甲烷厌氧氧化及其微生物特性研究进展

甲烷是一种温室气体,其引起的温室效应是CO2的20倍。微生物通过甲烷厌氧氧化(AOM)可以减少自然环境中该温室气体的排放,对缓解全球温室效应具有重大作用。根据耦联反应的不同,可将AOM分为3类,包括硫酸盐还原型、反硝化型以及铁锰依赖型。系统地介绍了AOM的类型及参与的微生物的特性,并对未来更多的AOM微生物的发现以及机理的研究提出展望,以期为甲烷排放控制和管理提供依据。

甲烷厌氧氧化机理及其应用研究进展

甲烷是一种重要的温室气体,研究证明甲烷厌氧氧化(AOM)对于降低全球甲烷的排放有着重要意义。参与AOM反应的最终电子受体可分为三类,即SO2–4、NO_2~–/NO_3~–以及以Fe^(3+)、Cr^(5+)等为代表的金属离子。本文基于甲烷厌氧氧化过程所利用的电子受体的差别,结合不同类型AOM反应微生物的基因型分析,阐述了AOM过程的反应机理、相关的微生物种类及其代谢途径。其中对AAA(AOM-associated archaea,属于ANME-2d)的分离培养,以及其利用硝酸盐、Fe^(3+)、Cr^(5+)等离子氧化甲烷的研究对认识AOM反应机理和AOM的实际应用有很大推动作用。本文还介绍了AOM过程在环境污染控制领域实际应用中的最新研究进展,对AOM的实际应用及其在节能减排上的价值进行展望。AOM过程的进一步研究对拓宽该过程的工程应用以及对正确认识全球碳、氮、硫循环均有着重要意义。

金属依赖型厌氧甲烷氧化研究进展

甲烷(CH_(4))是一种温室气体,其温室效应是二氧化碳的26倍。减少甲烷排放,可以缓解温室效应,有助于保护大气环境。微生物介导的甲烷厌氧氧化是调节甲烷向大气排放的关键过程。金属氧化物或金属离子可以作为甲烷厌氧氧化的电子受体,且金属依赖的甲烷厌氧氧化是减小全球甲烷排放的一个重要途径。虽然研究表明金属依赖型厌氧甲烷营养古菌可以促进这一过程,但其菌种、代谢途径及胞外电子传递途径尚缺乏深入研究。文章从金属依赖型厌氧甲烷氧化菌、金属依赖型厌氧甲烷氧化机制及金属依赖型厌氧甲烷氧化菌胞外电子传递机制等方面对金属依赖型厌氧甲烷氧化研究现状进行了概述,分析了金属依赖型厌氧甲烷氧化研究存在的问题,并讨论了其今后的研究方向,为金属依赖型厌氧甲烷氧化研究提供参考。

Methanogenesis and Methanotrophy in Soil: A Review

Global warming, as a result of an increase in the mean temperature of the planet, might lead to catastrophic events for humanity. This temperature increase is mainly the result of an increase in the atmospheric greenhouse gases （GHG） concentration. Water vapor, carbon dioxide （CO2）, methane （CH4） and nitrous oxide （N20） are the most important GHG, and human activities, such as industry, livestock and agriculture, contribute to the production of these gases. Methane, at an atmospheric concentration of 1.7 gmol tool-1 currently, is responsible for 16% of the global warming due to its relatively high global warming potential. Soils play an important role in the CH4 cycle as methanotrophy （oxidation of CH4） and methanogenesis （production of CH4） take place in them. Understanding methanogenesis and methanotrophy is essential to establish new agriculture techniques and industrial processes that contribute to a better balance of GHG. The current knowledge of methanogenesis and methanotrophy in soils, anaerobic CH4 oxidation and methanotrophy in extreme environments is also discussed.

海洋环境中甲烷厌氧氧化机理及环境效应

作为全球碳循环的重要环节之一,甲烷厌氧氧化作用(Anaerobic Oxidation of Methane,AOM)不仅是微生物生态学领域最具科学魅力、充满学术争议的问题之一,也是调节地质历史时期地球环境和气候变化的重要因素之一。近年来,针对包括海洋在内的各种环境中的AOM展开了大量的研究,然而迄今为止,对该反应的运作机制仍缺乏足够了解,其中包括该作用对海洋环境和气候系统在过去、现在和未来的影响机理和程度问题,这说明对于甲烷最重要汇的了解还存在着盲区。以现代海洋地质环境中的AOM为研究对象,综述了其产生机理、反应底物、电子受体、以及涉及到其中的微生物等方面的最新研究成果,探讨了该作用对于地球环境、气候的影响意义及地质学启示,并尝试展望了需要进一步研究的几点方向,希望藉此能引起广大研究者的兴趣与重视。

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.

