甲醇被許多生活在地表下的微生物代謝成天然氣甲烷，然而，這些甲醇從何而來，一直不清楚。
2025 年 1 月 29 日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所承磊團(tuán)隊聯(lián)合日本國立海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所及北京大學(xué)的研究人員，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Nature 上發(fā)表了題為：Methanol transfer supports metabolic syntrophy between bacteria and archaea 的研究論文。
該研究發(fā)現(xiàn)了一種合作共贏的菌群互作模式，揭示了厭氧微生物產(chǎn)甲醇的新途徑，并提出了第四種細(xì)菌和古菌互作產(chǎn)甲烷模式——種間甲醇轉(zhuǎn)移。這一發(fā)現(xiàn)為理解全球甲烷循環(huán)提供了全新視角，也為“地下沼氣工程”和溫室氣體減排控制技術(shù)開發(fā)帶來了新思路。
在地下產(chǎn)甲烷生態(tài)系統(tǒng)中，利用甲基化合物的古菌——甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌——的普遍存在，表明了甲基化合物在這些生境的生態(tài)學(xué)和碳循環(huán)中具有重要作用。然而，這些化合物的來源仍不清楚，因為目前尚未發(fā)現(xiàn)有能量代謝途徑能將甲基化合物作為主要產(chǎn)物從頭生成。
承磊團(tuán)隊之前從地下油藏發(fā)現(xiàn)了一種新型嗜熱厭氧細(xì)菌——Zhaonella formicivorans（嗜甲酸趙氏桿菌，為紀(jì)念沼氣所趙一章研究員而命名）和一種新型吃甲醇產(chǎn)甲烷的厭氧古菌 Methermicoccus shengliensis（勝利甲烷嗜熱微球菌，為紀(jì)念勝利油田而命名）。
在這項最新研究中，研究團(tuán)隊揭示了嗜甲酸趙氏桿菌的能量代謝途徑，該途徑能將甲酸轉(zhuǎn)化為甲醇，從而無需甲基化化合物作為輸入就能生成甲醇。培養(yǎng)實驗表明，甲酸驅(qū)動的甲醇生成，會因甲醇的積累而受到抑制。
然而，這種限制可以通過勝利甲烷嗜熱微球菌消耗甲醇來克服。勝利甲烷嗜熱微球菌通過消耗嗜甲酸趙氏桿菌產(chǎn)生的甲醇，幫助其解決了甲醇累積的問題，還能夠甲醇轉(zhuǎn)化為甲烷，從而持續(xù)生成天然氣。
此前人們認(rèn)為，細(xì)菌和古菌互作產(chǎn)甲烷模式（互惠交叉喂養(yǎng)模式，也叫做互營代謝）模式依賴于氫氣、甲酸或電子傳遞，而該研究發(fā)現(xiàn)的種間甲醇轉(zhuǎn)移，代表了由熱力學(xué)必然性驅(qū)動的第四種互作產(chǎn)甲烷模式。
此外，研究團(tuán)隊利用嗜甲酸趙氏桿菌和勝利甲烷嗜熱微球菌人工構(gòu)建了合成菌群，并結(jié)合同位素示蹤、多組學(xué)等前沿技術(shù)，證實了嗜甲酸趙氏桿菌通過全新的甘氨酸—絲氨酸循環(huán)介導(dǎo)途徑產(chǎn)生甲醇，這也是首次在微生物細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)。這種轉(zhuǎn)化過程面臨的熱力學(xué)限制，通過與產(chǎn)甲烷古菌——勝利甲烷嗜熱微球菌的合作得以克服。
這種不同尋常的新陳代謝和互營作用為地下產(chǎn)甲烷生態(tài)系統(tǒng)中甲基化合物的神秘存在提供了見解，并展示了生物體如何通過代謝共生在熱力學(xué)極限下生存。
日本國立海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu) Masaru K. Nobu、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所 Souichiro Kato，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所承磊為論文共同通訊作者，沼氣所副研究員黃艷為論文第一作者。
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2021 年 12 月 22 日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所承磊團(tuán)隊、深圳大學(xué)高等研究院李猛團(tuán)隊與德國馬克斯普朗克海洋微生物研究所 Gunter Wegener 團(tuán)隊合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species 的研究論文，在古菌降解長鏈烷烴產(chǎn)甲烷研究方面取得突破性進(jìn)展。
該研究結(jié)合穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記培養(yǎng)、宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組測序、高分辨質(zhì)譜等技術(shù)，深入分析了一類新型產(chǎn)甲烷古菌——Candidatus Methanoliparum，首次證實了其獨立降解長鏈烷基烴產(chǎn)甲烷的功能。
2024 年 7 月 24 日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所承磊團(tuán)隊與荷蘭瓦赫寧根大學(xué) Diana Z. Sousa 團(tuán)隊合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Isolation of a methyl-reducing methanogen outside the Euryarchaeota 的研究論文。這是我國學(xué)者首次在頂級期刊發(fā)表厭氧微生物分離培養(yǎng)的報道，是我國在厭氧古菌資源領(lǐng)域的一個重大突破。
該研究發(fā)現(xiàn)并分離培養(yǎng)了一種新型產(chǎn)甲烷古菌——Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6，并證實了該古菌具有氫依賴代謝甲基化合物產(chǎn)甲烷的生理功能，但不具有發(fā)酵生長能力。
論文鏈接：
ature.com/articles/s41586-024-08491-w
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04235-2
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07728-y
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