生物产甲烷的生化代谢途径现状及问题

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。