好氧性嗜甲烷菌生物能供给与调控的研究进展

为应对温室气体过度排放所带来环境和能源挑战,甲烷生物转化成为一种新颖的、具有潜力的解决方案。由于好氧性嗜甲烷菌能够利用其天然甲烷代谢途径完成甲烷的氧化和同化,使其在全球碳循环中发挥着重要的作用。随着生物制造技术的不断发展,好氧性嗜甲烷菌已被开发为合成生物基化学品的必要平台。目前,利用基因尺度代谢模型、多组学分析和代谢工程改造已对好氧性嗜甲烷菌的能量代谢和还原力供给进行了系统的解析和优化。本文首先从底物水平磷酸化和氧化磷酸化两个关键途径,概述了好氧性嗜甲烷菌能量供给与代谢通量的互作关系,然后重点介绍和讨论了能量流和碳-氮代谢之间调控策略以及最新研究进展,最后展望了好氧性嗜甲烷菌在生物能供给强化、工具和策略的发展方向和面临的挑战,为构建高效的嗜甲烷菌细胞工厂提供了理论依据和实践指导。

基于化学品生物合成的嗜甲烷菌人工细胞构建及应用进展

由于来源广泛且储量丰富,甲烷被认为是极具应用潜力的下一代生物碳源。嗜甲烷菌是一种分离自富含甲烷环境中的革兰氏阴性细菌,其体内含有独特的甲烷单加氧酶能够让这类微生物以甲烷为唯一碳源和能源进行生长、代谢与产物合成。作为一种重要的工业微生物,嗜甲烷菌在甲烷生物转化利用、温室气体减排和“碳中和”策略开发方面具有重要意义。近年来,随着嗜甲烷菌基因编辑方法、代谢路径调控、生物元件挖掘等菌种构建工具和策略的不断开发,嗜甲烷菌人工细胞可高效转化甲烷生物合成多种大宗化学品和生物燃料。本文围绕遗传改造工具、甲烷碳流调控、异源途径表达和代谢节点累积等方面的研究进展,概述了构建嗜甲烷菌人工细胞的方法和提高甲烷同化效率的策略。同时介绍了基因组学、转录组学、代谢组学等组学研究方法在调控嗜甲烷菌底盘碳代谢流向和通量中的应用。最后,结合生物转化甲烷合成酸类、萜类、醇类等化学品的研究,分析并展望了嗜甲烷菌工业化应用所面临的挑战和机遇。

甲烷生物利用及嗜甲烷菌的工程改造

作为来源广泛、储量丰富的有机碳一气体,甲烷被认为是下一代工业生物技术中最具潜力的碳原料之一。嗜甲烷菌能够利用其体内的甲烷单加氧化酶,将甲烷作为唯一的碳源和能源进行生长和代谢,这为温室气体减排及其开发利用提供了新的策略。目前,嗜甲烷菌生物催化体系的相关研究已开展多年,随着系统生物学和合成生物学的快速发展,利用代谢工程合理改造嗜甲烷菌代谢途径以提高甲烷转化效率,已经实现了生物转化甲烷制备多种大宗化学品和生物燃料。本文详细讨论并介绍了嗜甲烷菌催化氧化甲烷的相关代谢途径、高效细胞工厂构建及部分化学品生物合成的最新研究进展,并对甲烷生物转化未来的发展方向和面临的技术挑战进行了讨论和展望。

低温条件下的甲烷生成与嗜冷产甲烷古菌研究进展

综述了低温条件下的甲烷生成,包括自然界低温环境甲烷的形成和低温厌氧消化器中甲烷的形成。同时阐述了嗜冷产甲烷古菌的分离、适冷机制及分子生物学研究进展。

不同退化湿地中嗜冷甲烷古菌的变化规律研究

该试验通过厌氧分离、滚管纯化技术对同一时期不同退化程度湿地中的嗜冷甲烷古菌进行分离,采用血球计数法对嗜冷甲烷古菌计数,应用荧光显微镜观察其形态特征,并使用气相色谱法对其产甲烷量进行测定分析,依据试验结果分析嗜冷甲烷古菌与高寒湿地退化的联系。结果表明:随着湿地退化程度增加,嗜冷甲烷古菌的种类和数量都有增加,其产甲烷气体量亦有明显增加,对嗜冷甲烷古菌的特性研究可以在一定水平上指示湿地的退化程度。

