甲烷氧化菌的分类及其生理生态特征研究进展

摘 要:

甲烷氧化菌(Methanotrophs)是甲基氧化菌(Methylotrophs)的一个分支,是利用甲烷作为唯一碳源和能源的细菌,在全球生态系统碳循环过程中起着重要作用。甲烷氧化菌分为变形菌门、疣微菌门和NC10门。根据其是否需氧,又可分为好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌。pmoA基因几乎存在于所有甲烷氧化菌中,已成为甲烷氧化菌生态学研究中广为采用的生物标记物。

关键词: ,

甲烷氧化菌Methanotrophs)是甲基氧化菌(Methylotrophs)的一个分支,于1906年首次被发现 [2],直到20世纪70年代,科学家才对其进行了广泛的分离和鉴定。甲烷氧化菌是一类可以利用甲烷作为唯一碳源和能源的细菌,在全球变化和整个生态系统碳循环过程中起着重要的作用。现已有研究证实在各种生态环境,如湖泊底泥、水稻田、垃圾填埋场、泥炭湿地及北极高纬度湿地等环境中分布的甲烷氧化菌在消耗甲烷中起着重要的作用。

迄今为止,已经发现了多种不同的甲烷氧化菌,并将其分为3个门:变形菌门(Proteobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)和NC10门[3]。其中传统分类中的甲烷氧化菌都属于变形菌门,它们广泛分布在自然和人工生境中。疣微菌门的甲烷氧化菌迄今只分离到了3个菌株,都是从极端嗜酸嗜热环境中分离到的。NC10门甲烷氧化菌的代表菌株为Methylomirabilis oxyfera,能够在厌氧环境中同时进行甲烷氧化和反硝化作用,并产生其氧化甲烷所需要的氧气。另外,根据利用甲烷时是否需要氧气的存在,可把甲烷氧化菌分为好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌两类。

在甲烷氧化菌的三个门中,目前发现只有变形菌门的甲烷氧化菌存在于自然湿地中,而疣微菌门和NC10门的甲烷氧化菌在自然湿地中未检测到。根据其甲醛吸收和代谢途径、所含磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty-acidAnalysis,PLFA)的类型以及细胞膜结构的差异等,变形菌门的甲烷氧化菌可分为I型甲烷氧化菌和II型甲烷氧化菌,其中I型甲烷氧化菌属于γ-变形菌纲的Methylococcaceae科,现已发现了15个属。I型又进一步分为Ia型和Ib型,Ib型也就是之前命名为X型的甲烷氧化菌。最近研究发现从海洋中分离到的Methylomarinum属、从森林土壤中分离的Methylovulum属以及水稻田中分离的Methylogaea属都属于I型甲烷氧化菌。对存在于环境中尚不能纯培养的甲烷氧化菌,利用分子生物学手段检测其功能基因,显示一些包含部分特定功能基因序列的甲烷氧化菌类群也可归于I型甲烷氧化菌。此外还发现两类丝状甲烷氧化菌Crenothrix polysporaClonothrix fusca也是I型甲烷氧化菌的一个独特分支。II型甲烷氧化菌属于α-变形菌纲,包括MethylocystaceaeBeijerinckiaceae 两个科。

甲烷氧化菌利用甲烷的方式如下:首先由甲烷单加氧酶(MMO)将甲烷活化生成甲醇,再氧化为甲醛;然后通过丝氨酸途径或单磷酸核酮糖途径同化为细胞生物量,或者在氧化为甲酸后转变为二氧化碳。甲烷单加氧酶在这些过程中起关键性的作用,该酶存在两种形式:与膜结合、含有铜离子和铁离子的颗粒状甲烷单加氧酶(particulate methane monooxygenase,pMMO)和分泌在周质空间中的可溶性甲烷单加氧酶(soluble methane monooxygenase,sMMO)。在现已发现的好氧甲烷氧化菌中,除MethylocellaMethyloferla以外,都含有pMMO,而只在一些II型甲烷氧化菌和几种I型甲烷氧化菌中能检测到编码sMMO的基因。

尽管16S rRNA基因是微生物生态研究中最普遍使用的标记基因,但是在研究具有特定功能的微生物类群时,需要采用更为专一的编码关键酶的基因(如pmoA基因和mmoX基因)替代16S rRNA基因。pmoA基因几乎存在于所有的甲烷氧化菌中,它编码关键酶pMMO的一个亚基,且基于pmoA基因和基于16S rRNA基因的甲烷氧化菌的系统发育关系有着很好的一致性,因此pmoA基因已经成为甲烷氧化菌生态学研究中广为采用的生物标记物。

参考文献:

[1] 邓永翠, 车荣晓, 吴伊波, 等. 好氧甲烷氧化菌的生理生态特征及其在自然湿地中的群落多样性研究进展. 生态学报, 2015, 35(14).

[2] Söhngen NL and Bakterien U. Welche methan ab kohlenstoffnahrung and energiequelle gebrauchen. Parasitenkd Infectionskr Abt, 1906, 15:513-517.

[3] Ettwig KF, Butler MK, Le Paslier D, et al. Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria. Nature, 2010, 464(7288):543-548.

    A+

除注明外,本站内容由 细菌之家 原创或整理,转载请注明出处及链接。

本文永久链接: http://www.bacteria.cn/html/2015/1039.html

  • 请您留言:专业水平所限,谬误之处在所难免。如您发现不正之处,请在下面留言,谢谢!

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen:

图片 表情