产甲烷菌的生态多样性
《微生物学》课程论文
论文题目：产甲烷杆菌的研究和其利用前景工艺学学院：生命与地理科学学院
专业：生物科学
班级：S10A
学号：20101911131
姓名：刘韬
成绩：
目录
1 产甲烷菌的分类................................................................................................................................ -
2 -
2.产甲烷菌的生态多样性.................................................................................................................... - 2 - 3．生长繁殖特别缓慢.......................................................................................................................... - 3 -
4.产甲烷菌代谢途径............................................................................................................................ - 3 -
5.甲烷合成的途径................................................................................................................................ - 3 -
6.沼气池中产甲烷杆菌和不产甲烷菌的关系.................................................................................... - 4 -
6.1不产甲烷细菌为产甲烷菌提供生长基质和产甲烷所需的底物 ......................................... - 4 -
6.2不产甲烷细菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境................................................................. - 4 -
6.3不产甲烷细菌为产甲烷菌清除有毒物质............................................................................. - 4 -
6.4产甲烷菌为不产甲烷细菌生化反应解除反馈抑制............................................................. - 4 -
6.5共同维持沼气发酵环境中的适宜pH值............................................................................... - 5 -
6.6不产甲烷细菌构建了产甲烷菌的“古环境” ....................................................................... - 5 -
7.产甲烷杆菌的应用前景.................................................................................................................... - 5 -
7.1废水处理................................................................................................................................. - 5 -
7.2酿酒工业上的应用................................................................................................................. - 5 -
7.3产甲烷菌在煤层气开发中的应用......................................................................................... - 6 -
8. 结语................................................................................................................................................ - 6 - 参考文献................................................................................................................................................ - 6 -
产甲烷杆菌的研究和其利用前景
10级生物科学 20101911131 刘韬
摘要产甲烷菌是一类重要的极端环境微生物，在地球生物化学碳素循环过程中起着关键作用. 目前，根据产甲烷菌的系统发育和生理生化特性可将已培养的产甲烷菌分为5大目. 产甲烷菌广泛分布在海底及淡水沉积物、水稻田、动物胃肠道、地热及地矿等环境中，生态学研究表明，产甲烷菌在不同的生态环境里具有不同的群落分布特点，并且受不同环境因子的影响而显示出不同的生理代谢功能. 本文综述了国内外近年来产甲烷菌的分类及生态多样性研究进展，同时简述了产甲烷菌在厌氧生物处理和工业酿酒中广阔应用前景.
关键词产甲烷菌；分类；生态多样性；废水处理；泸州老窖Methanobacterium research and its prospect Abstract methanogens is an important kind of extreme environmental microbial, in the biogeochemistry of carbon cycle plays a key role in the process. At present, according to the methanogenic bacteria phylogeny and physiological and biochemical characteristics can be cultured methanogens have been divided into 5heads. Methane producing bacteria widely distributed in marine and freshwater sediments rice, water, animal gastrointestinal tract, geothermal and geological environment, ecological studies have indicated, methanogenic bacteria in different ecological environment has different characteristics of community distribution, and affected by different environmental factors and show different physiological and metabolic function. This article reviews the domestic and abroad in recent years and the classification of methane producing bacteria biodiversity research progress, at the same time on the methanogenic bacteria in anaerobic biological treatment and broad application prospects in industrial saccharomyces.
Key words methanogens; classification; biodiversity; wastewater treatment; Lu zhou
产甲烷菌是一类严格厌氧的原核微生物，是有机物甲烷化作用中食物链的最后一组成员，其独特的厌氧代谢机制使其在自然界物质循环中起着重要作用. 一方面，产甲烷菌是产生温室气体的主要因素，全球甲烷的排放量每年大约是500 t，其中74%是由产甲烷菌代谢产生[1]；另一方面，产甲烷菌在有机质的厌氧生物处理工业应用中发挥着关键的作用，如沼气发酵、煤层气开发等. 因此，对产甲烷菌的研究具有重要的理论和实践意义. 随着厌氧培养技术和微生物分子生态技术的发展，更多的实验室能对产甲烷菌进行多角度的研究. 这些研究揭示出产甲烷菌分类地位的多样性，展示出不同环境下产甲烷菌的生态及生理特性的差异性，同时也为产甲烷菌的实际工业应用指明了方向.