全碳素生物转化沼气制备生物航煤制造路线研究进展

作为一种清洁可再生能源,沼气具有替代化石燃料的潜能。沼气的传统利用是通过直接燃烧获得电力和热量,但该过程会产生二氧化碳(CO_(2)),不仅降低了沼气利用的碳原子经济性,还会带来温室气体排放等问题。为了实现沼气全碳素转化,本文提出以餐厨垃圾厌氧消化产生的沼气为原料,利用合成生物学技术和生物制造策略,将其中的全部碳素(CO_(2)和CH_(4))高效转化为生物航煤(SAF)。该制造路线利用光能自养微生物和好氧性嗜甲烷菌分别转化CO_(2)和CH4合成生物油脂,再将油脂提取并升级加工制备SAF。文章通过介绍光能自养微生物和好氧性嗜甲烷菌的关键酶和代谢途径,总结菌种改造策略和发酵工艺优化在提升油脂积累方面的研究进展。在比较了不同生物油脂预处理和升级加工的工艺特点之后,分析了相关技术的经济性和应用场景。基于SAF的燃烧性能及其在生产过程中的全球变暖潜势值,讨论了SAF制造路线的技术可行性。最后,借助技术经济可行性分析,展望了提升SAF制造路线经济性的策略,为生物技术在燃料生产领域的商业化应用提供参考。

缺氧嗜甲烷古菌研究进展

综述了缺氧嗜甲烷古菌的分布、生态位、形态与代谢特征的新发现,并讨论了其与产甲烷菌的关系.在无氧条件下,缺氧嗜甲烷古菌与硫酸盐还原菌互养,氧化甲烷气体以阻止其进入大气.缺氧嗜甲烷古菌主要分布于深海甲烷渗漏区和冷泉区域,在其他多种缺氧环境中也能发现,由于还未获得纯培养,对这类微生物的生态位知之甚少.其细胞呈球状、杆状,有时聚集成球状集合体或连接形成丝状体.缺氧甲烷氧化可能经过"反甲烷合成"、"甲基合成"等路径.嗜甲烷古菌与产甲烷菌有着较近的亲缘关系,并且存在许多相似点.

相似相容物质对嗜冷甲烷叶菌R15的冷保护作用

嗜冷甲烷叶菌R15(Methanolobus psychrophilus R15)是本实验室分离自青藏高原若尔盖湿地的一株甲烷古菌新种。前期研究发现其生长温度范围为0℃-30℃,最适生长温度为18℃,并能在5 mmol/L至800 mmol/L NaCl中生长。【目的】鉴定甲烷古菌的相似相容物质,并探讨它们对甲烷古菌的冷保护作用和可能的作用机理。【方法】用LC-MS分析低温下甲烷古菌胞内积累的相似相容物质;检测积累的及已知的相似相容物质对R15低温生长的促进作用,并以研究酶稳定性的模式蛋白谷氨酸脱氢酶(GDH)为对象,分析相似相容物质对低温下酶的稳定性作用。【结果】在4℃培养和冷胁迫的R15细胞内检测到胆碱和甜菜碱的积累;发现胆碱、甜菜碱、甘氨酸、肉毒碱、乙偶姻和四氢嘧啶6种相似相容物质促进R15的低温生长,而且胆碱、甜菜碱及甘氨酸能提高GDH酶的低温稳定性。【结论】甲烷古菌的相似相容物质同时具有低温保护作用,本研究扩展了对相似相容物质生理功能的认识。