微生物技术应用论文-产甲烷杆菌的研究及其利用前景

微生物技术应用论文-产甲烷杆菌的研究及其利用前景内容摘要：

年伊利诺伊大学完 成了第 第 4 页 共 18 页 一个产甲烷菌 Methanococcus jannaschii 的基因组测序。 迄今为止已有 4 个目的 5 种产甲烷菌完成基因组测序。 从已获得的数据来看，产甲烷菌基因组的大小约为 一 6X106bp。 一般来说，产甲烷菌基因组由一个环状染色体组成，但也有一些产甲烷菌除了含一个环状染色体外，还含有染色体外元件 (extrachromosomal element，ECE)。 比如 Methanococcus jannaschii 不仅含有 1 个 1664976bp 的环状染色体，还含有1 个 58407bp 的大 ECE 和 1 个 16550bp 的小 ECE。 产甲烷菌的 G+C 含量在 30%一 65%之间，这种变化与其所生存的环境相关。 比如嗜热的 MethanoPyruskandleriAV 19 的 G+C含量高达 %。 编码蛋白的 ORF 与一个物种的复杂度相关联，产甲烷菌的 ORF 约在1500 一 5000 之间。 传统的分类是在对大量单个微生物进行观察分析和描述的基础上，以它们的形态结构、生理生化特性和遗传性等特征的异同为依据进行的。 随着分子生物学的发展，人们利用不同物种间 smallsubunitribosom习 RNA的同源性进行分类取得了较为 满意的结果。 但这种方法存在着明显的弊端，当环境压力使得某物种核酸中 G+C 含量变化时，分析结果会有较大偏差。 随着多个物种全基因组测序的完成，使人们可以用全基因组信息研究物种的进化、基因的垂直进化和水平迁移。 在产甲烷菌之间基因的“重叠”性很高，发现一些基因簇只在产甲烷菌中出现而不在其它古细菌中出现，同样也发现一些其它微生物中共有的基因簇在产甲烷菌中找不到痕迹。 在比较中发现 基因组中缺少物种间基因的水平转移，这可能是由于 生存在 2020m深的海底且温度高达 80一 100度的独特环境中。 不同基因组间基因顺序的比较可以衡量 2 个物种间的亲缘关系，也能提示基因之间功能的关联性。 利用核糖体蛋白同源性构建进化树是目前认为最可靠的进化分析方法。 三、产甲烷菌的代谢研究 第 5 页 共 18 页 产甲烷菌生活在厌氧条件下，它们通过甲烷的生物合成形成维持细胞生存所需的能量。 在产甲烷菌中存在原核细胞和真核细胞所共有的糖酵解途径，三羧酸循环、氨基酸和核苷酸代谢。 但一些基本所需的酶在产甲烷菌中未被确定，如在 Methanopyrus kandlei AV19 的 TCA 循环中缺乏将两分子丙酮酸缩合成一份子六碳糖所需的酶。 产甲烷菌是自养型的生物，它能利用环境中的化学能。 因而产甲烷菌中发现了许多无机物进入细胞所需的通道蛋白，产甲烷菌是目前发现唯一能固氮的古细菌。 产甲烷菌生活在各种厌氧环境中，甚至在一些极端环境中，这种适应性是长期进化的结果。 同时产甲烷菌中存在各种机制以调节自身适应环境。 比如甲烷八叠球菌，它们生活在淡水、海底沉积物、腐败的叶子、土壤、油井、下水道污物、动物排泄物等环境中。 甲烷八叠球菌基因组中含 有大量表面蛋白基因，可以形成具有保护作用的英膜它是古细菌中唯一可以形成多细胞结构的物种，因此提供了一个良好的用于研究多细胞形成机制的模型。 在不同的生长阶段和不同的环境条件下甲烷八叠球菌处于不同的细胞形态。 在胁迫环境下，多细胞结构形成对提高适应环境能力起到关键作用。 产甲烷菌和其它物种一样具有信号转导的二元调控系统，但它及其它古细菌的二元调控系统与已经研究清楚的细菌的二元调控系统有很大不同。 细菌的二元系统由组氨酸激酶和响应调控蛋白按 1:1 的比例组成，而且响应调控蛋白一般具有一个效应域 第 6 页 共 18 页 (effector domain)。 在产甲烷菌及其它古细菌基因组中的响应调控蛋白一般含有响应调控域，而不具备和细菌类同的效应域。 