产甲烷古菌的应用（产甲烷古菌产甲烷原理）
有哪些神秘的古生菌「单枪匹马」产生甲烷？
00-1010传统的原油开采技术难以带动地下油藏中所有原油的运移，仍有一半以上的原油无法开采。科学家认为，能在水库环境中生存的厌氧微生物有望成为人类的帮手。利用沼气发酵原理，将液态原油降解为气态甲烷，形成油气联产，是科学家探索出的一条道路。
《自然》年12月23日，农业农村部沼气研究所(以下简称沼气研究所)能源微生物创新团队最新研究成果在网上发表。团队与深圳大学、德国马普海洋微生物研究所、中国石油化工股份有限公司微生物采油重点实验室的研究人员合作，从油藏中发现了一种新型产甲烷古菌，能够在厌氧环境下直接氧化原油中的长链烷烃产生甲烷，突破了产甲烷古菌只能以简单化合物生长的传统认知，拓展了对产甲烷古菌碳代谢功能的认知。
该研究完善了碳循环的生物地球化学过程，为——衰竭油藏剩余原油生物气化“地下沼气工程”奠定了科学基础。
不能“吃”的石油碳氢化合物
原油的主要成分是由几十个碳链形成的复杂碳氢化合物。
早在上个世纪末，德国科学家就在《自然》中报道了石油碳氢化合物可以被厌氧微生物降解并转化为甲烷。但这种生物降解过程类似于传统的沼气发酵，需要多种不同类型的细菌和古菌，通过相互代谢来完成。
2008年，加拿大科学家在《自然》中报道，在油藏中存在混合细菌降解原油产生甲烷的类似过程。
论文合著者、深大教授李梦告诉《中国科学报》，当有机物分解降解产生甲烷时，细菌和产甲烷古菌这两种不同类型的微生物需要相互依存、密不可分地合作。
“在缺氧环境下，有机物被降解产生甲烷的过程，俗称沼气发酵。”论文作者、生物研究所研究员白丽萍说，过去产甲烷古菌只能通过醋酸发酵、二氧化碳还原、甲基裂解和氧甲基转化四种途径产生甲烷。可用的底物非常简单，主要是一碳或二碳化合物。
“以前的教科书告诉我们，对于烷烃、由几十个碳组成的烷基烃等复杂的有机化合物，产甲烷古菌是不可能直接‘吃掉’它们的。之前没有微生物直接降解石油烃产生甲烷或二氧化碳的研究报道。”论文作者、命理研究所研究员程磊说。
沼气研究所所长王登山告诉《中国科学报》，40年来，沼气研究所一直从事厌氧微生物的基础研究，保存了国内更大的厌氧微生物模式种近600种(全世界有2000多种)。是中国沼气工程标准的主要制定者，开发、设计和建设了一系列具有代表性的户用和大中型沼气工程。这为寻找能直接降解石油烃的微生物奠定了科研基础。
论文之一作者周卓介绍，厌氧微生物是地球上数量最多、种类最丰富的生物资源。但由于技术原因，目前只有不到0.1%的厌氧微生物物种被分离鉴定出来，大部分仍属于“微生物暗物质”。科学家知道它们的存在，但不知道它们是一种什么样的存在。
产甲烷古细菌是一种独特的厌氧微生物，它对氧气敏感，通常在暴露于空气中几分钟后就会死亡。之所以称之为“古生菌”，是因为这种独特的生命早在35亿年前就存在于地球上。它有许多头衔地球上最早的生命形式之一，全球大气甲烷排放的主要贡献者，沼气发酵中的关键功能微生物
“石油烃厌氧降解产甲烷的生长周期一般需要一两年，文献报道的最长培养时间超过800天。”虽然程雷笑着说，培养物可以在实验室里慢慢“生长”，科研人员出去“玩两年”再观察研究就来不及了，其实这种“超长待机时间”非常枯燥，极其考验科研人员的耐心和耐力。