中国南海北部陆坡沉积物古菌多样性及丰度分析

【目的】海洋沉积物中的古菌在全球生物地球化学循环中充当重要的角色,深入了解沉积物中古菌群落的结构及功能特征是探究海洋沉积物中古菌参与生物地球化学循环和生态学功能的基础。【方法】采用高通量测序技术,分别对南海北部陆坡不同海域(东部,西部和神狐海域的7个站位)沉积物中古菌16SrRNA基因进行Illumina Mi Seq测序。【结果】中国南海北部陆坡沉积物中古菌的主要门类是Bathyarchaeota、Thermoplasmata、Woesearchaeota(DHVEG-6)、Thaumarchaeota(Marine Group I)、Lokiarchaeota和Marine Hydrothermal Vent Group(MHVG),还存在少量的AK8、Marine Benthic Group A和Terrestrial Hot Spring Crenarchaeota Group(THSCG)等。在潜在水合物区沉积物中还发现了甲烷代谢相关古菌(Anaerobic methanotrophic archaea,ANME)类群,主要为ANME-1、ANME-2ab和ANME-2c等。甲烷代谢古菌的分布特征也从甲烷代谢保守功能基因mcr A(Methyl coenzyme-Mreductase A)的扩增中得到了验证。利用定量PCR对南海沉积物中的细菌、古菌的16SrRNA基因和mcrA基因进行了定量,发现细菌16SrRNA基因拷贝数为10~5-10~7 copies/g(湿重),古菌16SrRNA基因拷贝数为10~5-10~6 copies/g(湿重),潜在水合物区mcrA基因拷贝数为10~3-10~5 copies/g(湿重)。【结论】揭示了中国南海北部陆坡沉积物中具有丰富的微生物资源,其中古菌种类多样且丰度较高,同时发现冷泉特征古菌群落,为深入认识和理解南海沉积物中微生物丰度和古菌多样性,以及解析古菌地球化学功能奠定基础。

水生生态系统中金属依赖型甲烷厌氧氧化过程的研究进展

甲烷是一种比CO2更活跃的温室气体,微生物驱动的甲烷厌氧氧化(anaerobicoxidationof methane,AOM)过程对于降低全球甲烷的排放有着重要意义。参与AOM反应的最终电子受体主要分为三类,即硫酸盐、亚硝酸盐/硝酸盐以及以Fe(III)、Mn(IV)等为代表的金属离子。可溶性金属物质和不溶性金属矿物都可以被用作AOM的电子受体,这大大提高了参与金属依赖型甲烷厌氧氧化(metal-dependent anaerobic oxidation of methane,Metal-AOM)微生物的生态价值。目前研究聚焦在功能菌群、生态分布等方面。部分甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)具有直接或间接参与Metal-AOM过程的能力。但由于功能菌群纯化富集和分离具有一定难度,有关其生理生化和生态学等特征的研究受到限制。同时,随着Metal-AOM被发现存在于不同水生生境中,其在污染治理领域的应用也被广泛讨论,但是河口生境尚缺乏深入研究。本文从Metal-AOM的发现入手,阐述了参与该过程的主要微生物及其在水域环境下的生态分布,并介绍了Metal-AOM的反应机制和在实际应用中的机遇与挑战。最后,根据现有研究结果,提出对功能菌群、机制及环保应用的研究展望,包括微生物分离纯化和影响因素、菌群代谢活性和作用机制的解析以及新型生产工艺的设计和发展应用,以期为今后的环境污染治理和工业应用提供借鉴意义。

甲烷代谢古菌分离培养研究进展

全球变暖是全人类面临的一个巨大挑战,而温室气体排放持续上升是全球变暖的关键因素,并引发一系列生态环境问题。甲烷是第二温室气体,对全球变暖的贡献达20%。然而,在甲烷代谢中发挥重要作用的产甲烷古菌和厌氧甲烷氧化古菌(anaerobic methanotroph,ANME)较难培养,极大地限制了人们对甲烷代谢及其影响碳源-汇关系与机制的研究。本文综述了最新产甲烷古菌和ANME富集、分离和培养方法,包括富集培养、原位培养、共培养、微流控技术、稀释分离和固体分离技术、ANME反应器和培养瓶富集培养,以及宏基因组预测和反向基因组学,并对这些方法的优缺点进行了评估,对未来甲烷代谢古菌的富集、分离和培养提出新的建议。