研究發現具有乙烷厭氧功能的古菌及其代謝途徑

3月28日，學術刊物《自然》（Nature）在線發表了關于乙烷厭氧生物氧化的研究論文“Anaerobic oxidation of ethane by archaea from a marine hydrocarbon seep”，報道了具有乙烷厭氧功能的古菌及其代謝途徑。該研究由德國亥姆霍茲環境研究中心（UFZ）Florin Musat團隊、中國科學院生態環境研究中心朱永官團隊和德國Max-Planck海洋微生物研究所Freidrich Widdel團隊聯合完成。中科院生態中心博士生陳松燦為作者，德國亥姆霍茲環境研究中心Florin Musat為論文的通訊作者。

天然氣，包括甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等氣態烷烴，是海洋及陸地生態系統中有機碳庫的重要組分，其形成和分解對地球環境和氣候變化影響極大。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，是其間微生物重要的碳源及能源。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利用。相反，乙烷，作為天然氣中第二豐富的烷烴，是否能夠被微生物厭氧降解尚不明確。

該研究通過富集培養、熒光原位雜交、宏基因組、宏蛋白組以及宏代謝組技術揭示了乙烷厭氧氧化古菌及其代謝機制。研究所用的共培養體系能夠在硫酸鹽還原條件下將乙烷*氧化為二氧化碳。古菌為該富集體系的主導微生物菌群，作者將其命名為Candidatus Argoarchaeum ethanivorans；Ca. Argoarchaeum基因組含有甲基輔酶M還原酶（methyl-coenzyme M reductase，MCR）所有編碼基因，且對應的基因表達產物在宏蛋白組中被檢測。利用傅里葉回旋共振質譜以及液相色譜-質譜技術，該研究進一步確認了中間代謝產物乙基輔酶M（ethyl-coenzyme M）的存在。這些結果表明Ca. Argoarchaeum通過合成乙基輔酶M來催化乙烷的活化，與近期報道的Ca. Syntrophoarchaeum厭氧丁烷氧化的機制相似。宏蛋白質組學分析表明乙烷氧化生成的中間產物乙酰輔酶A通過Wood Ljungdahl途徑被氧化為二氧化碳。Ca. Argoarchaeum及其功能基因在深海天然氣滲漏環境中廣泛分布，暗示Ca. Argoarchaeum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。

該研究團隊長期致力于氣態烷烴厭氧氧化的研究，并取得系列成果和進展，包括在世界上分離培養了具有丙烷和丁烷降解功能的硫還原細菌Desulfosarcina sp. BuS5（Nature，2007）；報道了嗜熱丁烷氧化古菌Ca. Syntrophoarchaeum butanivorans及其代謝途徑（Nature，2016）。該研究發現了乙烷厭氧氧化古菌，*長期以來科學界對氣態烷烴厭氧氧化過程認識上的空白，拓展了人們對MCR酶功能特異性的理解，開啟了對土壤環境（如濕地和稻田等）中烷烴厭氧過程的新探索。同時，該研究能夠為減少小分子烷烴的大氣排放提供新的思路，也可為開發油氣藏微生物勘探技術提供科學依據和方向。

該研究得到中科院戰略性先導專項B（XDB15020302和XDB15020402）的資助。