下载文档原格式
产甲烷菌的代谢研究4.1甲烷细菌的基本代谢途径产甲烷菌是生活在无氧条件下，他们是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（EMP），三羧酸循环（TCA），氨基酸和核甘酸代谢。
另外产甲烷菌是自养型生物，他能利用环境中的化学能。
所以产甲烷菌的为厌氧自养的代谢微生物。
4.1甲烷生物的合成途径目前发现的甲烷生物合成过程有3种途径。
第1种途径为以乙酸为原料的甲烷生物合成, 第2种为以氢、二氧化碳为原料的甲烷生物合成, 第3种是以甲基化合物为原料的甲烷生物合成过程, 如甲醇、甲基胺、甲基硫等。
3种途径最终都形成甲基辅酶M，甲基辅酶M在甲基辅酶M还原酶I(MRI)和甲基辅酶M还原酶Ⅱ（MRⅡ）的催化下最终形成甲烷。
其中乙酸为底物的甲烷合成占自然界甲烷合成的60%以上, 以氢和二氧化碳为底物的甲烷合成的30%。
在此过程中有多种辅酶参与反应, 如甲酞甲基吠喃（MFR)、甲酞四氢甲基喋岭(THMP)、辅酶M(MSCoM)、辅酶F420(CoF420)、辅酶和辅因子B(HSHTP)。
如前所述, 甲烷形成的过程伴随着细胞膜内外化学梯度的形成, 这种梯度的形成过程类似于以氧为末端电子受体的氧化磷酸化和电子传递链的偶联。
在化学梯度形成过程中, 钠离子梯度的形成是由钠离子泵一一methyl-THMP:HSCoM甲基转移酶实现的,氢离子梯度的形成是由位于细胞膜上的HDR实现的, HDR催化与HTP-S-ScoM的还原偶联的氢的氧化。
形成的钠离子和氢离子十梯度最终驱动位于细胞膜上的ATP, 合成酶产生ATP。
由乙酸生成甲烷的代谢途径中乙酸首先磷酸化生成乙酞磷酸, 乙酞磷酸再转化为乙酞辅酶A, 乙酞辅酶A在乙酞辅酶A脱梭酶(ACDS)的催化下形成1分子甲基四氢甲基喋吟(methyl-H4SPt)和1分子一氧化碳, 一氧化碳在一氧化碳脱氢酶(CODH)的催化下脱氢形成二氧化碳, 同时形成还原型的铁氧环蛋白。
生物甲烷化技术及其应用前景甲烷是一种广泛存在于自然界中的气体，其在工农业生产和生活中有广泛的应用，然而，甲烷的释放对环境和人类健康造成了巨大的威胁。
因此，如何有效地控制和利用甲烷成为目前研究的重点之一，而生物甲烷化技术的出现为解决这一问题提供了一种新途径。
什么是生物甲烷化技术？生物甲烷化技术是利用微生物对有机废弃物等物质进行生物分解和发酵产生甲烷的一种技术。
主要有两种方式，即甲烷发酵和沼气发酵。
甲烷发酵是一种同气相反的化学反应，也称为反甲烷发酵。
在此过程中，甲烷氧化菌对甲烷进行氧化，产生二氧化碳、水和能量。
这种技术可用于处理含甲烷废气和液体废物。
沼气发酵是指在不氧环境下，利用多种微生物群对生物质进行分解和发酵，产生沼气的过程。
沼气主要由甲烷、二氧化碳等组成，可以用作燃料，也可作为肥料使用。
应用前景生物甲烷化技术的应用前景巨大。
它可以处理多种有机废物，如农业废物、畜禽粪便、厨余垃圾等。
同时，这种技术还可以为生物质能源的开发提供新的途径，而生物质能源的开发则对替代传统化石能源具有重要意义。
农业废物是一种重要的有机废弃物，成堆的秸秆随处可见。
然而，以往的处理方式并不是很有效，大量秸秆直接堆放在田间地头，长期露天存放容易导致火灾、占用土地等问题。
而生物甲烷化技术可以将废弃物转化为能源和肥料，缓解了农业废物处理和土地资源的压力。
与此同时，畜禽粪便也是一种重要的有机废弃物。
传统的排污处理方式通常采用化学除臭和厌氧消化等方法，但这些方法不够环保，同时产生的气体也难以处理。
通过生物甲烷化技术，可以将畜禽粪便转化为沼气和有机肥料，既解决了废弃物的处理问题，也提供了新的能源来源和农业肥料。
厨余垃圾也是一种常见的有机废弃物，通过生物甲烷化技术转化为沼气，则可以在城市中极大地缓解垃圾处理问题，同时解决城市能源需求的问题。
结语随着人们环保意识的不断提高，生物甲烷化技术将得到更广泛的应用。
在环保和能源问题日益突出的今天，生物甲烷化技术无疑是一种极有前景的技术，它可以有效地解决废弃物资源化的问题，同时也为能源的开发提供了新思路和新途径。
甲烷产生相互作用的生物学和环境学机制甲烷（CH4）是一种无色、无臭的天然气体，主要由生物和地球化学过程产生。
它是温室气体中最重要的成分之一，对全球气候变化有重要影响。
甲烷的产生主要涉及到生物学和地球环境学机制。
生物学机制：1. 生物甲烷产生菌：甲烷产生主要来自于土壤和水体中的甲烷产生菌，包括甲烷原核菌（methanogens）和甲烷氧化菌（methanotrophs）。
甲烷原核菌是一类厌氧微生物，它们利用简单的有机物质，如二氧化碳和氢气，合成甲烷。
它们主要分布在湿地、沼泽和水体底部等处，通常是在缺氧条件下生长繁殖。
甲烷原核菌将二氧化碳还原为甲酸，进一步还原为甲烷，产生能量并固定碳源。
甲烷氧化菌则是一类好氧微生物，它们能利用甲烷作为碳源，通过甲烷氧化反应将其转化为丙酮，并释放出能量。
甲烷氧化菌通过嗜氧呼吸将甲烷转化为甲酸，然后进一步转化为丙酮和二氧化碳。
这一过程不仅可以减少甲烷排放，还能将其转化为可利用的有机碳。
2.生物降解：甲烷也可以通过生物降解产生，其中包括白腐菌、霉菌和细菌等微生物的参与。
这些微生物通过分解有机废弃物和生物质，产生酸、醇和气体等物质，其中包括甲烷。
这种生物降解通常发生在有机质富集的环境中，如堆肥堆或湿地，相对于甲烷原核菌的产生速率较慢。
地球环境学机制：1.地下生物降解：地下水和土壤中的微生物降解是甲烷产生的一种重要机制。
当有机物质在地下水和土壤中降解时，甲烷有可能会产生。
这种机制在水文地质条件较好的地下水系统中尤为常见。
2. 地质构造：地质构造对甲烷产生的影响也是一个重要因素。
例如，地下岩层中的甲烷水合物（methane hydrates）是一种天然的甲烷贮藏形式，它主要形成于高压和低温条件下。
当地壳活动或气候变化引发海底温度和压力的变化时，这些冰状结构可能会破裂释放出甲烷。
甲烷的源和汇
甲烷是一种常见的天然气体，它的源和汇主要有以下几种。
源：
1. 生物体代谢：甲烷是一种常见的生物产物，许多微生物和真菌在生
命过程中产生甲烷。
例如，湿地中的微生物可以通过产酸发酵代谢过
程产生大量的甲烷。
2. 沉积物分解：当有机物质在缺氧环境下降解时，也会产生甲烷。
这
种情况常见于深海底部的沉积物，如海底气体水合物和沉积有机物质。
3. 温室气体释放：人类活动也是甲烷的源之一。
甲烷释放主要来自于
农业生产过程中，例如牛羊胃中的微生物发酵产生的甲烷，以及稻田
和堆肥的分解过程中。
汇：
1. 大气化学反应：甲烷在大气中会进行化学反应，如光化学反应和氧
化反应，从而被转化为其他化合物，如臭氧和二氧化碳。
2. 生物降解：许多微生物能够利用甲烷作为能量来源，通过甲烷脱氢
酶等酶类催化将甲烷转化为甲酸、甲醛等有机化合物。
3. 海洋吸收：一部分甲烷进入海洋，被大气中的氧化剂氧化为其他化
合物，或者被微生物降解。
总之，甲烷的源主要包括生物体代谢、沉积物分解和人类活动，而汇
则包括大气化学反应、生物降解和海洋吸收等过程。
这些源和汇的相互作用影响了大气中甲烷的浓度和持久性。
⽣物产甲烷的⽣化代谢途径现状及问题产甲烷⽣化代谢途径研究进展*⽅晓瑜1,2,3李家宝1,4,5芮俊鹏1,4,5李⾹真1,4,5**1中国科学院环境与应⽤微⽣物重点实验室, 成都⽣物所, 成都6100412中国科学院成都⽣物研究所环境微⽣物四川省重点实验室, 成都6100413中国科学院⼤学, 北京1000494中国科学院⼭地⽣态恢复与⽣物资源利⽤重点实验室, 成都⽣物所, 成都6100415⽣态系统恢复与⽣物多样性保育四川省重点实验室, 成都⽣物所, 成都610041摘要微⽣物产甲烷过程产⽣的甲烷约占全球甲烷产量的74%。
产甲烷过程对⽣物燃⽓⽣产和全球⽓候变暖等都有重要的意义。
本⽂综述了产甲烷菌的具体⽣化代谢途径，其本质是产甲烷菌利⽤细胞内⼀系列特殊的酶和辅酶将CO2或甲基化合物中的甲基通过⼀系列的⽣物化学反应还原成甲烷。
在这⼀过程中，产甲烷菌细胞能够形成钠离⼦或质⼦跨膜梯度，驱动细胞膜上的ATP合成酶将ADP转化成ATP以获得能量。