1 产甲烷菌的分类
1776年，Alessandro Volta首次发现了湖底的沉积物能产生甲烷，之后历经一个多世纪的研究，利用有机物产甲烷的厌氧微生物才大致被分为两类：一类是产氢、产乙酸菌，另一类就是产甲烷菌. W.E. Balch等在1979年报道了3个目、4个科、7个属和13个种的产甲烷微生物，他们的分类是建立在形态学、生理学等传统分类特征以及16S rRNA寡核苷酸序列等分子特征基础上的[2].随着厌氧培养技术和菌种鉴定技术的不断成熟，产甲烷菌的系统分类也在不断完善. 《伯杰系统细菌学手册》第9版将近年来的研究成果进行了总结和肯定，并建立了以系统发育为主的产甲烷菌最新分类系统. 产甲烷菌分可为5个大目，分别是：甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷球菌目(Methanococcales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)和甲烷火菌目(Methanopyrales) [3]，上述5个目的产甲烷菌可继续分为10个科与31个属，它们的系统分类及主要代谢生理特性见表1.
2.产甲烷菌的生态多样性
产甲烷球菌发现于1982年，生活在260m深、200atm、94℃的海底火山口附近，属于原核生物中的古菌域，具有其它细菌如好氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌所不同的代谢特征. 产甲烷菌的甲烷生物合成途径主要是以乙酸、H2/CO2、甲基化合物为原料[4]. 产甲烷菌在自然界中分布极为广泛，在与氧气隔绝的环境几乎都有甲烷细菌生长，如海底沉积物、河湖淤泥、水稻田以及动物的消化道等. 在不同的生态环境下，产甲烷菌的群落组成有较大的差异性，并且其代谢方式也随着不同的微环境而体现出多样性.
3．生长繁殖特别缓慢
甲烷细菌生长很缓慢，在人工培养条件下需经过十几天甚至几十天才能长出菌落。据麦卡蒂（McCarty）介绍，有的甲烷细菌需要培养七八十天才能长出菌落，在自然条件下甚至更长。菌落也相当小，特别是甲烷八叠球菌菌落更小，如果不仔细观察很容易遗漏。菌落一般圆形、透明、边缘整齐，在荧光显微镜下发出强的荧光。甲烷细菌生长缓慢的原因，是它可利用的底物很少，只能利用很简单的物质，如CO2、H2、甲酸、乙酸和甲基胺等。这些简单物质必须由其它发酵性细菌，把复杂有机物分解后提供给甲烷细菌，所以甲烷细菌一定要等到其它细菌都大量生长后才能生长。同时甲烷细菌世代时间也长，有的细菌20分钟繁殖一代，甲烷细菌需几天乃至几十天才能繁殖一代。
4.产甲烷菌代谢途径
产甲烷菌生活在厌氧条件下，它们通过甲烷的生物合成形成维持细胞生存所需的能量。在产甲烷菌中存在原核细胞和真核细胞所共有的糖酵解途径，三羧酸循环、氨基酸和核苷酸代谢。但一些基本所需的酶在产甲烷菌中未被确定，如在 Methanopyrus kandlei AV19 的TCA循环中缺乏将两分子丙酮酸缩合成一份子六碳糖所需的酶。产甲烷菌是自养型的生物，它能利用环境中的化学能。因而产甲烷菌中发现了许多无机物进入细胞所需的通道蛋白，产甲烷菌是目前发现唯一能固氮的古细菌。
5.甲烷合成的途径
6.沼气池中产甲烷杆菌和不产甲烷菌的关系
6.1不产甲烷细菌为产甲烷菌提供生长基质和产甲烷所需的底物
不产甲烷菌把各种复杂的有机物如碳水化合物、蛋白质、脂类等进行厌氧降解，生成氢、二氧化碳、氨、乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、乙醇等产物，其中，丙酸、丁酸、乙醇等又被一类产氢产乙酸菌分解转化为氢、二氧化碳、乙酸等。这样，不产甲烷菌通过其生命活动为产甲烷菌提供了合成细胞物质和产甲烷菌所需的碳源、电子供体、氢供体和氮源。产甲烷菌由利用这些物质进行生命活动和产生甲烷。
6.2不产甲烷细菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境
在沼气发酵初期，由于加料使空气进入沼气发酵池，原料、水本身也携带有空气，这显然对产甲烷菌是有害的。它的去除，就必需依赖于不产甲烷菌类群中那些需氧或兼性厌氧微生物的代谢活动。各种厌氧微生物对氧化还原电位的适应性也不相同，通过它们有顺序性的交替生长和代谢活动，使发酵料液氧化还原电位不断下降，逐步为产甲烷菌创造了适宜的氧化还原电位条件。
