年会专家观点 | 刘刈：产甲烷菌的传统认识与新突破

作者：中国沼气学会 发布时间：12/04/2023 来源：

【编者按】2023年10月23-25日，由中国沼气学会、江南大学、长江生态环保集团有限公司共同主办的2023中国沼气学会学术年会在江苏连云港圆满举行。本届年会以“科技创新、工程实践、循环发展”为主题，行业权威专家、优秀企业代表、业界同仁共聚一堂，聚焦政策解读、前沿技术、工程运营实践、沼气能源开发利用、先进装备制造等热点话题，开展了深入的交流与探讨。会议期间同期举行主旨论坛、青年、环太湖有机废弃物处理利用示范区建设、厌氧发酵与后处理技术、双碳战略下的沼气发展与沼渣沼液高效利用、先进工程示范与技术装备论坛及“中持杯”2023“沼气+”创新挑战赛年度总决赛等系列活动。农业农村部成都沼气科学研究所科研处处长刘刈应邀出席，并发表以“产甲烷古菌研究进展”为题的主旨报告。

刘刈处长通过本次报告，向与会者介绍了成都沼气科学研究所在产甲烷古菌领域所做的研究、产出，以及对产甲烷古菌的传统认识的部分突破。

农业农村部成都沼气科学研究所是国内最早一批从事厌氧微生物研究的机构之一，开展厌氧微生物产甲烷古菌的研究已有四十多年历程。在平台建设、基础研究和技术创新方面都取得了一些发展。首先在平台建设方面，成都沼气科学研究所在1980年建立了厌氧微生物实验室，1990年获批农业部厌氧微生物重点实验室，2000年参与国家微生物资源平台建设，2018年建立了国内最大的厌氧微生物保藏中心，2022年入选了国家农业微生物种质资源库。在基础研究方面，成都沼气科学研究所最早开展了户用沼气产甲烷古菌研究和地质生物气研究，并发现产甲烷古菌新科Methermicoccaceae。最初，研究厌氧微生物的目的是处理农业废弃物，如今，在成都沼气科学研究所研究的厌氧微生物不仅在环境治理即产沼气方面，还进入到石油化工、生物医药等领域的研究和产品的研发。在技术创新方面，成都沼气科学研究所依托厌氧微生物技术，开发了沼气发酵的菌剂和生物强化技术，并探索了“地下沼气工程”技术。

01 我国的厌氧微生物模式菌株保藏量居世界第四位

研究厌氧微生物的目标是以厌氧微生物和基因资源为基础，功能挖掘利用为突破，通过阐明复杂微生物代谢机理，形成一系列包括沼气发酵、厌氧生物修复、厌氧及联合生物转化系列生物技术。其中，厌氧微生物资源库是成都沼气科学研究所的一大优势，依托资源库和在产甲烷代谢和碳固定的基础研究来开展环境生态、石油化工、生物医药等领域的新型厌氧生物技术。

在平台支撑方面，主要包括中国厌氧微生物菌种保藏管理中心、国家农业微生物双流观测试验站等，原厌氧微生物重点实验室发展成为现在的农业农村部农村可再生能源开发利用重点实验室，也是一个综合性的实验室。中国厌氧微生物菌株保藏管理中心是国内物种最丰富的厌氧微生物菌种保藏中心，厌氧微生物模式菌株保藏量在世界上仅排在德国、日本、韩国之后。

国际厌氧微生物模式物种保藏数量（种）

（数据来自各菌种库和国家微生物资源库网站，截止时间2023-06）

02 建立了厌氧微生物高通量分离技术平台

厌氧微生物需在厌氧的环境进行分离、操作、挑菌，是一项困难的工作。因此，我们所与国内设备研发机构联合开发了新型厌氧微生物分离装置，形成了具有专利技术支撑的厌氧、无菌的高通量厌氧微生物分选平台。该平台最大的好处是在厌氧环境下实现更快速的菌种分离和挑菌，大大节约了人工操作。5年来，以该平台为基础共报道了14个厌氧微生物新科。

2007年，最早分离了产甲烷古菌的一个新科——胜利甲烷微球菌，这项工作与胜利油田合作，通过厌氧微生物的手段将原油降解产沼气变成天然气以便于开采。该菌株是生长温度最高的甲基营养型产甲烷古菌。此外，还获得了产甲烷古菌新种，分别为在中温和高温条件下的烃类化合物降解产甲烷的关键功能古菌。