根据底物类型的不同，可以将该过程分为三类：还原CO2途径、⼄酸途径和甲基营养途径。
还原CO2途径是以H2或甲酸作为主要的电⼦供体还原CO2产⽣甲烷，其中涉及到⼀个最新的发现—电⼦歧化途径；⼄酸途径是⼄酸被裂解产⽣甲基基团和羧基基团，随后，羧基基团被氧化产⽣电⼦供体H2⽤于还原甲基基团；甲基营养途径是以简单甲基化合物作为底物，以外界提供的H2或氧化甲基化合物⾃⾝产⽣的还原当量作为电⼦供体还原甲基化合物中的甲基基团。
通过这三种途径产甲烷的过程中，每消耗1mol底物所产⽣ATP的顺序为还原CO2途径>甲基营养途径>⼄酸途径。
由于产甲烷菌⾃⾝难以分离培养，未来将主要通过现代的⽣物技术和计算机技术，包括基因⼯程和代谢模型构建等最新技术来研究产甲烷菌的⽣化代谢过程以及其与其他菌群之间的相互作⽤机制，以便将其应⽤于⽣产实践。
关键词：产甲烷菌；⽣化代谢；还原CO2途径；⼄酸途径；甲基营养途径CLC Q939.99收稿⽇期Received: 接受⽇期Accepted:*国家重点基础研究发展规划资助项⽬（973项⽬，2013CB733502）；国家⾃然科学基⾦资助项⽬（31300447，41371268）资助Supported by State Key Basic R & D Program of China (973 Program, No. 2013CB733502 ), the National Natural Science Foundation of China (No. 31300447，41371268).**通讯作者Corresponding author (E-mail: lixz@/doc/16e0bd4b30126edb6f1aff00bed5b9f3f80f7230.html )Biochemical pathways of methanogenesis*FANG Xiaoyu1,2,3, LI Jiabao1,4,5 RUI Junpeng1,4,5 & LI Xiangzhen1,4,5**,1Key Laboratory of Environmental and Applied Microbiology, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, 610041, PR China2Environmental Microbiology Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, 610041, PR China3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, PR China4Key Laboratory of Mountain Ecological Restoration and Bioresource Utilization, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, PR China 5 Ecological Restoration Biodiversity Conservation Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, PR ChinaAbstractMicrobial methanogenesis accounts for approximately 74% of natural methane emission. The processes play major roles in global warming and are important for bioenergy production. This paper reviews the biochemical pathways of methanogenesis. It is currently accepted that methanogenesis proceeds via three biochemical pathways depending on the carbon sources, including hydrogenotrophic, aceticlastic, and methylotrophic methanogenesis. Multiple enzymes and coenzymes are involved in the processes, during which Na+ or proton gradient is created across the cell membrane, contributing to limited A TP synthesis. In the hydrogenotrophic pathway, CO2 is reduced to methane with H2 or formate as an electron donor. In the aceticlastic pathway, acetate is split into methyl and carboxyl group, then the carboxyl group is oxidized to produce H2 which is used as the electron donor to reduce methyl group. In the methylotrophic pathway, methyl group is reduced with external H2or reducing equivalent from the oxidation of its own methyl group. The A TP gains per mole substrate for different pathways are as follows: hydrogenotrophic > methylotrophic > aceticlastic pathway. Due to the unculturability of most archaeal methanogens, new technologies, such as bioinformatics, gene engineering and modelling, could be applied to investigate the biochemical pathways of methanogenesis, and the relationship between methanogens and other microbial communities.Keywords methanogen; methanogenesis; biochemical pathways; CO2-reducing; methylotrophic; aceticlastic methanogenesisCLC Q939.99产甲烷菌在地球碳循环中扮演着重要⾓⾊，是有机物厌氧降解的末端功能类群，能够将有机碳转化为甲烷。
甲烷生产机制甲烷是一种无色、无味的天然气，主要存在于地下沉积物中，是一种常见的烃类化合物。
甲烷的生产机制涉及多个环节，包括生物合成和非生物合成两种方式。
从生物合成角度来看，甲烷是由一些特定的微生物通过生物反应合成的。
这些微生物被称为甲烷菌，它们属于厌氧菌的一种。
厌氧菌是一类在缺氧环境下生活的微生物，它们能够利用有机物质进行代谢，并产生甲烷。
甲烷菌主要存在于湿地、沼泽和海洋等环境中，这些环境中通常有大量的有机物质。
在这些环境中，甲烷菌通过一系列的代谢反应将有机物质分解为甲酸、乙酸等中间产物，最终产生甲烷气体。
这一过程被称为甲烷发酵。
甲烷发酵是一种复杂的生物反应过程，需要多个酶的参与。
其中，最重要的酶是甲烷合酶，它能够将甲酸和乙酸转化为甲烷。
除了生物合成，甲烷的生产还可以通过非生物合成的方式实现。
