XXX
生物工程一班 生命科学学院 xxx大学 150080
摘要：甲烷菌是一个古老的原生菌。随亨格特（Hungate）无氧分离技术发展以来，人们对甲烷菌的研究逐渐深入。从产甲烷菌生存环境分离、筛选出新的产甲烷菌种。20世纪90年代对甲烷菌的探讨、研究比较多，近10年的研究比较少。简述了产甲烷菌的发展历史及分类。产甲烷菌是重要的环境微生物,是古细菌的一种，在自然界的破素循环中起重要作用。迄今已有种产甲烷菌基因组测序完成。基因组信息使人们对产甲烷菌的细胞结构、进化、代谢及环境适应性有了更深的理解。
关键词：微生物，产甲烷菌，分类。
Research progress of methanogenic bacteria
Zhengzongqiao
The first class of Biotechnology, College of Life Science, Heilongjiang University, Harbin, 150080
Abstract: methanogens is an ancient native bacteria. With the Since Heng Gete (Hungate) anaerobic separation technology development, people gradually in-depth study of methanogens. Living environment separated from the methane-producing bacteria filter out new methane-producing bacteria. Of methanogens in the 1990s, research more, nearly 10 years of study is relatively small. The brief history of the development of the methanogenic bacteria and classification. Methane-producing bacteria is an important environmental microorganisms, is a kind of archaebacteria, play an important role in the hormone cycle of the nature of the broken. So far has been a kind of methane-producing bacteria genome sequencing is completed. Genomic information to make The Methanogens the cell structure, evolution, have a deeper understanding of metabolic and environmental adaptability.
Keywords: microorganisms, methane-producing bacteria。
1.产甲烷菌的介绍
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,使人们从全基因组的角度、进化的角度对甲烷生物的合成机理、甲烷菌的生活习性、结构特点等方面获得更深刻的理解。产甲烷菌的分类： Schnellen第一个从消化污泥中分离纯化得到。19 74年Bryant首次 提出 了产甲烷 菌(M讼tha n昭甘n)一词,将其与以甲烷为能量来源的嗜甲烷菌(MethanotrDPh,)区分开来。到目前为止,分离鉴定的产甲烷菌已有2 00多种。它们存在于沼泽、湖泊、海洋沉积物及瘤胃动物的胃液等自然生态系统中,也存在于废水处理、堆肥和污泥消化等非自然的生态系统中。从分类学上讲,产甲烷菌属于古细菌的水生古细菌门(EUrya rchaeo-ta),已鉴定的产甲烷菌分属于3个纲的5个目中。产甲烷菌是一类极端厌氧古菌，广泛存在于各类极端厌氧环境中，其能量代谢的终产物主要为甲烷气体。产甲烷菌（Methanoges）最早被归属为原核生物，后来在“Bergey氏细菌鉴定手册”（第八版）中，被描述为一个的科，此时的分类依据主要是形态。1979年，Balch等根据核酸（DNA和RNA）、蛋白质、酶、脂类和糖类等生物大分子，尤其是16SrRNA的寡核苷酸序列比较揭示的亲缘关系把产甲烷菌分为3个目、4个科、7个属和l3个种。而在第九版的“Bergey氏细菌鉴定手册”中，产甲烷菌已增加到3个目、6个科、12个属和21个种[1]。1991年，美国奥勒冈（Oregon）产甲烷菌保藏中心的负责人D.R.Boone博士编印的产甲烷菌菌株目录该中心收藏产甲烷菌215株分属于3目、6科、16属、55种，是当时最完备的目录。近年来，由于培养技术的不断改进，产甲烷菌的数量在不断增加。产甲烷菌位于厌氧消化食物链的最末端，在自然界碳素循环中起着非常重要的作用。由于其完成的产甲烷过程通常是厌氧生物处理工艺中最重要的限速步骤，因此，产甲烷过程及产甲烷菌的研究越来越受到人们的重视。
1产甲烷菌的发展动态
产甲烷菌的研究开始于19年，当时的微生物学家奥姆良（B.L.Omelauskie）将厌氧分解纤维素的微生物分为两类：一类是产许多氢的细菌，后来叫产氢产乙酸菌；一类是产甲烷细菌，后来叫奥氏甲烷杆菌（Mel-hanobacillusOmelauskii）。1901年孙根（Sohngen）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年巴克尔（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。直到1950年亨格特（Hungate）第一次创造了严格的无氧分离技术，才使产甲烷菌的研究得到了迅速的发展。1974年，Bryant首次提出了产甲烷菌一词，将其与以甲烷为能量来源的嗜甲烷菌（Methanotrophs）区分开来。