6.3不产甲烷细菌为产甲烷菌清除有毒物质
在以工业废水或废弃物为发酵原料时，其中可能含有酚类、苯甲酸、氰化物、长链脂肪酸、重金属等对产甲烷菌有毒害作用的物质。不产甲烷菌中有许多种类能够降解苯环从中获得能量和碳源，有些则能以氰化物作为碳源，有较多的微生物能降解长链脂肪酸生成乙酸和较短脂肪酸。这些作用，不仅消除了对产甲烷菌的毒害，而且提供了产甲烷菌的基质。此外，不产甲烷菌的产物硫化氢，可以与重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物沉淀，从而解除了一些重金属离子的毒害作用
6.4产甲烷菌为不产甲烷细菌生化反应解除反馈抑制
不产甲烷菌的发酵产物可以抑制其本身的不断形成。如氢的积累可以抑制产氢产酸菌的继续产氢，酸的积累可以抑制产氢产酸菌的继续产酸。再如，将丙酸加入到丙酸杆菌(Propionilacterium shermanil)的连续培养中，会降低丙酸的产生和丙酸杆
菌的生长速度。虽然乙酸的产量对发酵影响不大，但加入高浓度的乙酸，则会使乙酸产生菌受到抑制。人们研究发现，在厌氧消化系统中，乙酸的浓度最大限制值为3000mg/L，一但超过这个值，就会使沼气发酵池酸化，厌氧消化就不能很好地进行下去。在正常的沼气发酵中，产甲烷菌连续不断地利用由不产甲烷菌代谢产生的氢、乙酸和二氧化碳等基质，使得沼气发酵过程不致于有过多的氢和酸积累，从而也就不会由于氢和酸的积累而产生反馈抑制。
6.5共同维持沼气发酵环境中的适宜pH值
在沼气发酵的初期，不产甲烷菌首先降解原料的碳水化合物、脂肪和蛋白质等，产生大量的有机酸，产生的二氧化碳也部分溶于水，使发酵料液的pH值明显下降。而此时，一方面不产甲烷菌类群中的氨化细菌迅速进行氨化，产生NH3中和部分酸，另一方面，产甲烷菌利用乙酸、氢和二氧化碳形成甲烷，消耗了酸和二氧化碳，从而维持沼气发酵适合的pH值范围。
6.6不产甲烷细菌构建了产甲烷菌的“古环境”
产甲烷菌具有简单性和古老性，而其细胞的胞壁、脂质和基因等，均表现出不完整性和原始性。产甲烷菌能生存繁殖，必定会有其特定的类似于原始“古环境”的环境。在厌氧消化系统中，一方面，不产甲烷菌在代谢过程中对气体物质作用，建造了“类古气体环境”；另一方面，这些不产甲烷菌又提供了产甲烷菌正常代谢的物质基础。这或许正是几十亿年来产甲烷菌能保持古菌特征的基础。
7.产甲烷杆菌的应用前景
7.1废水处理
左剑恶、邢薇[5]嗜冷产甲烷菌对于自然界的碳素循环具有非常重要的意义，近年来引起了国内外学者的广泛关注& 利用嗜冷产甲烷菌实现低温厌氧生物处理过程，可从本质上突破低温厌氧工艺的技术瓶颈，进而大大拓展厌氧生物处理技术的应用范围并降低废水处理的成本。本文针对研究者广泛关注的热点问题，从分离培养及生理生化特性、适冷机制和分子生物学研究几个方面，对嗜冷产甲烷菌的研究进展进行了全面的综述，并对其在低温厌氧生物处理技术中的应用前景进行了分析和展望。
厌氧生物处理技术具有较低的建设和运行成本，同时，在处理过程中可回收清洁能源———沼气，是一种可持续的生物处理技术，现有的厌氧生物处理工艺大多要求在中温或高温的范围内进行，通常要对废水与废物进行加热，这种作法消耗能源，削弱了厌氧生物处理的优越性，因此，开展低温下高效厌氧生物处理技术的研究，对于拓展厌氧生物处理技术的应用范围，降低废水、废物的处理成本具有十分重要的意义。
7.2酿酒工业上的应用
王俪鲆，张良等[6]泸州老窖古酿酒窖池群是全国重点文物保护单位，自公元1573年开始酿造浓香型曲酒一直延续至今. 浓香型曲酒的主体香成分——己酸乙酯由窖内多种微生物作用生成，其前体物则来源于窖泥中的己酸发酵.北原觉雄研究巴氏梭菌除转变乙醇为己酸和少量丁酸外，还生成CH4和H2，以后发现该菌并非纯种，但因此认识到己酸发酵和甲烷发酵存在一定关系[7]. 泸州老窖古酿酒窖池中，多种厌氧细菌类群参与曲酒发酵生香，其中己酸菌具有特别重要的生产性能. 上世纪80
年代首次从泸州老窖泥中分离出氢营养型的布氏甲烷杆菌CS菌株，揭示了酿酒窖池是产甲烷古菌存在的又一生态系统[8]. 随后发现该菌和从老窖泥中分离的己酸菌——泸酒梭菌菌株存在“种间氢转移”互营共生关系，混合培养时可较大程度提高己酸产量. 以后将CS菌株应用于酿酒工业，与己酸菌共同促进新窖老熟，有效提高酒质[9]. 因此，窖泥中栖息的产甲烷古菌既是生香功能菌，又是标志老窖生产性能的指示菌.