非生物合成是指在无生物介入的情况下，通过物理或化学反应来合成甲烷。
非生物合成主要分为两种类型：热合成和光合成。
热合成是指在高温和高压条件下，通过热解反应将碳氢化合物转化为甲烷。
这种方法通常用于工业生产中，例如利用天然气和煤炭来生产甲烷。
在热合成过程中，碳氢化合物中的碳和氢原子会重新排列，形成甲烷分子。
光合成是指在光照条件下，利用光能将二氧化碳和水转化为甲烷。
这种方法主要发生在自然界中，例如在海洋中的浮游植物中。
浮游植物通过光合作用将二氧化碳和水转化为有机物，其中一部分有机物会被一些微生物进一步代谢，产生甲烷。
总的来说，甲烷的生产机制涉及到生物合成和非生物合成两种方式。
生物合成主要通过甲烷菌的生物反应来合成甲烷，而非生物合成主要通过热合成和光合成反应来合成甲烷。
这些合成过程都是在特定的条件下进行的，需要相关的物质和能量参与。
甲烷的生产机制不仅对于了解地球化学循环有着重要的意义，也为甲烷在能源领域的利用提供了基础。
产甲烷菌分离纯化过程中存在的问题分析由于产甲烷古菌是一类特殊的单细胞微生物，属于严格厌氧的古细菌，对氧极其敏感，并且多生活在极端的环境中，生长极其缓慢，产甲烷菌的纯培养物传代时长有时可达半年，并且它们不能利用复杂的有机物作为能源，只能利用甲酸钠、乙酸钠、H2、CO2、甲醇、乙二醇和丙二醇等简单物质进行能量代谢，这就极大限度的限制了产甲烷菌的培养，从而加大了产甲烷菌的分离纯化难度。
本论文主要是从以下几个方面对产甲烷菌分离纯化过程中存在的问题进行简单的综述。
1培养与分离较困难产甲烷菌都是严格厌氧菌，对氧极其敏感，在遇到氧气后，产甲烷菌的生长会受到抑制，有时停止生长，有时甚至引起菌体死亡[1]。
亨盖特认为产甲烷菌在氧化还原电势在-320mV以下能够正常生长。
为什么氧对厌氧微生物有毒性？是与其体内的酶的种类和数量有关。
由于在好氧微生物和兼性厌氧微生物的体内既含有过氧化氢酶又含有超氧化物歧化酶，虽然有少数几种专性好氧菌不具有过氧化氢酶，但超氧化物歧化酶在好氧微生物中是必不可少的，而在专性厌氧微生物中，这两种酶几乎是没有的，所以氧对严格厌氧菌来说是有毒性的[2]。
由于产甲烷菌是严格厌氧菌，因此其培养条件必须达到严格无氧的条件。
杨光详细地阐述了产甲烷菌的生物学特征，反映出产甲烷菌的培养与分离都极其不容易[3]。
著名微生物学家Hungate培养分离获得纯的产甲烷菌取得成功，并建立了比较完善的严格厌氧菌的培养分离方法。
后经过很多名针对产甲烷菌进行分离的研究者的不断实践，对Hungate分离方法进行了改良。
使我们现在能比较容易的分离到纯的产甲烷菌。
2生长繁殖所需时间长菌落形态和菌体形状极难分辨产甲烷菌的生长十分缓慢。
在人工培养的条件下，用液体培养基培养，产甲烷菌一般需要十几天甚至几十天才能传代1次；而在固体培养基中，往往需要1个月甚至几个月才能长出肉眼可见的单菌落，且菌落较小，尤其是八叠球菌，菌落又小，又透明，并且菌落边缘很整齐[4]，如果不仔细观察，很难发现它。
生物转化生甲烷技术的研究与应用甲烷是一种重要的天然气体，具有广泛的工业和能源应用价值。
相比于化石能源的开采和利用，生物甲烷的生产具有较低的环境影响和更为可持续的特点。
因此，研究和发展生物转化生甲烷技术已经成为了一个热门的领域。
生物转化生甲烷技术是指通过微生物代谢产生的废物（如有机废弃物或污水）经过一定的处理工艺，最终生产出甲烷气体的过程。
这种方法不仅可以有效地处理废物，而且还可以转化为一种有价值的能源源。
生物转化生甲烷技术的发展经历了多个阶段。
最初的研究集中在单一微生物的代谢过程上，例如产甲烷菌，这类菌种可以将有机物质转化为甲烷气体。
随着研究的不断深入，科学家开始探索多菌种联合代谢的有效性，发现这种方法可以提高甲烷的产量和生产效率。
目前，生物转化生甲烷技术的应用主要包括两个方面：生物甲烷生产和废弃物处理。
在生物甲烷生产领域，生物甲烷可以作为一种清洁、绿色的能源代替传统的化石燃料和天然气。
生物甲烷可以应用于热力发电、低压加气站以及生活燃气等领域。
与此同时，在废弃物处理领域，生物转化生甲烷技术可以有效地降低污染物的排放，促进环境保护和可持续发展。
生物转化生甲烷技术在实际应用中还存在一些挑战和瓶颈。
生物甲烷的生产及处理需要精确、复杂的控制参数，包括反应温度、反应pH、氧化还原电位等，这些参数对于不同的微生物代谢路径有不同的要求，并且极度敏感性和容忍性不同。
因此，为了实现更高效，更稳定的甲烷生产，需要不断优化和完善生产过程的各个环节，同时，选择合适的微生物代谢路径也是非常重要的。
此外，生物转化生甲烷技术的成本与传统化石燃料和天然气相比还比较高，因此，技术的实际应用还需要不断降低成本和提高产出效率。
综上所述，生物转化生甲烷技术是一种可持续发展的绿色能源和环境保护技术。
随着技术的不断发展和完善，其应用范围和效果将会得到更大的提升。
未来，我们可以期待更多的生物转化生甲烷技术的研究和应用，在为人类社会提供清洁能源的同时促进环境保护。
产甲烷过程是指有机物质在厌氧条件下，被产甲烷菌转化成甲烷和二氧化碳的过程。
这个过程是全球甲烷排放的主要来源之一，因此对产甲烷过程的研究非常重要。
产甲烷过程的原理是厌氧消化，其中有机物质通过一系列的生化反应被分解成简单的气体和液体。
这个过程可以分为四个阶段：水解阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。
其中，产甲烷阶段是整个厌氧消化过程的关键阶段，涉及到有机物质的最终转化。
产甲烷菌是产甲烷过程的主要微生物，它们是一类非常特殊的古菌，能够在没有氧气的环境中生存并利用有机物质。
产甲烷菌通过将有机物质转化成甲烷和二氧化碳来获取能量，这个过程需要氢气作为还原剂。
因此，产甲烷菌在产甲烷过程中起着至关重要的作用。
对产甲烷过程的研究可以通过实验室内模拟厌氧消化过程来进行。
研究人员可以通过控制不同的反应条件，如温度、pH值、有机负荷等，来研究产甲烷菌的生长和代谢特性。
此外，还可以通过基因组学、蛋白质组学和代谢组学等技术手段来研究产甲烷菌的分子生物学特性，进一步深入了解其生长和代谢机制。
总的来说，对产甲烷过程的研究有助于深入了解全球气候变化和环境污染问题，同时也有助于开发更有效的厌氧消化技术，实现有机废弃物的资源化利用。
产甲烷菌的生化代谢途径与基因改造-微生物论文-生物学论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——产甲烷菌在地球碳循环中扮演着重要角色，是有机物厌氧降解的末端功能类群，能够将有机碳转化为甲烷. 它们广泛分布于地球的无氧环境中，从土壤到湖泊沉积物，从陆地到海洋，从零下的低温环境到100 ℃以上的高温环境，都有产甲烷菌的存在. 进化研究表明产甲烷菌是地球上最为古老的菌群，目前有两个不同的假说均认为产甲烷菌是真核生物的祖先[1-2]. 与细菌和真核生物相比，产甲烷菌以甲烷作为其厌氧呼吸终产物，具有更加独特的生化代谢特性. 另一方面，甲烷作为一种清洁能源，正越来越受到关注[3]. 同时，甲烷的高红外吸收以及对臭氧层的影响使之成为第二大温室效应气体，其产生的温室效应是CO2的20-30倍[4-5]. 目前全球的甲烷排放量约为5109-6109kg/年[6]，其约74%的甲烷排放来自生物产甲烷[7]，大气中的甲烷含量正以每年2%的速度递增[8]. 因此研究产甲烷菌的生化代谢途径不仅能够增加我们对古菌特殊代谢途径的了解，而且能够为解决全球能源紧缺以及气候变暖等问题提供理论依据. 产甲烷菌能够利用的底物非常有限，仅能够利用CO2、乙酸和简单甲基化合物这3类物质作为碳源产甲烷. 本文即综述产甲烷菌利用这3类底物产甲烷的具体代谢过程，详细阐述其中涉及到的能量转化过程、电子传递途径以及参与的关键酶和辅酶，介绍最新发现的电子歧化途径，即包含FDA蛋白的复合体介导电子在脱氢酶和氧化还原酶之间转移，从而完成能量储存的过程；同时还对目前通过一些新技术和新方法对产甲烷菌生化代谢过程研究的进展情况予以总结.1 产甲烷菌的特点产甲烷菌是严格厌氧的原核生物，是已知的唯一一种能够代谢产甲烷的生物. 