方晓瑜1,2,3 李家宝1,4,5 芮俊鹏1,4,5李香真1,4,5**
1中国科学院环境与应用微生物重点实验室, 成都生物所, 成都 610041
2中国科学院成都生物研究所环境微生物四川省重点实验室, 成都 610041
3中国科学院大学, 北京 100049
4中国科学院山地生态恢复与生物资源利用重点实验室, 成都生物所, 成都 610041
5生态系统恢复与生物多样性保育四川省重点实验室, 成都生物所, 成都 610041
摘 要 微生物产甲烷过程产生的甲烷约占全球甲烷产量的74%。产甲烷过程对生物燃气生产和全球气候变暖等都有重要的意义。本文综述了产甲烷菌的具体生化代谢途径，其本质是产甲烷菌利用细胞内一系列特殊的酶和辅酶将CO2或甲基化合物中的甲基通过一系列的生物化学反应还原成甲烷。在这一过程中，产甲烷菌细胞能够形成钠离子或质子跨膜梯度，驱动细 胞膜上的ATP合成酶将ADP转化成ATP以获得能量。根据底物类型的不同，可以将该过程分为三类：还原CO2途径、乙酸途径和甲基营养途径。还原CO2途径是以H2或甲酸作为主要的电子供体还原CO2产生甲烷，其中涉及到一个最新的发现—电子歧化途径；乙酸途径是乙酸被裂解产生甲基基团和羧基基团，随后，羧基基团被氧化产生电子供体H2用于还原甲基基团；甲基营养途径是以简单甲基化合物作为底物，以外界提供的H2或氧化甲基化合物自身产生的还原当量作为电子供体还原甲基化合物中的甲基基团。通过这三种途径产甲烷的过程中，每消耗1mol底物所产生ATP的顺序为还原CO2途径>甲基营养途径>乙酸途径。由于产甲烷菌自身难以分离培养，未来将主要通过现代的生物技术和计算机技术，包括基因工程和代谢模型构建等最新技术来研究产甲烷菌的生化代谢过程以及其与其他菌之间的相互作用机制，以便将其应用于生产实践。
关键词：产甲烷菌；生化代谢；还原CO2途径；乙酸途径；甲基营养途径
CLC Q939.99
Biochemical pathways of methanogenesis*
FANG Xiaoyu1,2,3, LI Jiabao1,4,5 RUI Junpeng1,4,5 & LI Xiangzhen1,4,5**,
1Key Laboratory of Environmental and Applied Microbiology, Chengdu Institute of Biology, Chinese 煅后焦Academy of Sciences, Chengdu, 610041, PR China
2Environmental Microbiology Key Laboratory of Sichuan Province紫铜电极, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, 610041, PR China
3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, PR China
4Key Laboratory of Mountain Ecological Restoration and Bioresource Utilization, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, PR China
5 Ecological Restoration Biodiversity Conservation Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, PR China
Abstract
Microbial methanogenesis accounts for approximately 74% of natural methane emission. The processes play major roles in global warming and are important for bioenergy production. This paper reviews the biochemical pathways of methanogenesis. It is currently accepted that methanogenesis proceeds via three biochemical pathways depending on the carbon sources, including hydrogenotrophic, aceticlastic, and methylotrophic methanogenesis. Multiple enzymes and coenzymes are involved in the processes, during which Na+ or proton gradient is created across the cell membrane, contributing to limited ATP synthesis. In the hydrogenotrophic pathway, CO2 is reduced to methane with H2 or formate as an electron donor. In the aceticlastic pathway, acetate is split into methyl and carboxyl group, then the carboxyl group is oxidized to produce H2 which is used as the electron donor to reduce methyl group. In the methylotrophic pathway, methyl group is reduced with external H2 or reducing equivalent from the oxidation of its own methyl group. The ATP gains per mole substrate for different pathways are as follows: hydrogenotrophic > methylotrophic > aceticlastic pathway. Due to the unculturability of most archaeal methanogens, new technologies, such as bioinform
atics, gene engineering and modelling, could be applied to investigate the biochemical pathways of methanogenesis, and the relationship between methanogens and other microbial communities.
Keywords锅炉出渣机 methanogen; methanogenesis; biochemical pathways; CO2-reducing; methylotrophic; aceticlastic methanogenesis
CLC Q939.99
产甲烷菌在地球碳循环中扮演着重要角，是有机物厌氧降解的末端功能类，能够将有机碳转化为
甲烷。它们广泛分布于地球的无氧环境中，从土壤到湖泊沉积物，从陆地到海洋，从零下的低温环境到100 ℃以上的高温环境，都有产甲烷菌的存在。进化研究表明产甲烷菌是地球上最为古老的菌十二水磷酸氢二钠，目前有两个不同的假说均认为产甲烷菌是真核生物的祖先[1, 2]。相比于细菌和真核生物，它以甲烷作为其厌氧呼吸终产物，具有独特的生化代谢特性。另一方面，甲烷作为一种清洁能源，正越来越受到关注[3]。同时，甲烷的高红外吸收以及对臭
氧层的影响使之成为第二大温室效应气体，其产生的温室效应是CO2的20-30倍[4, 5]。目前全球的甲烷排放量约为5×109-6×109kg/年[6木薯去皮机]，其中大约74%的甲烷排放来自生物产甲烷[7]，大气中的甲烷含量正以每年2%的速度递增[8]。因此研究产甲烷菌的生化代谢途径不仅能够增加我们对古菌特殊代谢途径的了解，而且能够为解决全球能源紧缺以及气候变暖等问题提供理论依据。产甲烷菌能够利用的底物非常有限，仅能够利用CO2、乙酸和简单甲基化合物这三类物质作为碳源产甲烷。本文综述了产甲烷菌利用这三类底物产甲烷的具体代谢过程，对其中涉及到的能量转化过程、电子传递途径以及参与的关键酶和辅酶进行了详细阐述，介绍了最新发现的电子歧化途径，即包含FDA蛋白的复合体介导电子在脱氢酶和氧化还原酶之间转移，从而完成能量储存的过程；同时还总结了目前通过一些新技术和新方法对产甲烷菌生化代谢过程研究的进展情况。
1 产甲烷菌的特点
产甲烷菌是严格厌氧的原核生物，是已知的唯一一种能够代谢产甲烷的生物。系统发育学上属于古菌域，广古门菌门（Euryarchaeota）[9]。已知的产甲烷菌分为7个目：甲烷杆菌目（Methanobacteriales），甲烷球菌目（Methanococcales），甲烷微菌目（Methanomi
crobiales），甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales），甲烷火球菌目（Methanopyrales）, Methanocellales 和Methanoplasmatales（图1）。前五个目中已经分离到很多纯菌种，研究较多[8]。Sakai等[10]于2008年从稻田里分离得到了一种仅利用H2或甲酸还原CO297xoo生长产甲烷的菌株，提出了Methanocellales目；Paul等[11]于2012年在白蚁肠道中分离得到的一种与热原体目类似的菌，它仅能够利用甲醇作为底物生长产甲烷，他们提出了Methanoplasmatales目。
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