在对泸州古酿酒窖池微生物研究中，观察到窖泥中的产甲烷古菌在形态特征、营养类群和生理特性上表现出多样性，并分离到部份菌株.
7.3产甲烷菌在煤层气开发中的应用
傅霖、辛明秀[10]生物成因煤层气是在较低的温度条件下，有机质通过各种不同类群细菌的参与或作用，在煤层中生成的以甲烷为主的气体. 产甲烷菌对煤层气的形成起着重要的作用，目前已发现产甲烷菌有低温型、中温型和嗜热型. 生物成因煤层的形成方式主要有两种：一种是由CO2还原而成；另一种由甲基类发酵而成，这两种作用一般都是在近地表环境的浅层煤层中进行的. 地表深处煤层中生成大量生物成因气的有利条件是：大量有机质的快速沉积、充裕的孔隙空间、低温，以及高pH值的缺氧环境.
8. 结语
产甲烷菌在自然界中的种类和生态类群是相当丰富的，随着厌氧培养技术和分子生物学技术的不断发展，人们对产甲烷菌这一独特类群的研究将更加细致和全面. 产甲烷菌由于具有独特的代谢机制，所以必将在环境和能源工业领域发挥重要的作用. 今后对产甲烷菌的研究可以主要集中在以下3个方面：首先可以通过改进极端环境微生物分类鉴定技术，发现更多产甲烷菌的类群；其次，对产甲烷菌特征基因及其与代谢的关系进行更加细致的研究；最后，对产甲烷菌群与其它微生物的协同消化有机物的代谢进行研究，为环境的生物治理和生物能源的开发提供理论依据.
参考文献
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[2] Balch WE, Fox GE，Magrum LJ, Woese CR, Wolfe RS. Methanogens:
Reevaluation of a unique biological group. Microbiol Mol Biol
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[3] Liu YC, William BW. Metabolic, phylogenetic, and ecological diversity of
the methanogenic Archaea. Ann NY Acad Sci, 2008,1125: 171~189
[4] Shan LW (单丽伟), Feng GY (冯贵颖), Fan SH (范三红). Progress ingenome and
methanogensis of methanogens. J Microbiol (微生物学杂志), 2003, 23 (6):
42~46
[5] 左剑恶刑薇；嗜冷产甲烷菌及其在废水厌氧处理中的应用[J]，《应用生态学报》 2007年第
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[6] 王俪鲆，张良等；泸州古酿酒窖池中两株产甲烷杆菌比较研究[J]，应用与环境生物学报，
2010年第6期：840~845
[7]北原觉雄. 细菌利用工业. 平安译. 北京: 中国轻工出版社, 1956. 147~156
[8]Liu GY (刘光烨), Zhao YZ (赵一章), Wu YY (吴衍庸). Isolation and
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Microbiology (微生物学通报), 1987, 14 (3): 156~159
[9]Wu YY (吴衍庸), Lu SH (卢世珩), Liu GY (刘光烨). A study of enhancing the
quality of Luzhou type Qujiu by using simulataneousfermentation of caproic acid bacteria and Methane bacteria. Food & Ferment Ind (食品与发酵工业), 1990, 6: 2~6
[10]傅霖辛明秀，产甲烷菌的生态多样性及工业应用，《应用与环境生物学报》，2009年第4 期
青海师范大学生命与地理学学院