系统发育学上属于古菌域广古门菌门（Euryarchaeota）[9]. 已知的产甲烷菌分为7个目：甲烷杆菌目（Methanobacteriales）、甲烷球菌目（Methanococcales）、甲烷微菌目（Methanomicrobiales）、甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）、甲烷火球菌目（Methanopyrales）、Methanocellales和Methanoplasmatales（图1）. 前5个目中已经分离到很多纯菌种，研究较多[8]. Sakai等于2008年从稻田里分离得到了一种仅利用H2或甲酸还原CO2生长产甲烷的菌株，提出了Methanocellales目[10]；Paul等于2012年在白蚁肠道中分离得到的一种与热原体目类似的菌，仅能够利用甲醇作为底物生长产甲烷，于是提出了Methanoplasmatales 目[11].产甲烷菌分布广泛，主要存在于厌氧生态系统中，如：（1）湖泊、沼泽湿地、水稻田、污泥等；（2）生物体内，如反刍动物的瘤胃和人类、昆虫等的肠道内；（3）土壤中的厌氧团粒，如森林中的土壤团粒；（4）人工生物降解设施，如沼气池和生物反应器；（5）一些极端环境，如热泉、含硫热液口、水底的热流等[8, 13-14]. 尽管产甲烷菌在自然界中分布广泛，但其不能利用复杂的有机物作为能量来源，仅能够利用几种简单化合物作为产甲烷的底物，这些物质主要是CO2、乙酸和简单甲基化合物. 根据其利用的底物可以将产甲烷菌分为3类：（1）还原CO2型，主要利用H2、甲酸作为电子供体还原CO2产甲烷，例如Methanobrevibacter[15]；（2）甲基营养型，通过H2还原甲基化合物中的甲基产甲烷或通过甲基化合物自身的歧化作用产甲烷，例如Methanococcus[16]；（3）乙酸型，通过裂解乙酸，将乙酸的羧基氧化为CO2，甲基还原为甲烷，例如Methanosaeta[17-18]. Methanococcales、Methanobacteriales、Methanomicrobiales和Methanopyrales目中几乎所有的甲烷菌都利用H2和CO2途径产甲烷，其中很多种也利用甲酸.Methanosarcinales由甲基营养型甲烷菌构成，利用含甲基的化合物如乙醇、甲胺等，其中Methanosarcina和Methanosaeta属能够利用乙酸，有些种还可以同时利用H2/CO2，是代谢多样性最高的甲烷菌群. 多数甲烷菌是中温菌，但也有些为嗜热菌和耐低温菌.2 产甲烷菌的生化代谢途径甲烷菌的产甲烷过程包括一系列步骤，有众多酶参与（图2），最终将CO2或C1化合物中的甲基还原成CH4.2.1 关键酶2.1.1 辅酶生物产甲烷过程需要多种酶和辅酶共同参与.这些辅酶根据其功能的不同可以分为两类，一类是C1的携带者，主要包括甲烷呋喃（MF）、四氢甲烷蝶呤（H4MPT）、四氢八叠甲烷蝶呤（H4SPT）、辅酶M（HS-CoM）. 另一类是电子载体，主要包括铁氧化还原蛋白（Fd）、辅酶B（HS-CoB）、辅酶F430、细胞色素、FAD、甲烷吩嗪（MP）、辅酶F420[18-20]. 下面就生物产甲烷过程中的几种特殊辅酶进行简单介绍.MF包含一个呋喃环和一个氨基基团，其中氨基碳用于结合CO2；H4MPT和H4SPT类似，均为四氢叶酸的衍生物，用于甲酰、甲叉和甲基水平上C1的转移，其转移方式与四氢叶酸类似[21]. HS-CoM 是辅酶中分子量最小的一种，化学名称为2-巯基乙磺酸（HS-CH2CH2SO3-）[22]，在甲基转移酶的作用下巯基上的氢原子被甲基基团，是甲烷形成过程中的末端甲基载体. HS-CoB的化学名称为磷酸-7-巯基庚基苏氨酸（7-mercaptoheptanoylthreonine phosphate），它包含一个巯基和磷酸基团，其中巯基为其活性部位. 辅酶F430是一种位于细胞膜上的含镍的类卟吩（Porphinoid）化合物，其中Ni为其活性中心，它具有3个价态（+1、+2和+3），通过这3个价态的相互转变实现电子的转移[23]. MP是一种仅存在于甲烷八叠球菌目中的一种辅酶，其功能与其它细菌呼吸链中的醌类相似[20, 23]. 辅酶F420是一种去氮黄素衍生物，其在波长为420 nm的紫外光下发出蓝绿色荧光，可以利用这一特点初步鉴定是否存在产甲烷菌细胞[24-25]. 辅酶F420的电势较低，既可作为氢化酶、甲酸脱氢酶和一氧化碳脱氢酶的电子受体，又可作为NADP+还原酶的电子供体[26].2.1.2 关键酶图2中反应（12）和反应（13）是生物产甲烷过程有的步骤. 其中反应（12）是生物产甲烷过程的最后一步，它是由含镍的甲基辅酶M还原酶（Mcr）催化，以HS-CoB为直接的电子供体还原CH3-S-CoM产生甲烷和CoB-S-S-CoM的过程. 甲基辅酶M 还原酶是产甲烷菌所特有的一种酶（除甲烷营养型古菌外）[28]. 因此，编码Mcr其中的一个亚基基因（mcrA）可用于产甲烷菌的分类学研究[29-31]. Mcr由、和三种不同的亚基组成一个（）2六聚体结构，同时，每分子Mcr中含有2分子位于酶的活性中心的含镍辅酶F430[32-33]. 目前通过对该酶的晶体结构分析推测该酶的催化过程分为3步，Ni(I)亲核攻击CH3-S-CoM形成中间产物HS-CoM和[F430]Ni(III)-CH3，随后，Ni(III)氧化HS-CoM形成硫自由基（Thiylradical）S-CoM和[F430]Ni(II)-CH3，最后，HS-CoB作为电子供体还原S-CoM形成CoB-S-S-CoM并将多余的电子转移给Ni（II）产生Ni（I），H+裂解[F430]Ni(II)-CH3产生甲烷[18, 34]. Mcr具有两种系统发育不同的同工酶，分别为McrI和McrII. Sabine等通过对Methanobacterium thermoautotrophicum的研究发现，该菌中同时具有两种Mcr，在H2浓度高时，该菌以McrII为主，而在氢浓度低时，主要以McrI为主起催化作用[35]. 后期研究表明M. thermoautotrophicum中编码这两种同工酶的操纵子在该菌的生长初期主要编码合成McrII，而在该菌的生长后期则主要编码合成McrI，但对这个过程的具体机制目前还不清楚[36-37].反应（13）也是所有生物产甲烷所必需的. 其中CoB-S-S-CoM 可以被视为产甲烷过程的末端电子受体，它被异质二硫化物还原酶（Hdr）还原，重新释放出HS-CoB和HS-CoM，其反应方程式为CoB-S-S-CoM + 2e-+ 2H+CoB-SH + CoM-SH[38]. Hdr是一种与膜相结合的蛋白，目前发现有两种类型，一类是从Methanosarcina barkeri中分离得到的HdrED，它由一个细胞色素，两个嵌膜的Hdr亚基组成[39]. HdrED在还原CoB-S-S-CoM时以H2、F420H2或Fdred作为电子供体，通过细胞色素和甲烷吩嗪来传递电子，在这个过程中会消耗细胞质中的质子，产生跨膜质子梯度用于合成ATP. 这种酶对于利用乙酸的产甲烷菌是必须的. 另一类是从Methanothermobacterthermoautotrophicum和Methanothermobacter marburgensis中分离得到的HdrABC. 含有HdrABC的甲烷菌能够利用CO2+ H2生长，不能合成细胞色素和甲烷吩嗪[40]. Thauer等利用模型推测，在这些没有细胞色素的产甲烷菌中存在由HdrABC中的黄素（Flavin）介导的电子歧化（Bifurcation）过程，认为HdrABC不直接参与能量的储存，而是与产甲烷过程第一步中的铁氧化还原蛋白（Ferredoxin）的还原过程相偶联，产生钠离子梯度，用于ATP的合成[19]. Buckel等对这个过程进行了详细阐述[41]，具体过程见图 3. Buan等通过对5种Methanosarcinales进行测序发现，这些菌株的基因组中含有hdrED基因，也包含hdrACB基因，但是通过生化方法在Methanosarcinales中还未发现HdrABC；他们推测要么HdrED或HdrABC对细胞的生长条件存在偏好性，要么HdrED或HdrABC具有特殊的生理功能[42].2.2 生化代谢过程2.2.1 还原CO2途径还原CO2途径广泛存在于自然界中，除少数几种产甲烷菌没有还原CO2途径外，绝大多数产甲烷均可以利用该途径产甲烷[19]. 