【文章內容簡介】 年伊利諾伊大學完 成了第 第 4 頁 共 18 頁 一個產甲烷菌 Methanococcus jannaschii 的基因組測序。迄今為止已有 4 個目的 5 種產甲烷菌完成基因組測序。從已獲得的數(shù)據(jù)來看，產甲烷菌基因組的大小約為 一 6X106bp。一般來說，產甲烷菌基因組由一個環(huán)狀染色體組成，但也有一些產甲烷菌除了含一個環(huán)狀染色體外，還含有染色體外元件 (extrachromosomal element，ECE)。比如 Methanococcus jannaschii 不僅含有 1 個 1664976bp 的環(huán)狀染色體，還含有1 個 58407bp 的大 ECE 和 1 個 16550bp 的小 ECE。產甲烷菌的 G+C 含量在 30%一 65%之間，這種變化與其所生存的環(huán)境相關。比如嗜熱的 MethanoPyruskandleriAV 19 的 G+C含量高達 %。編碼蛋白的 ORF 與一個物種的復雜度相關聯(lián)，產甲烷菌的 ORF 約在1500 一 5000 之間。 傳統(tǒng)的分類是在對大量單個微生物進行觀察分析和描述的基礎上，以它們的形態(tài)結構、生理生化特性和遺傳性等特征的異同為依據(jù)進行的。隨著分子生物學的發(fā)展，人們利用不同物種間 smallsubunitribosom習 RNA的同源性進行分類取得了較為 滿意的結果。但這種方法存在著明顯的弊端，當環(huán)境壓力使得某物種核酸中 G+C 含量變化時，分析結果會有較大偏差。隨著多個物種全基因組測序的完成，使人們可以用全基因組信息研究物種的進化、基因的垂直進化和水平遷移。在產甲烷菌之間基因的“重疊”性很高，發(fā)現(xiàn)一些基因簇只在產甲烷菌中出現(xiàn)而不在其它古細菌中出現(xiàn)，同樣也發(fā)現(xiàn)一些其它微生物中共有的基因簇在產甲烷菌中找不到痕跡。在比較中發(fā)現(xiàn) 基因組中缺少物種間基因的水平轉移，這可能是由于 生存在 2020m深的海底且溫度高達 80一 100度的獨特環(huán)境中。不同基因組間基因順序的比較可以衡量 2 個物種間的親緣關系，也能提示基因之間功能的關聯(lián)性。利用核糖體蛋白同源性構建進化樹是目前認為最可靠的進化分析方法。 三、產甲烷菌的代謝研究 第 5 頁 共 18 頁 產甲烷菌生活在厭氧條件下，它們通過甲烷的生物合成形成維持細胞生存所需的能量。在產甲烷菌中存在原核細胞和真核細胞所共有的糖酵解途徑，三羧酸循環(huán)、氨基酸和核苷酸代謝。但一些基本所需的酶在產甲烷菌中未被確定，如在 Methanopyrus kandlei AV19 的 TCA 循環(huán)中缺乏將兩分子丙酮酸縮合成一份子六碳糖所需的酶。產甲烷菌是自養(yǎng)型的生物，它能利用環(huán)境中的化學能。因而產甲烷菌中發(fā)現(xiàn)了許多無機物進入細胞所需的通道蛋白，產甲烷菌是目前發(fā)現(xiàn)唯一能固氮的古細菌。 產甲烷菌生活在各種厭氧環(huán)境中，甚至在一些極端環(huán)境中，這種適應性是長期進化的結果。同時產甲烷菌中存在各種機制以調節(jié)自身適應環(huán)境。比如甲烷八疊球菌，它們生活在淡水、海底沉積物、腐敗的葉子、土壤、油井、下水道污物、動物排泄物等環(huán)境中。甲烷八疊球菌基因組中含 有大量表面蛋白基因，可以形成具有保護作用的英膜它是古細菌中唯一可以形成多細胞結構的物種，因此提供了一個良好的用于研究多細胞形成機制的模型。在不同的生長階段和不同的環(huán)境條件下甲烷八疊球菌處于不同的細胞形態(tài)。在脅迫環(huán)境下，多細胞結構形成對提高適應環(huán)境能力起到關鍵作用。 產甲烷菌和其它物種一樣具有信號轉導的二元調控系統(tǒng)，但它及其它古細菌的二元調控系統(tǒng)與已經研究清楚的細菌的二元調控系統(tǒng)有很大不同。細菌的二元系統(tǒng)由組氨酸激酶和響應調控蛋白按 1:1 的比例組成，而且響應調控蛋白一般具有一個效應域 第 6 頁 共 18 頁 (effector domain)。在產甲烷菌及其它古細菌基因組中的響應調控蛋白一般含有響應調控域，而不具備和細菌類同的效應域。這暗示產甲烷菌可能存在一種新的信號轉導機制。