最新研究 | 沼气科学研究所&深圳大学合发Nature!一种新型石油烃降解并产生甲烷的古菌

编译：微科盟索亚，编辑：微科盟索亚、江舜尧。

导读  

2021年12月22日，农业农村部沼气科学研究所承磊研究员团队、深圳大学高等研究院李猛教授团队与德国马克斯普朗克海洋微生物研究所Gunter Wegener教授团队合作，在Nature发表题为《Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species》的文章。在地下的油田以及海洋石油渗漏沉积物中，微生物可以利用碳氢化合物作为能量和碳的来源。大量的研究表明，石油的代谢是在细菌与古菌的营养相互作用中完成的。这一过程首先细菌将石油发酵成醋酸盐、二氧化碳和氢，同时，氢营养型或乙酰营养型产甲烷古菌则利用细菌产物产甲烷。这存在着具有耗时久、体系不稳定等问题。在本研究中，作者结合稳定碳同位素标记培养、宏基因组和宏转录组测序、高分辨质谱分析，探究了一类新型产甲烷古菌（Candidatus   Methanoliparum）的代谢途径并证实了其独立降解长链烷基烃产甲烷的功能。

论文ID

原名：Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species

译名：一种非互营代谢降解石油烃产甲烷的古菌

期刊：Nature

IF：49.962

发表时间：2021.12.22

通讯作者：承磊、李猛、Gunter Wegener

通讯作者单位：农业农村部沼气科学研究所、深圳大学高等研究院、德国马克斯普朗克海洋微生物研究所

DOI号：10.1038/s41586-021-04235-2

内容简介

降解石油烃产甲烷的过程可以由石油烃降解细菌和产甲烷古菌通共同完成。然而，最近菌株独立培养研究发现一种古菌 ‘Candidatus Methanoliparum’ 可以同时降解长链烷烃和生成甲烷。在本研究中，我们从地下油田中培养出了Ca. Methanoliparum。分子（DNA）分析表明，Ca. Methanoliparum含有并过表达了编码烷基辅酶M还原酶和甲基辅酶M还原酶的基因，它们属于古菌多碳烷烃和甲烷代谢的标志基因。不同底物的孵育试验和辅酶M结合中间体的质谱检测证实了Ca. Methanoliparum不仅能在长链烷烃中生长，还能在具有长链（C≥13）烷基的烷基环己烷和烷基苯中生长。同时，短链烷烃（如乙烷至辛烷）或短烷基链芳烃（C≤12）不会被消耗。Ca. Methanoliparum在石油资源丰富的环境中分布广泛，这表明了这种烷基营养的产甲烷菌在碳氢化合物转化为甲烷的过程中起着关键作用。

实验设计

结果

图1. a，在55  °C（橙色）条件下用无硫酸盐缺氧矿物培养基培养的含油污泥中CH4的积累与对照（灰色）比较；b，55  °C（橙色）条件下培养301天的含油污泥中，烷烃、烷基环己烷和烷基苯按碳数分类的相对丰度与灭菌对照(灰色)相比较；c-e，石油降解菌表面荧光显微镜的筛选，Ca. Methanoliparum使用绿色的DC06-660Mlp探针进行定位，细菌细胞使用红色探针EUB388 I-III进行定位；比例尺为10µm。

图2. a，b，CH4（a）和CO2（b）在用无标记的十六烷（Hex.；黑色）和1,2-13C标记的十六烷（橙色），对照(灰色)中培养的积累。C，在1,2-13C十六烷中产生的CH4（三角形）和CO2（圆形）中13C（原子%）的比例；d，用标记的十六烷（黑色）培养基中产生的13CH4（三角形）和13CO2（圆形）的总量，以及这些数值与标记的十六烷（0.34mmol）产生的13CH4（0.52 mmol）和13CO2（0.16 mmol）的理论量的相对百分比（橙色）；e，基于16S rRNA基因扩增子测序的古菌群落组成，Mba，Methanobacteria；Mlp，Ca. Methanoliparum；Mme，‘Candidatus Methanomethylicus’；f，基于479个重复MAGs宏基因组读取分类群的相对丰度，在e和f中列出了相对丰度≥ 1%的类群名称，“Other”表示相对丰度小于1%的所有类群的总和。

图3. a，Ca. Methanoliparum在烷烃降解过程中的代谢步骤及相应基因表达模式。这些步骤的颜色编码如下：橙色（底物活化），蓝色（β  氧化），红色（Wood-Ljungdahl和甲烷生成途径）；十六醇氧化成十六酸盐的未确定步骤用灰色表示；聚类显示了不同的‘Ca. Methanoliparia’的基因表达；Fdred，还原铁氧还蛋白，Fdox，氧化铁氧还蛋白；b，在无修改十六烷培养环境中，基于FPKM值，对整个微生物群落中所有转录基因的ACR/MCR转录（填充符号）进行排序；c，Ca.  Methanoliparums的MAGs在所有479个非复制MAGs中的转录本丰度排序。

图4. a，ACR-催化十六烷基-COM硫醚（C16H33-SC2H4SO3−）的生成及其预期的质量碎片示意图。虚线箭头和数字表示化学键分裂的位置。13C标记的十六烷基COM一个片段的预期质量变化（红色）；b，无标记十六烷培养提取物的质谱分析结果，m/z =365.21868（蓝色），符合十六烷标准m/z =365.21874，（深蓝色）；c，分离的m/z范围为365.0-365.4，裂解产物为亚硫酸氢盐（HSO3-，m/z = 80.96510），乙烯磺酸盐（C2H3SO3-，m/z = 106.98074）和十六烷基硫醇（C16H33S-，m/z = 257.23080）；d，对含有1,2-13C标记十六烷的培养物进行质谱分析，在m/z =367.22524处有一个峰；e，在367.0 ~ 367.4的m/z范围得到13C标记的十六烷基硫醇（C16H33S-，m/z = 259.23721）、未标记的乙烯磺酸盐（C2H3SO3-，m/z = 106.98074）和亚硫酸氢盐（HSO3-，m/z = 80.96510）。所有质量峰的质量误差均小于5ppm。