D0:10.13287f.1001-9332.2012.0313应用生态学报2012年8月第23卷第8期Chinese Journal of Applied Ecology.Aug.2012,23(8):2309-2318甲烷氧化菌及其在环境治理中的应用(西藏农牧学院资源与环境学院.西藏林芝860000)摘要甲烷的生物氧化包括好氧氧化和厌氧氧化两种，分别由好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌完成.由于该过程是减少自然环境中温室气体甲烷排放的重要途径，越来越受到各国学者的重视.本文主要对当前甲烷氧化菌的研究现状进行了综述，对好氧甲烷氧化菌的种类、参与氧化甲烷的关键酶，厌氧甲烷氧化菌的种类、参与的微生物菌种以及氧化机理进行了论述，并对这两类微生物在温室气体减排、污染物治理、废水生物脱氯、疏及金属元素回收等方面的应用现状及前景进行了分析.关键词好氧甲烷氧化菌厌氧甲烷氧化菌温室气体减排疏酸盐还原反硝化文章编号1001-9332(2012)08-2309-10中图分类号Q142.9:X172文献标识码AMethanotrophs and their applications in environment treatment:A review.WEI SuzhenDepartment of Resource and Environment,Tibet Agricultural and Animal Husbandry College,Nyingtri 860000,Tibet,China).-Chin.J.Appl.Ecol.,2012,23(8):2309-2318.Abstract:Methanotrophs can oxidize methane,playing an important role in regulating methaneemission,and gaining increasing attention by the researchers around the world.Two biological path-ways are involved in methane oxidation,i.e.,anaerobic oxidation and aerobic oxidation,which aregoverned by anaerobic and aerobic methanotrophs,respectively.In this paper,the researchadvances about methanotrophs were summarized,with the focus on the phylogeny and taxonomy ofmethanotrophs,the key enzymes responsible for the aerobic oxidation of methane,the microorgan-isms involved in the anaerobic oxidation of methane,and the mechanisms of microbial methane con-sumption.The application prospects of the two methane oxidizers in greenhouse gases removal,pol-lutants degradation,biological denitrification,and recovery of metals and sulfur compounds werealso analyzed.Key words:aerobic methanotrophs;anaerobic methanotrophs;greenhouse gases removal;sulfatereduction:denitrification.甲烷是一种重要的温室效应气体，对温室效应的甲烷约占生物产甲烷的60%习.甲烷的生物氧的贡献仅次于C02,达20%，千百年来其在大气中化可以通过两种途径进行，一种是在有氧条件下由的浓度都未曾有大的变化，但是自工业革命后其浓好氧甲烷氧化菌利用分子氧将甲烷氧化为C02和度增加了一倍多，而且还在以每年1.0%~1.2%的H,0,另一种是在厌氧环境中由厌氧甲烷氧化菌偶惊人速度增长.据估计，目前全球每年向大气排放的甲烷量为500~600Tg,其中约69%是由微生氧化过程以及参与微生物的研究越来越受到人们的物贡献的，其余则是由人类在采矿、燃烧化石能源以重视，本文主要对甲烷氧化菌的研究现状及其在环及焚烧生物体过程中产生的日.与甲烷的产生相对境治理中的应用现状和前景进行了综述和展望.应，自然环境中也广泛存在着甲烷的消耗，比如在湿地、海洋、垃圾填埋场、稻田等场所，这些地方的甲烷1甲烷好氧氧化消耗主要是由甲烷氧化菌介导的，这一过程中消耗人们对甲烷的好氧氧化认识是比较早的，研究◆国家自然科学基金项目(51108378)和国家211工程师资队伍建设也相对比较深入.早在20世纪初就有甲烷氧化菌分项目(SZRC21106)资助.离纯化的报道，但其分类工作直到1970年Whitten-20120229收稿.20129504接受.buy等分离鉴定了100多个甲烷氧化菌后才开始(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net2310应用生态学报23卷建立起来.