Nature旗下微生物生态学领域权威期刊The ISME Journal于2020年1月27日在线发表了题为Anaerobicmethane oxidation coupled to manganese reduction by members of the Methanoperedenaceae的研究论文。该论文报导了由澳大利亚昆士兰大学水管理高等研究中心 (Advanced Water Management Centre, AWMC) Zhiguo Yuan / Shihu Hu团队与澳大利亚生态基因组学研究中心(Australian Centre for Ecogenomics, ACE) Gene Tyson团队合作完成的关于微生物甲烷厌氧氧化 (anaerobic oxidation of methane) 的最新研究进展——锰型甲烷厌氧氧化。

团队简介

昆士兰大学Zhiguo Yuan团队长期致力于微生物甲烷厌氧氧化过程的基础研究和技术开发工作。本团队于2013年在Nature杂志率先报道了一种硝酸盐型甲烷厌氧氧化古菌(“Candidatus Methanoperedens nitroreducens”)，开拓了淡水生态系统甲烷厌氧氧化古菌的研究方向1。随后，又于2018年在The ISME Journal杂志报道了一种铁型甲烷厌氧氧化古菌（“Candidatus Methanoperedens ferrireducens”), 取得了该研究方向上新的突破2。另一方面，通过对硝酸盐型甲烷厌氧氧化古菌代谢机理的深入探索研究，成功开发出了一种基于甲烷的中空纤维膜生物反应器 (methane-based membrane biofilm reactor), 实现了利用硝酸盐型甲烷厌氧氧化过程进行完全生物脱氮的废水处理工程应用，并在环境工程领域权威期刊Water Research和Environmental Science & Technology上发表论文十数篇，详细报道了相关成果。

研究背景

甲烷是一种强效的温室气体（温室效应约为CO2的28倍）。微生物驱动的甲烷厌氧氧化是一种关键的生物地球化学过程，能有效减少地表的甲烷释放。在全球气候变化形势日趋严峻的背景下，相关研究已经得到了广泛的关注。甲烷厌氧氧化过程主要由甲烷厌氧氧化古菌(anaerobicmethanotrophic archaea, ANME) 执行。前期研究已经发现甲烷厌氧氧化可以耦合多种电子受体还原，包括硝酸盐和硫酸盐。理论上，甲烷厌氧氧化也可以耦合金属氧化物（铁锰）还原，并且这种现象广泛发生于自然生境中。本研究团队前期已实现了铁型甲烷厌氧氧化的研究突破，然而目前对于主导锰型甲烷厌氧氧化的微生物及其发生机理尚不明确。

研究结果

本研究利用一种前期已获得的铁型甲烷厌氧氧化富集培养物作为接种物，并提供锰氧化物 (birnessite) 作为电子受体进行富集。通过长达480天的培养，获得了一种锰驱动的甲烷厌氧氧化富集培养物。生物反应器的长期监测数据显示，在长达16个月的实验阶段甲烷持续在消耗并伴随有溶解态二价锰的增长（图1a），表明甲烷厌氧氧化与高价锰还原（产物为二价锰）同时发生。化学计量学分析显示甲烷厌氧氧化与锰还原耦合，进一步表明该反应体系中甲烷厌氧氧化过程由锰驱动。

图1 a. 生物反应器长期运行过程中甲烷、溶解态二价铁和二价锰的变化。

1b.基于宏基因组分析的生物反应器中微生物组成随时间的变化。

通过应用宏基因组与宏转录组手段，研究人员对生物反应器长期运行过程中的微生物群落动态变化和功能微生物的系统发育关系及其甲烷氧化与电子传递途径等进行了深入分析。宏基因组分析表明，主导铁型甲烷厌氧氧化的ANME (“Candidatus Methanoperedensferrireducens”) 在整个微生物群落中占比逐渐减少，取而代之的是两种新的ANME（图1b）。系统发育及氨基酸序列分析表明这两种古菌与“Ca. M. ferrireducens”及本研究团队早期发现的主导硝酸盐型甲烷厌氧氧化的ANME (“CandidatusMethanoperedens nitroreducens”) 均有明显区别，是归属于“Ca. Methanoperedens”属的两个新种。这两种ANME被分别命名为“Ca. M. manganicus” 和“Ca. M. manganireducens”.

宏基因组和宏转录组分析显示（图2），“Ca. M. manganicus” 和“Ca.M. manganireducens”都具有完整的甲烷厌氧氧化途径(reversemethanogenesis), 并且相关基因的表达量都很高。同时它们都编码了大量的多血红素细胞色素c (multihemec-type cytochrome, MHC)，这被认为是ANME能够进行胞外电子传递的重要证据。另一方面，这两种ANME分别利用了特定的MHC组合进行电子传递，并且与铁型ANME “Ca. M. ferrireducens”所利用的MHC组合存在很大差别。这些证据表明，不同ANME在还原不同金属氧化物电子受体时所采用的胞外电子传递策略具有特异性。此外，本研究还发现ANME采用了一种全新的胞外电子传递途径，即利用一种类似于鞭毛蛋白的导电结构进行电子传输，或可实现更长距离的胞外电子传递。

图2 基于宏基因组和宏转录组分析的“Ca. M. manganicus” 和“Ca.M. manganireducens”的关键代谢途径。此图主要展示了甲烷厌氧氧化及胞内与胞外电子传递过程。

研究展望

结合之前的铁型甲烷厌氧氧化工作，关于金属氧化物耦合的甲烷厌氧氧化研究发现了ANME含有大量不同种类的MHC，为进一步深入研究ANME的胞外电子传递机理提供了丰富的信息。其次，新发现的两种主导锰型甲烷厌氧氧化的ANME丰富了整个ANME类群，有助于未来完善ANME在自然界中的分布、多样性以及它们在甲烷与金属相关的生物地球化学循环中的作用的研究。此外，对于ANME代谢机理特别是胞外电子传递机理的研究将有助于实现甲烷到高附加值化学品的转化，或能够为甲烷资源的利用提供新的思路。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41396-020-0590-x

参考文献

1. Haroon, M.F., Hu, S., Shi, Y., Imelfort, M., Keller, J.,Hugenholtz, P., Yuan, Z. and Tyson, G.W. (2013) Anaerobic oxidation of methanecoupled to nitrate reduction in a novel archaeal lineage. Nature 500(7464),567-570.

2. Cai, C., Leu, A.O., Xie, G.-J., Guo, J., Feng, Y., Zhao,J.-X., Tyson, G.W., Yuan, Z. and Hu, S. (2018) A methanotrophic archaeoncouples anaerobic oxidation of methane to Fe(III) reduction. The ISME journal 12(8), 1929-1939.

作者：蔡琛 (论文共同第一作者, 昆士兰大学水管理高等研究中心博士后研究员)

校对：段浩然