盡管還未觀察到任何甲烷八疊球菌的運動性，但在其基因組中發(fā)現(xiàn)了一個完整的鞭毛基因簇和兩個完整的趨化性基因簇，這些基因簇的存在也暗示了產甲烷菌可能會通過運動和趨化性適應環(huán)境。 產甲烷菌是厭氧發(fā)酵過程中最后一個環(huán)節(jié)，在自然界碳素循環(huán)中扮演重要角色。由于產甲烷菌在廢棄物厭氧消化、高濃度有機廢水處理、沼氣發(fā)酵及反當動物瘤胃中食物消化等過程中起關鍵性作用，也 由于產甲烷菌所釋放出來的甲烷是導致溫室效應的重要因素，產甲烷菌的研究成為環(huán)境微生物研究的焦點之一。產甲烷菌基因組及甲烷生物合成研究有利于人們從基因組和分子水平分析古細菌進化、闡明產甲烷菌獨特的代謝調控機制及其對環(huán)境的適應性 。進而為通過生物技術進行環(huán)境檢測和環(huán)境治理奠定了基礎。 四、 沼氣池中產甲烷桿菌和不產甲烷菌的關系 不產甲烷菌把各種復雜的有機物如碳水化合物、蛋白質、脂類等進行厭氧降解，生成氫、二氧化碳、氨、乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、乙醇等產物，其中 ，丙酸、丁酸、乙醇等又被一類產氫產乙酸菌分解轉化為氫、二氧化碳、乙酸等。這樣，不產甲烷菌通過其生命活動為產甲烷菌提供了合成細胞物質和產甲烷菌所需的碳源、電子供體、氫供體和氮源。產甲烷菌由利用這些物質進行生命活動和產生甲烷。 在沼氣發(fā)酵初期，由于加料使空氣進入沼氣發(fā)酵池，原料、水本身也攜帶有空氣，這顯然對產甲烷菌是有害的。它的去除，就必需依賴于不產甲烷菌類群中那些需氧或兼性厭氧微生物的代謝活動。各種厭氧微生物對氧化還原電位的適應性也不相同，通過它們有順序性的交替 生長和代謝活動，使發(fā)酵料液氧化還原電位不斷下降，逐步為產甲烷菌創(chuàng)造了適宜的氧化還原電位條件。 在以工業(yè)廢水或廢棄物為發(fā)酵原料時，其中可能含有酚類、苯甲酸、氰化物、長鏈脂肪酸、重金屬等對產甲烷菌有毒害作用的物質。不產甲烷菌中有許多種類能夠降 第 7 頁 共 18 頁 解苯環(huán)從中獲得能量和碳源，有些則能以氰化物作為碳源，有較多的微生物能降解長鏈脂肪酸生成乙酸和較短脂肪酸。這些作用，不僅消除了對產甲烷菌的毒害，而且提供了產甲烷菌的基質。此外，不產甲烷菌的產物硫化氫，可以與重金屬離子作用，生成不溶性的 金屬硫化物沉淀，從而解除了一些重金屬離子的毒害作用 。 “古環(huán)境 ” 產甲烷菌具有簡單性和古老性 ， 而其細胞的胞壁、脂質和基因等，均表現(xiàn)出不完整性和原始性。產甲烷菌能生存繁殖，必定會有其特定的類似于原始 “ 古環(huán)境 ” 的環(huán)境。在厭氧消化系統(tǒng)中，一方面，不產甲烷菌在代謝過程中對氣體物質作用，建造了“ 類古氣體環(huán)境 ” ；另一方面，這些不產甲烷菌又提供了產甲烷菌正常代謝的物質基礎。這或許正是幾十億年來產甲烷菌能保持古菌特征的基礎。 不產甲烷菌的發(fā) 酵產物可以抑制其本身的不斷形成。如氫的積累可以抑制產氫產酸菌的繼續(xù)產氫，酸的積累可以抑制產氫產酸菌的繼續(xù)產酸。再如，將丙酸加入到丙酸桿菌 (Propionilacterium shermanil)的連續(xù)培養(yǎng)中，會降低丙酸的產生和丙酸桿菌的生長速度。雖然乙酸的產量對發(fā)酵影響不大，但加入高濃度的乙酸，則會使乙酸產生菌受到抑制。人們研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧消化系統(tǒng)中，乙酸的濃度最大限制值為 3000mg/L，一但超過這個值，就會使沼氣發(fā)酵池酸化，厭氧消化就不能很好地進行下去。在正常的沼氣發(fā)酵中，產甲烷菌連續(xù)不斷地利用由不產甲 烷菌代謝產生的氫、乙酸和二氧化碳等基質，使得沼氣發(fā)酵過程不致于有過多的氫和酸積累，從而也就不會由于氫和酸的積累而產生反饋抑制。 pH 值 在沼氣發(fā)酵的初期，不產甲烷菌首先降解原料的碳水化合物、脂肪和蛋白質等，產生大量的有機酸，產生的二氧化碳也部分溶于水，使發(fā)酵料液的 pH 值明顯下降。而此時，一方面不產甲烷菌類群中的氨化細菌迅速進行氨化，產生 NH3 中和部分酸，另一方面，產甲烷菌利用乙酸