丁烷氧化古菌Ca. Syntrophoarchaeum butanivorans及其代謝途徑（Nature，2016）。該研究發(fā)現(xiàn)了乙烷厭氧氧化古菌，*長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)界對(duì)氣態(tài)烷烴厭氧氧化過(guò)程認(rèn)識(shí)上的空白，拓展了人們對(duì)MCR酶功能特異性的理解，開啟了對(duì)土壤環(huán)境（如濕地和稻田等）中烷烴厭氧過(guò)程的新探索。同時(shí)，該研究能夠?yàn)闇p少小分子烷烴的大氣排放提供新的思路，也可為開發(fā)油氣藏微生物勘探技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)和方向。

該研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)B（XDB15020302和XDB15020402）的資助。