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乙烷消失的“幕后推手”是谁

发布日期:2020-08-06 01:25浏览次数:
乙烷厌氧水解古菌在显微镜下的图像“我们想寻找‘幕后推动者’。”朱永官说道。了解了背后机制,可通过调控微生物降解过程及其功能,增加大气中小分子烷烃的废气、研发油气藏微生物勘探技术,以及水解海洋与土壤里面烃类物质的污染等,这对最后构建环境修缮具备重大意义。在自然界,许多有机物的生物降解必须氧气来获取能量。

乙烷消失的“幕后推手”是谁

然而,自然界还普遍存在着无氧或氧气环境,微生物如何在这样的条件下活下去,并且有效地处置环境中的“疑难杂症”,其背后机制是科学家们仍然想解析的生命奥秘。无氧或氧气,科学上被称作厌氧。近日,中国科学院生态环境研究中心研究员朱永官团队参予的国际合作团队首次找到了具备厌氧水解乙烷功能的古菌,并阐述其新陈代谢途径,空缺了科学界长期以来在气态烷烃厌氧水解过程了解上的空白,将打开对土壤环境(如湿地和稻田等)中烷烃厌氧过程的新探索。涉及成果公开发表于《大自然》。找寻“幕后推动者”甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等气态烷烃是天然气的主要成分,也是海洋及陆地生态系统中有机碳库的最重要构成,其构成和水解对地球环境和气候变化具有很大影响。水解过程大多由微生物“细胞内”。比如,在海洋及陆地环境中,天然气从岩层深部向下蔓延至油气藏上部沉积物及土壤时,不会被其中微生物“吃”,微生物取得能量,再次发生水解反应。“在地球环境当中,有机物水解是最基本的微生物过程。目前,我们对厌氧环境中的水解过程了解还不确切。”朱永官告诉他《中国科学报》,厌氧水解过程在自然界是普遍不存在的,地球进化的早期就是厌氧环境,厌氧的微生物都十分古老,比如某些古代菌类群有可能经常出现在35亿年前。大量研究指出,甲烷厌氧水解是海洋底泥及土壤中普遍存在的微生物过程。此外,近期的研究指出丙烷和丁烷等小分子烷烃也能在无氧条件下被古菌或者细菌水解(即水解)利用。然而,作为天然气中第二非常丰富的烷烃,乙烷否需要厌氧水解尚能不具体。在过去的研究中,有数迹象指出乙烷有可能在厌氧条件下被微生物利用展开水解,但还没必要证据证实。“我们想寻找‘幕后推动者’。”朱永官说道。了解了背后机制,可通过调控微生物降解过程及其功能,增加大气中小分子烷烃的废气、研发油气藏微生物勘探技术,以及水解海洋与土壤里面烃类物质的污染等,这对最后构建环境修缮具备重大意义。寻找关键因子有机物水解事实上是一个电子传导过程。

乙烷消失的“幕后推手”是谁

朱永官说明,有机物是碳氢化合物,有氧环境中的水解过程是,有机物碳氢键被关上,获释电子,氧气作为终端电子受体将电子“拥入深爱”,两者融合分解二氧化碳。“如果没终端电子受体,微生物没能量,反应将无法展开,就像人没了氧气之后无法排便一样。”然而,厌氧条件下,电子的“挚爱”是谁呢?研究人员找到的海水中硫酸盐含量低(浓度为28 mmol/L;相比之下,氧的浓度仅有为0.3 mmol/L)。在氧气海洋环境中,硫酸盐需要扮演着氧气的角色,拒绝接受电子从而将碳氢化合物转化成硫化氢,为微生物群落获取能量。有数研究证明,水解甲烷、丁烷、丙烷的微生物将硫酸盐作为能量供应的“营养物质”,乙烷厌氧水解也有可能倚赖硫酸盐,但对催化剂这一过程的微生物及其反应机制并不确切。在这方面,德国合作者具有多年的累积,他们已特定富含10年并取得乙烷水解古生菌。基于这一古生菌富含体系,中国研究人员首先检验其否不具备乙烷水解能力——重新加入定量的乙烷,并在古生菌一年的生长周期内定期采样,约300天以后,找到乙烷完全全部“销声匿迹”。“实验所用的共培养体系需要在硫酸盐还原成条件下将乙烷几乎水解为二氧化碳。”论文第一作者、中国科学院生态环境研究中心博士生陈松灿说道。事实上,更加有挑战性的是对新陈代谢过程机制的说明了。在厌氧环境下,生物所有活动都显得很较慢。就像人到了海拔5000米的青藏高原上,由于氧气,生命活动必需慢下来。“某些好氧微生物30分钟就能交配一代,但许多厌氧菌要几个月才交配一代。”陈松灿说道。

乙烷消失的“幕后推手”是谁

为了摸清古菌不具备乙烷水解能力的背后机制,研究人员利用宏基因组、宏蛋白组以及宏新陈代谢组技术首先对古生菌展开了全基因组测序分析,找到该基因组包括功能性甲基辅酶M还原酶所必须的全部基因,且对应的基因表达产物在宏蛋白组中被检测到。接着利用傅里叶镖共振质谱以及液相色谱—质谱技术,证实了中间新陈代谢产物乙基辅酶M的不存在,结果表明通过制备乙基辅酶M可催化剂乙烷的活化。陈松灿回应,找到甲基辅酶M还原酶,为我们探寻乙烷厌氧水解机制获取了方向,这是整个实验的关键转折点。“该古菌及其功能基因在深海天然气渗水环境中普遍产于,似乎其所细胞内的乙烷水解有可能是海洋环境中气态烷烃生物降解的重要途径。”朱永官说道。解析“抱团工作”机制研究未早已负于。乙烷水解的每一步都必须酶作为蛋白质展开催化剂,最后分解二氧化碳,如果把这个反应“逆”过来呢?陈松灿根据甲烷的可逆反应猜测,改建古菌的酶构建“逆反应”,这将是一个产生最重要能源物质乙烷的过程,应用于意义更大。此外,陈松灿在研究中还找到两个古菌之间在互相传送电子时,并不是按照传统“套路”,比如利用纳米导线导电、“摆渡车”中间体载运电子等,“这解释该体系中近于有可能蕴含着全新的电子传导机制。”陈松灿说道,若能解析这一机制,之后可通过调控手段加快电子传导过程,加快乙烷水解过程,“如果乙烷是污染物,生物修缮速度也随之减缓”。多年来,朱永官团队仍然以水稻土和沉积物为研究对象,积极开展有机碳和氨的厌氧水解的涉及研究,在厌氧环境下微生物系统功能及其调控方面具有长年的累积。他们前期环绕土壤—水稻系统中铁的水解还原成与氮/砷循环的耦合积极开展了许多前瞻性的研究,说明了了厌氧条件下水稻土中铁—砷—氮耦合的微生物学机制。在朱永官显然,该领域还有很多挑战与有一点深入研究的问题。“我们利用诸如高通量测序技术和单细胞等先进设备的科学手段,了解并解读了更加多的微生物,它们是谁、能做到什么,这些个体层面的理解只是最初级的。因为自然界的微生物一般来说不是‘单打独斗’,而是‘抱团挣钱’,充分发挥更加强劲的力量,所以了解这一机制是我们未来希望的方向。”朱永官说道。