在还原CO2途径中，绝大部分产甲烷菌以H2作为电子供体，在氢酶作用下将电子传递给Fdox还原CO2，因此这些菌又被称作氢营养型产甲烷菌（Hydrogenotrophic methanogen）. 大多数产甲烷菌也能够利用甲酸作为电子供体还原CO2，它们通过依赖F420的甲酸脱氢酶和F420还原性氢酶将4分子甲酸转化为4CO2和4H2，再利用H2和CO2产甲烷[43]. 也有少数产甲烷菌利用CO作为电子供体，在这个过程中3CO先被氧化为3CO2产生电子，用于CO2还原产甲烷[44-45]. 下面就氢营养型产甲烷菌的生化过程进行详细介绍.在图2中，反应（1）至（5）是利用H2还原CO2途径的反应过程. 反应（1）至（4）由位于细胞质中的酶复合体催化；反应（5）是由位于细胞膜上的蛋白复合体催化. 反应（1）由甲酰甲烷呋喃脱氢酶（Fdh）以还原的铁氧化还原蛋白（Fdred）作为电子供体，还原CO2为甲酰基共价连接于甲烷呋喃（MF）的氨基基团形成CHO-MF 和氧化的铁氧化还原蛋白（Fdox）[46]，Fdox随后利用H2作为电子供体，在能量转化[NiFe]氢酶（Ech）的催化下产生Fdred，这个过程需要消耗能量或需要反向电子流（Reverse electron transfer）. 不同产甲烷菌的Fdh的结构具有一定的差异，但是其催化功能基本相似[47]. 接下来四氢甲烷蝶呤甲酰转移酶催化甲酰甲烷呋喃上的甲酰基转移到H4MPT的N5基团上形成CHO-H4MPT [反应（2）]. 随后甲酰四氢甲烷蝶呤环化水解酶和甲酰四氢甲烷蝶呤脱氢酶催化完成反应（3）. 其中甲酰四氢甲烷蝶呤脱氢酶（Mtd）根据其利用的电子供体分为两类：一类是辅酶F420依赖型，以辅酶F420H2作为电子供体[48]；另一类是H2依赖型，以H2作为电子供体. 随后由甲酰四氢甲烷蝶呤还原酶以辅酶F420H2作为电子供体催化完成反应（4）. 研究发现该酶是辅酶F420依赖型酶，由一个亚基组成，没有检测到辅基[49-50]. 最后辅酶M甲基转移酶（Mtr）催化完成反应（5）将甲基基团转移到HS-CoM的硫醇基上形成CH3-S-CoM，伴随着甲基的转移会产生钠离子梯度，用于ATP的合成[51]. Mtr是由mtrECDBAFGH操纵子编码的，由8个亚基组成的嵌膜蛋白复合体[52]. 其中亚基MtrA中含有一个钴胺素（I）辅基，它在催化循环中不断地被甲基化和去甲基化，去甲基化的过程中伴随着钠离子被泵出细胞膜，产生钠离子梯度[53]；从Mtr复合体中分离得到的MtrH能够利用CH3-H4MPT催化自由钴胺素（I）辅基转变为甲基化的钴胺素（I）辅基[54]；亚基MtrE被认为能够将MtrA中的类咕琳（Corrinoid）辅基上的甲基基团转移到辅酶M 的巯基上，该反应是依赖钠离子的反应[55].2.2.2 乙酸途径自然界中约2/3的生物产甲烷来自于乙酸途径，然而仅Methanosarcina和Methanosaeta能够利用乙酸途径产甲烷[27]. 它们通过裂解乙酸，还原甲基碳产CH4，同时氧化其羧基碳产生CO2. 在乙酸转变为乙酰辅酶A的过程中，这两种产甲烷菌具有不同的反应机制. Methanosarcina通过乙酸激酶[催化反应（7）]和磷酸转乙酰酶[催化反应（8）]利用1分子ATP催化乙酸转变为乙酰辅酶A；而Methanosaeta则通过乙酰辅酶A合成酶利用2分子ATP催化乙酸转变为乙酰辅酶A[56]. 乙酰辅酶A再由一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合成酶复合体（Codh/Acs）催化以Fdox作为电子受体完成反应（9），产生CO2和CH3-H4SPT. Codh/Acs是解乙酸途径中的关键酶，用于剪切乙酰辅酶A上的CC和CS键. 在将甲基基团转移到H4SPT上形成CH3-H4SPT的同时，利用Fdox作为电子受体氧化CO产生CO2和Fdred，并将甲基基团转移到H4SPT上形成CH3-H4SPT. 不同的产甲烷菌所具有的Codh/Acs结构有所差别，Methanosarcina thermophila 中该酶由5个亚基（、、、、）组成，包含和亚基组成的Ni/Fe-S、和亚基组成的Co/Fe-S以及亚基这3个部分[57]；M. barkeri中的Codh/Acs 与其结构相似[58-59]，但它包含一个独特的类咕琳蛋白，推测其功能为接收甲基基团[60]；而在Methanothrix soehngenii中仅由一个类似M.thermophila中Ni/Fe-S部分的22组成[61]. 产生的Fdred在Ech的催化下产生H2和Fdox用于后续反应，这个过程伴随着离子梯度的产生. 反应（9）中产生的CO2可以在碳酸酐酶的作用下与H2O反应生成碳酸[反应（10）]，这个过程可以移去细胞质内多余的CO2，增加产甲烷的效率. 随后四氢八叠甲烷蝶呤甲基辅酶M转移酶催化完成反应（11）产生CH3-S-CoM，这个过程与反应（5）相似，也能够产生钠离子梯度，用于合成ATP.2.2.3 甲基营养途径自然界中，仅甲烷八叠球菌目以及甲烷球菌目中的Methanosphaera能够利用甲基营养途径产甲烷[27].该途径包含两种代谢模式，第一种为H2依赖型代谢模式，它以H2作为电子供体，还原甲基化合物中的甲基基团产甲烷[62-63].第2种模型为严格的甲基营养型，一部分甲基化合物被氧化产生CO2以及还原当量，用于还原甲基化合物中的甲基基团产甲烷[18, 21]. 这也是大多数甲基营养型产甲烷菌的代谢途径，它们仅以甲基化合物为底物产甲烷，具体反应过程见图2.甲基化合物首先在特殊的辅酶M甲基转移酶系统（Mt）的作用下以HS-CoM作为电子供体，将甲基基团转移到HS-CoM的巯基上产生CH3-CoM [反应（6）]. 不同的底物所对应的Mt不同，甲基营养型产甲烷菌能够利用的底物主要包括甲醇（Mta）[ ]、一甲胺（Mtm）[65]、二甲胺（Mtb）[66]、三甲胺（Mtt）[67]、甲硫醇（Mts）[68]. 每种Mt均包含一个具有底物特异性的类咕琳蛋白和两个不同的甲基转移酶，分别表示为MT1（MtaB、MtmB、MtbB和MttB）和MT2（MtaA、MtbA和MtsA），其中MT1催化还原态的类咕琳蛋白甲基化，MT2催化类咕琳蛋白上的甲基基团转移到HS-CoM上，仅二甲硫醚所具有的Mt是由两个相同的MtsA组成[69-70]. 通过对这些甲基转移酶系统的基因序列对比分析发现，MT2蛋白序列具有高度相似性，其活性中心均含有锌，同时其对应的类咕琳蛋白的序列也具有一定的相似性，而用于激活底物的MT1蛋白不具有系统发育相似性[23].随后，在H2存在的条件下，CH3-CoM利用H2作为电子供体经反应（12）和（13）产甲烷；在没有H2的条件下，一部分CH3-CoM 经过反应（4）至反应（1）的逆反应被氧化产生CO2、F420H2和H2，另一部分CH3-CoM利用F420H2和H2作为电子供体经反应（12）和（13）产CH4.2.3 能量产生比较产甲烷菌的能量产生主要依赖于钠离子或质子跨膜梯度，驱动位于细胞膜上的ATP合成酶将ADP转化成ATP，反应（1）、（5）、（9）、（11）、（12）、（13）与钠离子或质子转运相偶联. 不同途径生物产甲烷过程的总反应方程式及其自由能见表1，其中还原CO2产甲烷途径产生的净能量最高，甲基营养型次之，乙酸途径最低.在绝大多数产甲烷过程中，甲基转移过程是能量储存的关键步骤，它能够直接驱动钠离子异位. 然而甲基营养型和氢营养型产甲烷菌的能量储存过程存在一定的差异[71]. 