这暗示产甲烷菌可能存在一种新的信号转导机制。 尽管还未观察到任何甲烷八叠球菌的运动性，但在其基因组中发现了一个完整的鞭毛基因簇和两个完整的趋化性基因簇，这些基因簇的存在也暗示了产甲烷菌可能会通过运动和趋化性适应环境。 产甲烷菌是厌氧发酵过程中最后一个环节，在自然界碳素循环中扮演重要角色。 由于产甲烷菌在废弃物厌氧消化、高浓度有机废水处理、沼气发酵及反当动物瘤胃中食物消化等过程中起关键性作用，也 由于产甲烷菌所释放出来的甲烷是导致温室效应的重要因素，产甲烷菌的研究成为环境微生物研究的焦点之一。 产甲烷菌基因组及甲烷生物合成研究有利于人们从基因组和分子水平分析古细菌进化、阐明产甲烷菌独特的代谢调控机制及其对环境的适应性。 进而为通过生物技术进行环境检测和环境治理奠定了基础。 四、 沼气池中产甲烷杆菌和不产甲烷菌的关系 不产甲烷菌把各种复杂的有机物如碳水化合物、蛋白质、脂类等进行厌氧降解，生成氢、二氧化碳、氨、乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、乙醇等产物，其中 ，丙酸、丁酸、乙醇等又被一类产氢产乙酸菌分解转化为氢、二氧化碳、乙酸等。 这样，不产甲烷菌通过其生命活动为产甲烷菌提供了合成细胞物质和产甲烷菌所需的碳源、电子供体、氢供体和氮源。 产甲烷菌由利用这些物质进行生命活动和产生甲烷。 在沼气发酵初期，由于加料使空气进入沼气发酵池，原料、水本身也携带有空气，这显然对产甲烷菌是有害的。 它的去除，就必需依赖于不产甲烷菌类群中那些需氧或兼性厌氧微生物的代谢活动。 各种厌氧微生物对氧化还原电位的适应性也不相同，通过它们有顺序性的交替 生长和代谢活动，使发酵料液氧化还原电位不断下降，逐步为产甲烷菌创造了适宜的氧化还原电位条件。 在以工业废水或废弃物为发酵原料时，其中可能含有酚类、苯甲酸、氰化物、长链脂肪酸、重金属等对产甲烷菌有毒害作用的物质。 不产甲烷菌中有许多种类能够降 第 7 页 共 18 页 解苯环从中获得能量和碳源，有些则能以氰化物作为碳源，有较多的微生物能降解长链脂肪酸生成乙酸和较短脂肪酸。 这些作用，不仅消除了对产甲烷菌的毒害，而且提供了产甲烷菌的基质。 此外，不产甲烷菌的产物硫化氢，可以与重金属离子作用，生成不溶性的 金属硫化物沉淀，从而解除了一些重金属离子的毒害作用。 “古环境 ” 产甲烷菌具有简单性和古老性 ， 而其细胞的胞壁、脂质和基因等，均表现出不完整性和原始性。 产甲烷菌能生存繁殖，必定会有其特定的类似于原始 “ 古环境 ” 的环境。 在厌氧消化系统中，一方面，不产甲烷菌在代谢过程中对气体物质作用，建造了“ 类古气体环境 ” ；另一方面，这些不产甲烷菌又提供了产甲烷菌正常代谢的物质基础。 这或许正是几十亿年来产甲烷菌能保持古菌特征的基础。 不产甲烷菌的发 酵产物可以抑制其本身的不断形成。 如氢的积累可以抑制产氢产酸菌的继续产氢，酸的积累可以抑制产氢产酸菌的继续产酸。 再如，将丙酸加入到丙酸杆菌 (Propionilacterium shermanil)的连续培养中，会降低丙酸的产生和丙酸杆菌的生长速度。 虽然乙酸的产量对发酵影响不大，但加入高浓度的乙酸，则会使乙酸产生菌受到抑制。 人们研究发现，在厌氧消化系统中，乙酸的浓度最大限制值为 3000mg/L，一但超过这个值，就会使沼气发酵池酸化，厌氧消化就不能很好地进行下去。 在正常的沼气发酵中，产甲烷菌连续不断地利用由不产甲 烷菌代谢产生的氢、乙酸和二氧化碳等基质，使得沼气发酵过程不致于有过多的氢和酸积累，从而也就不会由于氢和酸的积累而产生反馈抑制。 pH 值 在沼气发酵的初期，不产甲烷菌首先降解原料的碳水化合物、脂肪和蛋白质等，产生大量的有机酸，产生的二氧化碳也部分溶于水，使发酵料液的 pH 值明显下降。 而此时，一方面不产甲烷菌类群中的氨化细菌迅速进行氨化，产生 NH3 中和部分酸，另一方面，产甲烷菌利用乙酸。