Schnellen等第一个从消化污泥中分离纯化得到甲酸甲烷杆菌（Methanobacteriumformicium）和巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcinabarkeri）[2]；20世纪90年代初，国内外从各种不同的厌氧生态环境中分离获得的球状产甲烷菌纯培养菌有20多种，这些菌分别归属于甲烷微菌目(Methanomicrobiales)中的球状产甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）、甲烷叶菌属（Methanolobus）甲烷拟球菌属（Methanococcoides）。产甲烷菌属（Methanoaenium）以及甲烷球菌目（Methanococcales）中的甲烷球菌属（Methanococcus）。1987年，Zellner[3]等报道了另一种球状产甲烷细菌，并起名为小微粒甲烷菌（Methanocorpuscu-lumparvm）。1992年第一株嗜冷产甲烷菌得以分离培养。2003年，Simankova[4]等从冷陆地分离培养到5株产甲烷古菌。Ma等[5]从厌氧消化器中分离到一种新的甲烷杆菌。到目前为止，分离鉴定的产甲烷菌已有200多种。产甲烷菌的数目也将会随着研究的深入不断增多。
2．产甲烷菌的分类
产甲烷菌有一些分类，但都不是很完善。其中，人们对产甲烷菌的分类较完整的是按温度来划分。根据最适生长温度（Topt）的不同，研究者将产甲烷菌分为嗜冷（Topt低于25℃）、嗜温（Topt为35℃左右）、嗜热（Topt为55℃左右）和极端嗜热（Topt高于80℃）4个类群。人们在不同的环境中分离到了不同适温的产甲烷菌。
2.1嗜冷产甲烷菌嗜冷微生物是指能够在寒冷（0～10℃）条件下生长，同时最适生长温度在低温范围（25℃以下）的微生物可分为两类：专性嗜冷微生物（stenopsychrophiles）和兼性嗜冷微生物（eurypsychrophiles）[6]。专性嗜冷微生物的最适生长温度较低，在较高的温度下无法生存；而兼性嗜冷微生物的最适生长温度较高，可耐受的温度范围较宽，在中温条件下仍可生长。嗜冷微生物的量化分类指标一直存在着争议。多数研究者参考最适生长温度（Topt）、最低生长温度（Tmin）和最高生长温度（Tmax）3个指标进行划分。其中，Morital[9]建立了一种分类法，认为专性嗜冷微生物指Topt低于15℃、Tmin低至0℃、Tmax低于20℃的微生物；兼性嗜冷微生物指Topt高于15℃、Tmin低至0℃的微生物。Nozhevnikova等[7]认为，Morita分类法主要是针对好氧微生物提出的，而厌氧微生物的生存温度通常高于好氧微生物，因此，他们提出的针对嗜冷产甲烷菌的分类方法温度范围更高：专性嗜冷产甲烷菌指低于Topt25℃、Tmin低至10℃、Tmax低于30℃的产甲烷菌；兼性嗜冷产甲烷菌指Topt高于25℃、Tmin低至10℃的产甲烷菌。Nozhevnikova等[7]研究了苔原湿地、湖底沉积物、低温粪便发酵物以及低温运行的EGSB反应器等多种低温环境中的厌氧微生物，分离出12种在8℃以下均可生长的产甲烷菌，其中大部分菌种的Topt为25℃左右，其余的为30℃左右，这些菌种在分类学上属于MethanosarcinMethanospirillum和一些未知的类别。在1991年，Zhilina等[8]曾在莫斯科附近的沼泽中得到MethanosarcinastrainZ~72，其Topt为15℃，生存温度范围为5～28℃。Simankova等[9]在苔原沼泽地、被污染的池塘及粪便低温发酵物中，分离到了5株分别属于Methanosarcina、Methanocorpusculum和Methanomethylovorans的产甲烷菌，这些菌种均可在5℃以下生长，其中3株的Topt为25℃，其余2株的Topt为35℃。
2.2嗜温和嗜热产甲烷菌嗜温和嗜热产甲烷菌的Topt分别为35℃和55℃，其生长的温度范围为25～80℃。1972年，Zeikus等[10]从污水处理污泥中分离第一株热自养产甲烷杆菌开始，各国研究人员已从厌氧消化器、淡水沉积物、海底沉积物、热泉、高温油藏等厌氧生境中分离出多株嗜热产甲烷杆菌，Wasserfallen等根据多株嗜热产甲烷杆菌分子系统发育学研究，将其立为新属并命名为嗜热产甲烷杆菌属（Methanothemobacter），该属分为6种，其中M．thermau-totrophicusstr．DeltaH已经完成基因组全测序工作。仇天雷等[12]从胶州湾浅海沉积物中分离出1株嗜热自养产甲烷杆菌JZTM，直径0.3～0.5μm，长3～6μm，具有弯曲和直杆微弯两种形态，单生、成对、少数成串。能够利用H2/CO2和甲酸盐生长，不利用甲醇、三甲胺、乙酸和二级醇类。最适生长温度60℃，最适盐浓度0.5%～1.5%，最适pH为6.5～7.0，酵母膏刺激生长。菌株JZTM与标准株M．thermautotrophicusstraindeltH的16SrRNA基因序列相似性为99%。
2.3极端嗜热产甲烷菌极端嗜热产甲烷菌的Topt高于80℃，能够在高温的条件下生存，低温却对其有抑制作用，甚至不能存活。Pyrococcusfuriosus是由Fiala和Stetter[13]在1986年发现的最适生长温度达100℃的严格厌氧的异氧性海洋生物。按真核生物、原核生物和古核生物三界学说，P.fu-riosus属古核生物。以温度来划分产甲烷菌，主要是因为温度对产甲烷菌的影响是很大的。当环境适宜时，产甲烷菌得以生长、繁殖；过高、过低的温度都会不同程度抑制产甲烷菌的生长，甚至死亡。
参考文献：
[1]MaR.A.：InBergey'sManualofDeterminativeBacteriology9thed[M].Baltimore：TheWilliaras＆WitkinsCo.，1984.
[2]胡纪萃，周孟津，左剑恶，等.废水厌氧生物处理理论与技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.
[3]Zel1ner．G．etal[J].Arch．Microbiot,1987，147：13-20.