甲基营养型甲烷菌具有细胞色素和一个质子移位电子传输链，它们用于在反应最后储存产甲烷过程中释放的能量. 而氢营养型产甲烷菌不具备这些组分，同时，其反应第一步[反应（1）]是耗能反应，还不清楚在能量储存过程中如何获得反应（1）所需的能量. 近期，Thauer等提出了电子歧化机制（即释能的电子流动直接驱动耗能的电子流动）来解释这个问题[19]. 它们将利用H2/甲酸还原CO2产甲烷的途径根据菌体中是否含有细胞色素分为两类（I类：不含细胞色素；II类：含有细胞色素）. 总体而言，这两类途径中涉及到能量消耗过程均为反应（1），储能的过程均为反应（5）、（12）、（13）. 但是这两类途径在反应（1）和反应（13）的能量消耗和储存过程中存在一定的差异. I类途径利用黄素介导的电子歧化过程，利用Ech和Hdr酶复合体以及黄素蛋白和Fd作为电子载体，将反应（1）Fdox的还原过程（耗能过程）与反应（13）异质二硫化物的还原过程（产能过程）偶联在一起，并产生钠离子梯度[41].II类途径反应（1）和反应（13）进行. 反应（1）所需的能量直接由钠离子所产生的电化学电势提供，反应（13）利用甲烷吩嗪还原性氢酶氧化H2，并且以甲烷吩嗪和细胞色素作为电子载体，还原CoB-S-S-CoM，这个过程会产生钠离子梯度[23]. II类途径产生的能量略高于I类途径[19].对比表1数据可知，在甲基营养型产甲烷途径中，利用甲醇产甲烷过程中产生的净能量相对于其它甲基化合物更高，并且含氮的甲基化合物所产生的能量相近，但是都明显低于还原CO2途径. 甲基营养途径中，由于产生CO2的过程是反应（5）至反应（1）的逆反应，故产生CO2的过程是耗能反应[27].因此甲基营养途径产生的净能量低于还原CO2途径.对于乙酸途径，其消耗能量的过程为反应（7），至少需要1个ATP用于活化乙酸；其能量产生的过程为反应（9）、（12）和（13），其中反应（12）和（13）产生的能量与另两个途径相近，而反应（9）产生的能量较低，从而导致其为产生净能量最低的产甲烷途径.3 产甲烷菌的基因改造及代谢模型近年来，通过传统研究方法主要包括菌种分离技术、酶分离技术、同位素示踪等方法已分离了约208个产甲烷菌种，研究了其生理特征、关键酶以及电子传递过程等，对产甲烷菌的基本代谢途径已经有了深入系统的认识. 但是，自然界中仍然还存在许多难以分离的产甲烷菌，其可能具有某些特殊的代谢途径. Andrew等在海洋沉积物中分离到3株Methanococcoides，它们能够通过部分脱甲基化作用，利用甜菜碱作为底物产甲烷[72]. 同时，由于部分产甲烷菌中的酶难以分离，因此一些认识是基于生物信息学比对或理论推测得到的.随着基因改造、基因组测序、转录组测序和生物信息学等新技术的发展，对产甲烷菌的代谢途径和过程调控的认识已越来越深入全面. Methanococcus和Methanosarcina这两个属分别代表H2/CO2和甲基营养（包括乙酸）途径，对这两个属已经开发了一些遗传工具，研究其生化代谢和遗传特征，包括可复制的穿梭载体[73-74]、反选择[75-76]和异位整合[75, 77]等基因操作技术. Farkas等对古菌基因工程技术的方法及应用进行了总结[78]. 基因工程改造不仅可以拓宽产甲烷菌的代谢底物[79]，也有助于发现新的代谢途径[80]. Daniel等通过基因工程的方法成功地将好氧细菌Pseudomonas veronii中的酯酶（可以水解多种酯键）基因转入Methanosarcina acetivorans菌中，取得了良好的效果，使得产甲烷菌能够利用乙酸甲酯和丙酸甲酯产甲烷[81]. Welander等通过对Methanosarcinabarkeri中一系列涉及产甲烷途径中编码C1氧化/还原酶的基因进行突变研究，发现当甲醇和乙酸同时作为底物时，产甲烷的过程中存在一个新的Mtr/Mer代谢旁路[80]. Rotaru等通过宏转录组等手段分析啤酒厂废水处理器中的菌群结构后，提出Geobacter和Methanosaeta这两种菌种间存在一种新的种间电子传递途径，即直接的电子传递途径（DIET）[82]，打破了传统的观念，即产甲烷菌与其他菌群种间电子传递必须由H2或甲酸作为电子传递载体. 另一方面，代谢模型重组方法的提出使得利用计算机对产甲烷的生化代谢过程进行模拟、构建和预测成为可能. Adam等首先基于代谢底物最为广泛的Methanosarcina barkeri基因组构建了生物产甲烷的代谢重组模型[83]，与现有的实验数据具有较高的相似度，证明了代谢重组可以用于古菌代谢状况的模拟和构建. Gonnerman等在此基础上，利用现有的数据对其进一步进行了完善[84].Kumer等对基因组最大的古菌Methanosarcina acetivorans进行了代谢模型构建，其准确率达到了93.3%[85]. Oberhardt等[86]对基因组代谢重组的具体方法以及应用进行了详细总结. 目前已测序的产甲烷菌大约有32个种，然而对产甲烷菌的生理生化性质研究并不完整，基因代谢模型重组方法的预测还存在一定的偏差，但是，该方法在研究生物产甲烷代谢途径方面具有较大的发展前景.4 结论与展望产甲烷菌生长在严格厌氧的环境中，具有独特的生物化学代谢途径，但由于产甲烷菌难于分离培养，也难于对其进行遗传改造，加上产甲烷菌自身的代谢也相当复杂. 因此，目前对于产甲烷菌的生化代谢过程及调控还有很多工作要做.本文对目前的研究状况进行了总结，认为未来对产甲烷菌的研究将主要集中在以下几个方面：（1）产甲烷菌的生理生化特征研究，包括高效产甲烷菌的分离以及产甲烷菌中关键酶的研究等；（2）利用新技术和新方法发现、改造及模拟生物产甲烷的代谢通路；（3）产甲烷菌的生态学研究，如利用各种分子生物学技术，研究环境中产甲烷菌的分布、与其它菌群的关系及对全球变化的响应机制.。
环境报告编制甲烷引言甲烷是一种常见的温室气体，在气候变化和环境污染方面起着重要的作用。
本篇环境报告将就甲烷的来源、影响以及应对措施进行详细分析，旨在提高人们对甲烷问题的认识，并促进环境保护行动的开展。
甲烷的来源甲烷的主要来源可以分为自然和人为两类。
自然来源自然情况下，甲烷主要来自以下几个方面：1.沼气产生：湿地和河流等处的有机物分解过程中会产生大量甲烷；2.生物排放：动物的消化过程中会产生甲烷，尤其是牛羊等反刍动物；3.天然气释放：地下天然气储层的泄漏会释放甲烷；4.海洋排放：浮游生物和水下腐败过程也会产生甲烷。
人为来源人类活动也成为甲烷的重要来源：1.采矿活动：开采煤矿和油井会释放大量甲烷；2.垃圾填埋：有机废物在垃圾填埋场分解过程中会产生甲烷；3.农业活动：农田灌溉和肥料使用会导致甲烷的产生；4.能源消耗：燃烧化石燃料和木材也会释放甲烷。
甲烷的影响甲烷对环境和人类健康产生的影响主要体现在以下几个方面：温室效应甲烷是一种强效的温室气体，能够吸收地球辐射并阻碍其逃逸，导致地球表面温度上升。
与二氧化碳相比，甲烷的温室效应约为后者的25倍。
大气污染甲烷不仅对气候变化有影响，还会对大气质量产生负面影响。
在大气中，甲烷会与其他气体反应生成臭氧和二次有机气溶胶等有害物质，对人体和生态系统造成危害。
与光化学反应的关联甲烷与氮氧化物等气体发生光化学反应可以产生臭氧。
这种臭氧形成巨大的臭氧空洞，对地球的紫外线辐射产生影响，并导致许多健康问题。
气候变化甲烷的释放量直接影响全球气候变化的趋势。
由于甲烷的温室效应比二氧化碳高得多，因此减少甲烷的排放对抑制全球暖化具有重要意义。
应对甲烷问题的措施为了减少甲烷对环境和人类的影响，我们可以采取以下措施：1.管理温室气体排放：建立相关政策和法规，限制温室气体的排放量，并促进可再生能源的发展和使用。
2.加强农业管理：改良农田灌溉和施肥方式，减少甲烷的产生。
3.强化垃圾管理：加大垃圾分类和回收的力度，减少垃圾填埋场产生的甲烷排放。
《微生物水处理产甲烷的运输生产模型与算法的研究》一、引言随着工业化和城市化的快速发展，水资源的污染问题日益严重，如何有效处理污水并实现资源化利用已成为全球关注的焦点。
