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　　“我們想要找到‘幕后推手’?！敝煊拦僬f。認(rèn)識了背后機(jī)制，可通過調(diào)控微生物降解過程及其功能，減少大氣中小分子烷烴的排放、開發(fā)油氣藏微生物勘探技術(shù)，以及降解海洋與土壤里面烴類物質(zhì)的污染等，這對最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境修復(fù)具有重大意義。
　　在自然界，許多有機(jī)物的生物降解需要氧氣來提供能量。然而，自然界還普遍存在著無氧或缺氧環(huán)境，微生物如何在這樣的條件下活下去，并且有效處理環(huán)境中的“疑難雜癥”，其背后機(jī)制是科學(xué)家們一直想要解析的生命奧秘。
　　無氧或缺氧，科學(xué)上被稱為厭氧。近日，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員朱永官團(tuán)隊(duì)參與的國際合作團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了具有厭氧氧化乙烷功能的古菌，并闡明其代謝途徑，填補(bǔ)了科學(xué)界長期以來在氣態(tài)烷烴厭氧氧化過程認(rèn)識上的空白，將開啟對土壤環(huán)境（如濕地和稻田等）中烷烴厭氧過程的新探索。相關(guān)成果發(fā)表于《自然》。
　　尋找“幕后推手”
　　甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等氣態(tài)烷烴是天然氣的主要成分，也是海洋及陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)碳庫的重要組成，其形成和降解對地球環(huán)境和氣候變化有著極大影響。
　　降解過程大多由微生物“介導(dǎo)”。比如，在海洋及陸地環(huán)境中，天然氣從巖層深部向上擴(kuò)散至油氣藏上部沉積物及土壤時(shí)，會被其中微生物“吃掉”，微生物獲得能量，發(fā)生降解反應(yīng)。
　　“在地球環(huán)境當(dāng)中，有機(jī)物降解是最基本的微生物過程。目前，我們對厭氧環(huán)境中的降解過程認(rèn)識還不清楚?！敝煊拦俑嬖V《中國科學(xué)報(bào)》，厭氧降解過程在自然界是廣泛存在的，地球演化的早期就是厭氧環(huán)境，厭氧的微生物都非常古老，比如某些古菌類群可能出現(xiàn)在35億年前。
　　大量研究表明，甲烷厭氧氧化是海洋底泥及土壤中普遍存在的微生物過程。此外，近期的研究表明丙烷和丁烷等小分子烷烴也能在無氧條件下被古菌或者細(xì)菌氧化（即降解）利用。然而，作為天然氣中第二豐富的烷烴，乙烷是否能夠厭氧降解尚不明確。
　　在過去的研究中，已有跡象表明乙烷有可能在厭氧條件下被微生物利用進(jìn)行降解，但還沒有直接證據(jù)證實(shí)。
　　“我們想要找到‘幕后推手’。”朱永官說。認(rèn)識了背后機(jī)制，可通過調(diào)控微生物降解過程及其功能，減少大氣中小分子烷烴的排放、開發(fā)油氣藏微生物勘探技術(shù)，以及降解海洋與土壤里面烴類物質(zhì)的污染等，這對最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境修復(fù)具有重大意義。
　　找到關(guān)鍵因子
　　有機(jī)物降解事實(shí)上是一個電子傳導(dǎo)過程。朱永官解釋，有機(jī)物是碳?xì)浠衔?，有氧環(huán)境中的降解過程是，有機(jī)物碳?xì)滏I被打開，釋放電子，氧氣作為終端電子受體將電子“擁入懷抱”，兩者結(jié)合生成二氧化碳。“如果沒有終端電子受體，微生物沒有能量，反應(yīng)將無法進(jìn)行，就像人沒有了氧氣便不能呼吸一樣?！?br/>　　然而，厭氧條件下，電子的“歸宿”是誰呢？研究人員發(fā)現(xiàn)的海水中硫酸鹽含量高（濃度為28 mmol/L；相比之下，氧的濃度僅為0.3 mmol/L）。在缺氧海洋環(huán)境中，硫酸鹽能夠扮演氧氣的角色，接受電子從而將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化成硫化氫，為微生物群落提供能量。