至今，这类好氧性的甲烷氧化菌已确定有本途径都是一致的，即甲烷首先被氧化为甲醇，之后17个属，根据形态结构以及生理生化性质大致可以进一步氧化为甲醛、甲酸，最终被氧化为C02.这一分为3个类群，即I型、Ⅱ型和X型9，都属于变形过程虽然看似简单，但却是一个非常复杂的过程，尤菌门(Proteobacteria).I型的特征是：胞内膜(intra--其是将甲烷氧化为甲醇的过程.目前已发现催化该cytoplasmic membranes)成束分布，利用核酮糖单磷过程的关键酶是甲烷单加氧酶(methane monooxy-酸途径(RuMP pathway)同化甲烷，特征磷脂脂肪酸genase,MMO),该酶有两种类型，一种是位于细胞膜长度为14~16个碳.Ⅱ型的特征是：胞内膜沿细胞上的颗粒状甲烷单加氧酶(particulate methane mo-质膜排列，利用丝氨酸循环(serine pathway)同化甲nooxygenase,pMMO),几乎存在于所有已发现的甲烧，特征磷脂脂肪酸长度为18个碳.X型甲烷氧化烷氧化菌中：另一种是位于细胞质中的可溶性甲烷菌兼有I型和Ⅱ型的一些特征，比如特征磷脂脂肪单加氧酶(soluble methane monooxygenase,,sMMO),酸长度为16个碳，既有核酮糖单磷酸循环，也有丝仅存在于部分甲烷氧化菌中西.有的甲烷氧化菌仅氨酸循环，偶尔也存在核酮糖1,5二磷酸循环，并能表达一种MMO,而有的甲烷氧化菌，比如Mhlo-且生长温度常高于I型和Ⅱ型的.以上是传统的分coccus capsulatus Bath Methylosinus trichosporium类方法，但是随着越来越多新种的发现，该分类方法OB3b则两种MMO都能表达，但至于表达哪种类型已经不能满足现实的需要，比如疣微菌门(Veru-的MMO则取决于培养基中铜离子的浓度可.一般comicrobia)甲烷氧化菌的发现，该类微生物没有典地，sMMO常在铜离子与生物量比值较低时获得表型的胞内膜但却有膜泡组织79.此外，也并非所有达，而pMMO常在铜离子与生物量比值较高时获得的甲烷氧化菌都可以非常完美地归入上述3个类表达s.目前对sMM0的研究已相当透彻，与之相群，比如有些甲烷氧化菌同时具有I型和Ⅱ型的特对，由于胞外性质异常不稳定，人们对pMMO的认征磷脂脂肪酸，如Methylocystis heyeri、M.crimeensis识还非常有限.已知sMMO和pMMO都是非专一性和M.thermalis-等.因此，原有的分类标准需要的甲烷氧化酶，即除了氧化甲烷外，还能氧化一系列扩充或者采用新的分类方法.最近Borrel等)依据的短链化合物.sMM0可以氧化长达8个碳的烷类、16 S rRNA基因序列对已知的甲烷氧化菌也进行了环烃以及芳香族化合物，而pMMO的底物范围却比分类，共分了4个科，即甲基球菌科(Methylococ--sMM0窄得多，仅能氧化长达5个碳的烷类，不能氧caceae)、甲基孢囊菌科(Methylocystaceae)、拜叶林化环烃及芳香族化合物，.已知sMMO和pMMO都克氏菌科Beijerinckiaceae)和甲基嗜酸菌科(Meth-可以催化多种卤化物比如三氯乙烯(TCE)的降解，ylacidiphilaceae).这4个科都属于细菌，其中甲基球并且其降解速率一般较其他的单加氧酶快1~2个菌科和甲基孢囊菌科都属于y-变形菌纲(ypo-数量级，因此甲烷氧化菌的这一性质对去除环境中teobacteria),拜叶林克氏菌科属于a变形菌纲(a-的污染物具有非常重要的意义目proteobacteria),甲基嗜酸菌科属于疣微菌门.甲基2甲烷厌氧氧化球菌科中的甲烷氧化菌几乎都是I型甲烷氧化菌，甲基孢囊菌科中的甲烷氧化菌几乎都是Ⅱ型甲烷氧早在20世纪60年代人们就已发现甲烷厌氧氧化菌，拜叶林克氏菌科中的甲烷氧化菌代谢类型多化的存在喝，但参与该过程的微生物直到最近20种多样，包括专性甲烷氧化菌、兼性甲烷氧化菌及非年才被确定下来，由于生长非常缓慢以及需求的条甲烷氧化菌鬥；甲基嗜酸菌科中包含了3个嗜酸及件苛刻，至今未能获得甲烷厌氧氧化的纯培养物.甲1个耐热菌94烷的厌氧氧化在地球上也是广泛存在的，各种类型好氧甲烷氧化菌在自然环境中的分布是非常广的环境中都检测到了其存在，比如深海沉积物、冷泉泛的，迄今为止在各种产甲烷的有氧环境中都发现甲烷泄漏区、湖中、垃圾填埋场、受污染地下水中、被了该类微生物的存在.多数好氧甲烷氧化菌喜欢生淹没的稻田等.自然环境中甲烷的厌氧氧化最先在活在中温(20~35℃)与中性的pH(5~8)环境中，海底沉积物中发现啊，当时发现海底产生的甲烷在甚至在各种极端环境中也获得了其纯培养物，比如接触到氧气前便被消耗了，因此人们推测在海底的在低温(<15℃)、高温(>40℃)、强酸(pH<5.沉积物中存在有厌氧氧化甲烷的微生物，而最早揭0)、强碱(pH>9.0)的环境中.甲烷氧化菌的种示这类微生物的是Hinrichs等网，他们利用l6S类以及生存环境虽然多种多样，但其氧化甲烷的基rRNA基因以及脂类生物标志化合物(lipid biomark-(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net