微生物水处理技术以其独特的优势，在污水处理和资源回收方面发挥着重要作用。
其中，产甲烷过程是厌氧消化中的重要环节，其能够将有机废弃物转化为清洁的可再生能源。
因此，对微生物水处理产甲烷的运输生产模型与算法进行研究，对推动水处理技术的发展和优化具有重要的理论和实践意义。
二、微生物水处理产甲烷的基本原理微生物水处理产甲烷的过程主要是在厌氧条件下，通过厌氧微生物的作用，将有机物分解为甲烷和二氧化碳。
这一过程主要包括水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段。
了解这一过程的基本原理，对于建立有效的运输生产模型和算法至关重要。
三、运输生产模型的构建为了更好地描述和预测微生物水处理产甲烷的过程，我们构建了以下运输生产模型：1. 模型假设：假设水处理系统中微生物的生长、有机物的降解以及产甲烷的过程符合一定的动力学规律。
2. 模型构建：基于质量守恒定律和微生物生长动力学，我们建立了包含有机物浓度、微生物浓度、产甲烷速率等变量的微分方程组。
同时，考虑了温度、pH值、营养物质等因素对产甲烷过程的影响。
3. 模型验证：通过实际数据对模型进行验证，结果表明模型能够较好地描述产甲烷过程的动态变化。
四、算法研究针对微生物水处理产甲烷的过程，我们提出了以下算法：1. 优化算法：通过遗传算法、粒子群算法等优化算法，对模型中的参数进行优化，以提高产甲烷的效率和产量。
2. 控制算法：根据模型的输出，通过控制水处理系统中的温度、pH值、营养物质等因素，实现对产甲烷过程的控制。
3. 预测算法：根据历史数据和模型，对未来的产甲烷过程进行预测，为决策提供依据。
五、模型与算法的应用我们的模型与算法可以应用于以下几个方面：1. 污水处理厂的设计与运行：通过模型与算法，可以优化污水处理厂的设计和运行，提高产甲烷的效率和产量。
第1篇一、前言甲烷作为一种重要的清洁能源，在我国的能源结构调整和环境保护中具有举足轻重的地位。
近年来，我国在甲烷生产技术方面取得了显著的成果，本文将结合我国某甲烷生产企业的实践，对甲烷生产过程进行分析，以期为我国甲烷产业的发展提供参考。
二、甲烷生产原理及工艺流程1. 甲烷生产原理甲烷生产主要采用厌氧消化技术，通过微生物对有机物进行厌氧发酵，产生甲烷。
厌氧消化过程包括水解、酸化、产乙酸、产甲烷等阶段。
2. 甲烷生产工艺流程（1）原料预处理：将有机废弃物、废水等原料进行破碎、研磨等预处理，提高原料的表面积，有利于微生物的吸附和降解。
（2）进料：将预处理后的原料按照一定比例进入厌氧消化反应器。
（3）厌氧消化：在厌氧消化反应器内，微生物对原料进行厌氧发酵，产生甲烷。
（4）甲烷提取：将产生的甲烷从反应器中提取出来。
（5）甲烷净化：对提取出的甲烷进行净化处理，去除杂质，提高甲烷纯度。
（6）储存与输送：将净化后的甲烷储存于储罐中，并通过管道输送至用户。
三、甲烷生产实践分析1. 原料选择（1）有机废弃物：如生活垃圾、畜禽粪便、农业废弃物等。
（2）废水：如生活污水、工业废水等。
（3）有机污泥：如污水处理厂的污泥、垃圾填埋场的渗滤液等。
2. 厌氧消化反应器设计（1）反应器类型：根据原料特性、生产规模等因素选择合适的反应器类型，如UASB、固定床等。
（2）反应器尺寸：根据原料处理能力和甲烷产量确定反应器尺寸。
（3）反应器运行参数：如温度、pH值、HRT等，以保证厌氧消化反应的顺利进行。
3. 微生物培养与驯化（1）选择合适的微生物菌种，如甲烷菌、产甲烷菌等。
（2）进行微生物培养和驯化，提高微生物的适应性和产甲烷能力。
4. 甲烷提取与净化（1）提取：采用膜分离、吸收等方法提取甲烷。
（2）净化：通过吸附、过滤等方法去除甲烷中的杂质，提高甲烷纯度。
5. 储存与输送（1）储存：将净化后的甲烷储存于储罐中，如地下储气库、高压储罐等。
2014 年秋季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:微生物生理学学生所在院（系）:市政环境工程学生所在学科:环境工程学生姓名:丁达学号:14S127062学生类别:工程硕士考核结果阅卷人产甲烷菌的生理生化特性产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧发酵转化成甲烷和二氧化碳的古细菌，它们生活在各种自然环境下，甚至在一些极端环境中。
产甲烷菌是厌氧发酵过程的最后一个成员，甲烷的生物合成是自然界碳素循环的关键链条。
由于产甲烷菌在有机废弃物处理、沼气发酵、动物瘤胃中有机物分解利用等过程中的重要作用，同时甲烷是导致全球变暖的第二大温室气体,因此产甲烷菌和甲烷产生机理的研究备受关注。
特别是近几年对产甲烷菌基因组的研究，使人们从基因组的角度、进化的角度对甲烷生物合成机理、甲烷菌的生活习性、形态结构等方面获得更深刻的理解。
关键词：产甲烷菌；显著影响因子；生化特性一、引言目前能源与环境已成为影响人类社会可持续发展的重大问题，厌氧消化技术在能源生产和环境保护等方面具有突出的优势而倍受青睐。
沼气发酵是自然界极为普遍而典型的厌氧消化反应，各种各样的有机物通过沼气发酵，不断地被分解代谢产生沼气，从而构成了自然界物质和能量循环的重要环节。
厌氧消化是极为复杂的生物过程，在参与反应的众多微生物中，产甲烷菌的优劣和密度是影响厌氧消化效率和甲烷产量的重要因素，因此对产甲烷菌特征以及影响因子的研究成为重点。
二、产甲烷菌概述产甲烷菌的研究开始于1899 年，当时俄国的微生物学家奥姆良斯基（Omelianski ）将厌氧分解纤维素的微生物分为两类，一类是产氢的细菌，后来称产氢、产乙酸菌；另一类是产甲烷菌，后来称奥氏甲烷杆菌（Methanobacillus omelauskii) 。
1901 年 Sohzgen 对产甲烷菌的特征及对物质的转化进一步作了详细的研究。
1936 年 Barker 对奥氏甲烷菌又作了分离研究。
但这些研究，由于厌氧分离甲烷菌的技术尚不完备，均未取得大的进展。
产甲烷生化代谢途径研究进展*方晓瑜1,2,3李家宝1,4,5芮俊鹏1,4,5李香真1,4,5**1中国科学院环境与应用微生物重点实验室, 成都生物所, 成都6100412中国科学院成都生物研究所环境微生物四川省重点实验室, 成都6100413中国科学院大学, 北京1000494中国科学院山地生态恢复与生物资源利用重点实验室, 成都生物所, 成都6100415生态系统恢复与生物多样性保育四川省重点实验室, 成都生物所, 成都610041摘要微生物产甲烷过程产生的甲烷约占全球甲烷产量的74%。
产甲烷过程对生物燃气生产和全球气候变暖等都有重要的意义。
本文综述了产甲烷菌的具体生化代谢途径，其本质是产甲烷菌利用细胞内一系列特殊的酶和辅酶将CO2或甲基化合物中的甲基通过一系列的生物化学反应还原成甲烷。
在这一过程中，产甲烷菌细胞能够形成钠离子或质子跨膜梯度，驱动细胞膜上的ATP合成酶将ADP转化成ATP以获得能量。
根据底物类型的不同，可以将该过程分为三类：还原CO2途径、乙酸途径和甲基营养途径。
还原CO2途径是以H2或甲酸作为主要的电子供体还原CO2产生甲烷，其中涉及到一个最新的发现—电子歧化途径；乙酸途径是乙酸被裂解产生甲基基团和羧基基团，随后，羧基基团被氧化产生电子供体H2用于还原甲基基团；甲基营养途径是以简单甲基化合物作为底物，以外界提供的H2或氧化甲基化合物自身产生的还原当量作为电子供体还原甲基化合物中的甲基基团。
通过这三种途径产甲烷的过程中，每消耗1mol底物所产生ATP的顺序为还原CO2途径>甲基营养途径>乙酸途径。
由于产甲烷菌自身难以分离培养，未来将主要通过现代的生物技术和计算机技术，包括基因工程和代谢模型构建等最新技术来研究产甲烷菌的生化代谢过程以及其与其他菌群之间的相互作用机制，以便将其应用于生产实践。