过去，人们对于产甲烷菌的传统认识主要包括以下几个方面：厌氧微生物都是仅限于广古菌门；对氧气敏感，是严格的厌氧微生物；仅使用简单的C1和C2底物（如H2/CO2、乙酸盐和甲醇）；厌氧微生物产甲烷古菌仅能从产甲烷代谢中获得能量。而现在，通过一系列研究工作，已逐一突破传统的认知，比如产甲烷古菌还分布在深古菌门、初古菌门、佛斯特拉古菌门等。其中，佛斯特拉门在原油中广泛存在，特别是地下原油储存温度在55~65℃的时候，丰度可达到60%以上。

03 产甲烷古菌并不仅限于广古菌门

我们所通过宏基因组测序，从油藏环境中获得了23个佛斯特拉古菌门组装基因组（MAGs），在系统发育树上，23个MAGs可聚类成5簇，包括1个新属和4个新种。并通过分离纯化，最终获得佛斯特拉古菌的二元培养物，并证明该古菌可以产甲烷，这是第一次应用生理数据证明非广古菌门存在产甲烷古菌（文章投递中）。

04 “吃煤的”产甲烷菌——利用煤产甲烷的单一产甲烷菌

胜利甲烷球菌这个属是2007年在胜利油田的石油中发现的产甲烷微生物，它可利用甲醇产甲烷。2016年，日本科学家率先发现该菌能够利用各种煤类型中发现的数十种甲氧基化芳香族化合物中产生甲烷，提出了嗜甲氧基产甲烷代谢——第四条产甲烷代谢途径，并非我们原来认识的只有氢和二氧化碳、乙酸这类简单的C1、C2的底物来降解产生甲烷。Methanomicoccus是一种可以“吃煤”的产甲烷古菌，由于源自木质素的甲氧基化芳香化合物可能广泛存在于地下沉积物中，在天然气、石油的形成过程中发挥了重要作用，同时在全球碳循环中也发挥着重要作用。

除了煤藏，油藏中也富含碳氢化合物，这是一个半开放生态系统，其结构和营养组成更加复杂。油藏厌氧微生物的研究已有100多年的历史，但初期研究并没集中在产甲烷代谢中，很多研究都集中在硫酸盐还原菌这一块，最早发现在油藏中存在硫酸盐还原菌介导的硫酸盐代谢。目前，研究方向也逐渐转移到油藏中产甲烷的过程。1999年，全球许多机构都开展了十六烷烃降解产甲烷的研究，到2004年，证明地下油藏存在厌氧烃降解过程，2008年，证明了油藏存在原油降解产甲烷过程。

05 十六烷可以被直接降解产生甲烷

单个细胞到底能不能降解复杂的有机物？从热力学角度来讲，整个烷烃降解厌氧微生物产甲烷的过程是放热反应过程，理论上可自发进行。基于该微生物，通过长期的富集培养，获得一个生长较快、可降解十六烷烃产甲烷的富集物，周期只需要200多天。在这个富集物中，发现了一种古菌（Candidatus Methanoliparia）具有非常高的丰度，通过以往的研究，可预测这种古菌具有氢营养型产甲烷途径和烷烃降解途径，由此推测长链烷烃的降解可能与这种古菌Methanoliparum有关。实验证明，该古菌不具亲氧性，而是直接利用长链的有机物来降解，降解长链有机物产甲烷的微生物。通过13C标记证实了十六烷可被直接降解产生甲烷，而且在培养过程中Ca.Methanoliparum 始终是富集物中主要的古菌类群。

Ca. Methanoliparum的MAGs可分为4个族系，其中3个族系具有完整的烷烃降解和产甲烷途径的编码基因，可能具有降解烷烃降解产甲烷的功能。此项工作成果已发表在2021年底的Nature上，Nature同期是这样评述这项证明的“一种过去被忽视的甲烷产生方式，有必要去评估它对全球甲烷排放的贡献”。《Annual Review of Microbioligy》同期2篇综述分别表述为：“该发现改变了有机物降解产甲烷需要细菌和古菌协作的认知”，“发现了新型烷基辅酶M还原酶催化长链烷烃降级，显著拓展了古菌的烃代谢功能”。

目前，全球可培养的产甲烷菌一共有6纲、8目、15科、35属、167种，成都沼气科学研究所的资源库已收集61种，占全球39%的产甲烷古菌模式菌株，下一步还会把这个库丰富起来，这也正是开展厌氧微生物机理研究和技术开发的基础。未来，成都沼气科学研究所还将以该库为依托，集齐国内外多位知名专家，建设一个关于厌氧微生物的国家重大工程装置，这是所里目前实施过程中最大的一个项目，已纳入部委条件能力平台的建设规划。

以上为我的报告，不当之处还请专家们指正！

大会现场精彩图片

（本文根据2023中国沼气学会学术年会现场发言整理而成。）

更多专家观点，敬请关注2023中国沼气学会学术年会系列报道。