2019年，他们突然发现，一个来自油藏的培养物的“待机时间”大约短了两到三个月。“比之前的训练周期快了很多，这种现象让我们很关注。”程雷说，通过几十年的前期工作，他们获得了一种利用长链石油烃的产甲烷培养物，可以直接降解碳13到碳34的长链烷烃，以及侧链烷烃大于13的环己烷和环己基苯。
“所以我们想知道里面可能有什么微生物，石油碳氢化合物通过什么机制可以被如此快速地转化和利用。正是在这个时候，国外科学家提出自然界可能存在新的直接降解烷烃产生甲烷的古菌，但没有证据支持。当我们重新分析这种文化时，我们确实发现了它的踪迹，而且它的丰度非常高。”程雷回忆，，这种培养物中的微生物种类繁多，需要提供许多不同维度的证据。
周卓介绍，，通过稳定碳同位素标记实验，他们证实了加入的正构烷烃几乎完全转化为甲烷和二氧化碳。
通过宏观组学分析，他们发现了一种新的古菌，Ca。甲醇parum。该古菌具有完整的烃降解和产甲烷的代谢途径，并且这些途径在培养烃降解和产甲烷的过程中高丰度表达。
而且，他们利用高分辨率质谱检测到烷烃降解产生甲烷过程中的关键中间代谢产物，从而进一步证实了这种新古菌的碳代谢途径。
发现Ca。甲醇菌可以直接氧化长链烷烃，它通过-氧化和Wood-Yongdal途径进入产甲烷代谢，不需要可逆代谢。也就是说，这种古细菌只是“单枪匹马”地完成了需要多种细菌和古细菌在相互代谢中才能完成的分解“工作”。，他们提出了生产甲烷的第五种 。
“第五条甲烷生成途径的提出，提高了我们对探索全球碳生物地球化学循环的认识。”程雷说。
作者，中国
石化微生物采油重点实验室教授汪卫东告诉《中国科学报》，这也说明在油藏条件下，还有丰富的未知微生物存在，它们有着不同的功能。其中一些微生物以不同的方式降解原油，将其转化成甲烷或天然气。多样化的应用前景
传统的原油开采技术，主要是应用化学物质或水压力来驱动地下深层的原油运移。“这种利用物理和化学 采油的技术，导致超过一半的原油残留在地下油藏，难以被开采利用。”汪卫东说，基于这项研究成果，将有可能利用地下厌氧微生物的作用，把液态的原油降解变成气态的甲烷，形成油气共采，最终达到较高的原油开采利用率。这也可延长油藏的开发寿命，有望让老油田“复活”。
多年来，承磊团队与胜利油田等一线油气生产单位保持着紧密合作。他们对此项成果非常关注。
王登山认为，这项由“0”到“1”的基础研究认知，为人们开发“地下沼气工程”奠定了理论基础。
“地下的油不用抽出来，可以直接把油变成气，让气体出来，进行甲烷的收集。这相当于我们把沼气池修在了几千米的地下油藏中，形成平方公里尺度的巨大‘地下沼气池’。”王登山说，，基于该项成果的技术攻关一旦突破，对枯竭油藏进行油气共采，增产的油气总量将达到数亿吨，这将为缓解我国能源对外依赖度、保障国家能源安全提供科学支撑。
由于省去了原油开采炼化加工等巨大的排碳过程，代之以绿色可持续的生物转化过程，直接获得甲烷这一清洁能源，减少了碳排放，是一项绿色环保低碳技术。“，这还需要国家作顶层设计，整合全国的优势力量，依靠我们科学家和工程技术人员更多的攻关和努力才能完成。”王登山建议。
，这种新型产甲烷古菌有可能作为一种全新的合成生物学底盘细胞，具有广泛的应用前景。（记者 李晨）
相关论文信息
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04235-2
来源 中国科学报
产甲烷的古菌在哪可以发现 甲烷菌是古菌吗