关键词：产甲烷菌；生化代谢；还原CO2途径；乙酸途径；甲基营养途径CLC Q939.99收稿日期Received: 接受日期Accepted:*国家重点基础研究发展规划资助项目（973项目，2013CB733502）；国家自然科学基金资助项目（31300447，41371268）资助Supported by State Key Basic R & D Program of China (973 Program, No. 2013CB733502 ), the National Natural Science Foundation of China (No. 31300447，41371268).**通讯作者Corresponding author (E-mail: lixz@)Biochemical pathways of methanogenesis*FANG Xiaoyu1,2,3, LI Jiabao1,4,5 RUI Junpeng1,4,5 & LI Xiangzhen1,4,5**,1Key Laboratory of Environmental and Applied Microbiology, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, 610041, PR China2Environmental Microbiology Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, 610041, PR China3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, PR China4Key Laboratory of Mountain Ecological Restoration and Bioresource Utilization, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, PR China5 Ecological Restoration Biodiversity Conservation Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, PR ChinaAbstractMicrobial methanogenesis accounts for approximately 74% of natural methane emission. The processes play major roles in global warming and are important for bioenergy production. This paper reviews the biochemical pathways of methanogenesis. It is currently accepted that methanogenesis proceeds via three biochemical pathways depending on the carbon sources, including hydrogenotrophic, aceticlastic, and methylotrophic methanogenesis. Multiple enzymes and coenzymes are involved in the processes, during which Na+ or proton gradient is created across the cell membrane, contributing to limited A TP synthesis. In the hydrogenotrophic pathway, CO2 is reduced to methane with H2 or formate as an electron donor. In the aceticlastic pathway, acetate is split into methyl and carboxyl group, then the carboxyl group is oxidized to produce H2 which is used as the electron donor to reduce methyl group. In the methylotrophic pathway, methyl group is reduced with external H2or reducing equivalent from the oxidation of its own methyl group. The A TP gains per mole substrate for different pathways are as follows: hydrogenotrophic > methylotrophic > aceticlastic pathway. Due to the unculturability of most archaeal methanogens, new technologies, such as bioinformatics, gene engineering and modelling, could be applied to investigate the biochemical pathways of methanogenesis, and the relationship between methanogens and other microbial communities.Keywords methanogen; methanogenesis; biochemical pathways; CO2-reducing; methylotrophic; aceticlastic methanogenesisCLC Q939.99产甲烷菌在地球碳循环中扮演着重要角色，是有机物厌氧降解的末端功能类群，能够将有机碳转化为甲烷。
它们广泛分布于地球的无氧环境中，从土壤到湖泊沉积物，从陆地到海洋，从零下的低温环境到100 ℃以上的高温环境，都有产甲烷菌的存在。
进化研究表明产甲烷菌是地球上最为古老的菌群，目前有两个不同的假说均认为产甲烷菌是真核生物的祖先[1, 2]。
相比于细菌和真核生物，它以甲烷作为其厌氧呼吸终产物，具有独特的生化代谢特性。
另一方面，甲烷作为一种清洁能源，正越来越受到关注[3]。
同时，甲烷的高红外吸收以及对臭氧层的影响使之成为第二大温室效应气体，其产生的温室效应是CO2的20-30倍[4, 5]。
目前全球的甲烷排放量约为5×109-6×109kg/年[6]，其中大约74%的甲烷排放来自生物产甲烷[7]，大气中的甲烷含量正以每年2%的速度递增[8]。
因此研究产甲烷菌的生化代谢途径不仅能够增加我们对古菌特殊代谢途径的了解，而且能够为解决全球能源紧缺以及气候变暖等问题提供理论依据。
产甲烷菌能够利用的底物非常有限，仅能够利用CO2、乙酸和简单甲基化合物这三类物质作为碳源产甲烷。
本文综述了产甲烷菌利用这三类底物产甲烷的具体代谢过程，对其中涉及到的能量转化过程、电子传递途径以及参与的关键酶和辅酶进行了详细阐述，介绍了最新发现的电子歧化途径，即包含FDA蛋白的复合体介导电子在脱氢酶和氧化还原酶之间转移，从而完成能量储存的过程；同时还总结了目前通过一些新技术和新方法对产甲烷菌生化代谢过程研究的进展情况。
1 产甲烷菌的特点产甲烷菌是严格厌氧的原核生物，是已知的唯一一种能够代谢产甲烷的生物。
系统发育学上属于古菌域，广古门菌门（Euryarchaeota）[9]。
已知的产甲烷菌分为7个目：甲烷杆菌目（Methanobacteriales），甲烷球菌目（Methanococcales），甲烷微菌目（Methanomicrobiales），甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales），甲烷火球菌目（Methanopyrales）, Methanocellales和Methanoplasmatales（图1）。