　　已有研究證明，降解甲烷、丁烷、丙烷的微生物將硫酸鹽作為能量供應(yīng)的“營養(yǎng)物質(zhì)”，乙烷厭氧降解也可能依賴硫酸鹽，但對催化這一過程的微生物及其反應(yīng)機(jī)制并不清楚。
　　在這方面，德國合作者有著多年的積累，他們已特定富集10年并獲得乙烷氧化古生菌?；谶@一古生菌富集體系，中國研究人員首先驗(yàn)證其是否具備乙烷降解能力——加入定量的乙烷，并在古生菌一年的生長周期內(nèi)定期取樣，大約300天以后，發(fā)現(xiàn)乙烷幾乎全部“銷聲匿跡”。
　　“實(shí)驗(yàn)所用的共培養(yǎng)體系能夠在硫酸鹽還原條件下將乙烷完全氧化為二氧化碳?！闭撐牡谝蛔髡摺⒅袊茖W(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心博士生陳松燦說。
　　事實(shí)上，更有挑戰(zhàn)性的是對代謝過程機(jī)制的揭示。
　　在厭氧環(huán)境下，生物所有活動都變得很緩慢。就像人到了海拔5000米的青藏高原上，由于缺氧，生命活動必須慢下來?！澳承┖醚跷⑸?0分鐘就能繁殖一代，但許多厭氧菌要幾個月才繁殖一代。”陳松燦說。
　　為了摸清古菌具備乙烷氧化能力的背后機(jī)制，研究人員借助宏基因組、宏蛋白組以及宏代謝組技術(shù)首先對古生菌進(jìn)行了全基因組測序分析，發(fā)現(xiàn)該基因組包含功能性甲基輔酶M還原酶所必需的全部基因，且對應(yīng)的基因表達(dá)產(chǎn)物在宏蛋白組中被檢測到。接著利用傅里葉回旋共振質(zhì)譜以及液相色譜—質(zhì)譜技術(shù)，確認(rèn)了中間代謝產(chǎn)物乙基輔酶M的存在，結(jié)果表明通過合成乙基輔酶M可催化乙烷的活化。
　　陳松燦表示，發(fā)現(xiàn)甲基輔酶M還原酶，為我們探索乙烷厭氧降解機(jī)制提供了方向，這是整個實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
　　“該古菌及其功能基因在深海天然氣滲漏環(huán)境中廣泛分布，暗示其所介導(dǎo)的乙烷氧化可能是海洋環(huán)境中氣態(tài)烷烴生物降解的重要途徑。”朱永官說。
　　解析“抱團(tuán)工作”機(jī)制
　　研究并未就此止步。
　　乙烷降解的每一步都需要酶作為蛋白質(zhì)進(jìn)行催化，最終生成二氧化碳，如果把這個反應(yīng)“逆”過來呢？陳松燦根據(jù)甲烷的可逆反應(yīng)猜測，改造古菌的酶實(shí)現(xiàn)“逆反應(yīng)”，這將是一個產(chǎn)生重要能源物質(zhì)乙烷的過程，應(yīng)用意義更大。
　　此外，陳松燦在研究中還發(fā)現(xiàn)兩個古菌之間在相互傳遞電子時(shí)，并不是按照傳統(tǒng)“套路”，比如借助納米導(dǎo)線導(dǎo)電、“擺渡車”中間體運(yùn)送電子等，“這說明該體系中極有可能蘊(yùn)含著全新的電子傳導(dǎo)機(jī)制。”陳松燦說，若能解析這一機(jī)制，便可通過調(diào)控手段加速電子傳導(dǎo)過程，加速乙烷降解過程，“如果乙烷是污染物，生物修復(fù)速度也隨之加快”。
　　多年來，朱永官團(tuán)隊(duì)一直以水稻土和沉積物為研究對象，開展有機(jī)碳和氨的厭氧氧化的相關(guān)研究，在厭氧環(huán)境下微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控方面有著長期的積累。他們前期圍繞土壤—水稻系統(tǒng)中鐵的氧化還原與氮／砷循環(huán)的耦合開展了許多前瞻性的研究，揭示了厭氧條件下水稻土中鐵—砷—氮耦合的微生物學(xué)機(jī)制。
　　在朱永官看來，該領(lǐng)域還有很多挑戰(zhàn)與值得深入研究的問題。
　　“我們借助諸如高通量測序技術(shù)和單細(xì)胞等先進(jìn)的科學(xué)手段，認(rèn)識并理解了更多的微生物，它們是誰、能做什么，這些個體層面的認(rèn)知只是最初級的。因?yàn)樽匀唤绲奈⑸锿ǔ２皇恰畣未颡?dú)斗’，而是‘抱團(tuán)干活’，發(fā)揮更強(qiáng)大的力量，所以認(rèn)識這一機(jī)制是我們未來努力的方向。”朱永官說。
　?。ㄔd于《中國科學(xué)報(bào)》 2019-04-09 第7版 生態(tài)環(huán)境)