乙烷消失的“幕后推手”是誰

　　在自然界，許多有機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境，微生物如何在這樣的條件下活下去，并且有效處理環境中的“疑難雜癥”，其背后機制是科學家們一直想要解析的生命奧秘。

　　無氧或缺氧，科學上被稱為厭氧。

　　近日，中國科學院生態環境研究中心研究員朱永官團隊參與的國際合作團隊首次發現了具有厭氧氧化乙烷功能的古菌，并闡明其代謝途徑，填補了科學界長期以來在氣態烷烴厭氧氧化過程認識上的空白，將開啟對土壤環境（如濕地和稻田等）中烷烴厭氧過程的新探索。相關成果發表于《自然》。

　　尋找“幕后推手”

　　甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等氣態烷烴是天然氣的主要成分，也是海洋及陸地生態系統中有機碳庫的重要組成，其形成和降解對地球環境和氣候變化有著極大影響。

　　降解過程大多由微生物“介導”。

　　比如，在海洋及陸地環境中，天然氣從巖層深部向上擴散至油氣藏上部沉積物及土壤時，會被其中微生物“吃掉”，微生物獲得能量，發生降解反應。

　　“在地球環境當中，有機物降解是最基本的微生物過程。目前，我們對厭氧環境中的降解過程認識還不清楚。”朱永官告訴《中國科學報》，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境，厭氧的微生物都非常古老，比如某些古菌類群可能出現在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行降解，但還沒有直接證據證實。

　　“我們想要找到‘幕后推手’。”朱永官說。認識了背后機制，可通過調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、開發油氣藏微生物勘探技術，以及降解海洋與土壤里面烴類物質的污染等，這對最終實現環境修復具有重大意義。

　　找到關鍵因子

　　有機物降解事實上是一個電子傳導過程。

　　朱永官解釋，有機物是碳氫化合物，有氧環境中的降解過程是，有機物碳氫鍵被打開，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，反應將無法進行，就像人沒有了氧氣便不能呼吸一樣。”

　　然而，厭氧條件下，電子的“歸宿”是誰呢？

　　研究人員發現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）。在缺氧海洋環境中，硫酸鹽能夠扮演氧氣的角色，接受電子從而將碳氫化合物轉化成硫化氫，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的“營養物質”，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機制并不清楚。

　　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。

　　基于這一古生菌富集體系，中國研究人員首先驗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定期取樣，大約300天以后，發現乙烷幾乎全部“銷聲匿跡”。

　　“實驗所用的共培養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。”論文第一作者、中國科學院生態環境研究中心博士生陳松燦說。

　　事實上，更有挑戰性的是對代謝過程機制的揭示。

　　在厭氧環境下，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。

　　“某些好氧微生物30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制，研究人員借助宏基因組、宏蛋白組以及宏代謝組技術首先對古生菌進行了全基因組測序分析，發現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，且對應的基因表達產物在宏蛋白組中被檢測到。

　　接著利用傅里葉回旋共振質譜以及液相色譜—質譜技術，確認了中間代謝產物乙基輔酶M的存在，結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，發現甲基輔酶M還原酶，為我們探索乙烷厭氧降解機制提供了方向，這是整個實驗的關鍵轉折點。

　　“該古菌及其功能基因在深海天然氣滲漏環境中廣泛分布，暗示其所介導的乙烷氧化可能是海洋環境中氣態烷烴生物降解的重要途徑。”朱永官說。

　　解析“抱團工作”機制

　　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進行催化，最終生成二氧化碳，如果把這個反應“逆”過來呢？

　　陳松燦根據甲烷的可逆反應猜測，改造古菌的酶實現“逆反應”，這將是一個產生重要能源物質乙烷的過程，應用意義更大。

　　此外，陳松燦在研究中還發現兩個古菌之間在相互傳遞電子時，并不是按照傳統“套路”，比如借助納米導線導電、“擺渡車”中間體運送電子等，“這說明該體系中極有可能蘊含著全新的電子傳導機制。”陳松燦說，若能解析這一機制，便可通過調控手段加速電子傳導過程，加速乙烷降解過程，“如果乙烷是污染物，生物修復速度也隨之加快”。

　　多年來，朱永官團隊一直以水稻土和沉積物為研究對象，開展有機碳和氨的厭氧氧化的相關研究，在厭氧環境下微生物系統功能及其調控方面有著長期的積累。

　　他們前期圍繞土壤—水稻系統中鐵的氧化還原與氮／砷循環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—氮耦合的微生物學機制。

　　在朱永官看來，該領域還有很多挑戰與值得深入研究的問題。

　　“我們借助諸如高通量測序技術和單細胞等先進的科學手段，認識并理解了更多的微生物，它們是誰、能做什么，這些個體層面的認知只是最初級的。因為自然界的微生物通常不是‘單打獨斗’，而是‘抱團干活’，發揮更強大的力量，所以認識這一機制是我們未來努力的方向。”朱永官說。