在我们对乙烷降解的理解中知识差距已经缩小

乙烷含量高达10%，是天然气中第二常见的成分，存在于世界各地的深层陆地和海洋天然气矿床中。到目前为止，尚不清楚在没有氧气的情况下乙烷是如何降解的。

来自亥姆霍兹环境研究中心(UFZ)的一组研究人员在与不来梅马克斯普朗克海洋微生物研究所的同事合作了十五年以上，解决了这个谜团。在从墨西哥湾沉积物样品中获得的微生物培养物中，科学家发现了一种氧化乙烷的古细菌。单细胞生物被命名为Candidatus Argoarchaeum ethanivorans，字面意思是“生长缓慢的乙烷食用者”。在一篇发表在“自然”杂志上的文章中，研究人员描述了乙烷降解的代谢途径。

研究人员必须表现出极大的耐心，才能解决饱和烃厌氧降解的神秘面纱。2002年，UFZ微生物学家Florin Musat博士当时正在不莱梅的马克斯普朗克海洋微生物研究所进行研究，他收到了一份来自墨西哥湾的沉积物样本。样品是从天然气渗漏中采集的，水深超过500米。为了获得足够数量的含有古细菌的培养物，花了十多年的培养努力 - 作为解释微生物群落结构和代谢的详细实验的基础。在他的定期测量中，Florin Musat认识到乙烷的氧化与硫酸盐还原为硫化氢有关。“很长一段时间，

为了揭示乙烷氧化的秘密，自2014年以来一直在UFZ工作的Musat利用了ProVIS技术平台提供的可能性。化学显微镜中心(ProVIS)结合了大量的大型设备，可以对纳米尺度的生物样品，结构和表面进行高效，快速和灵敏的化学分析。例如，Musat团队使用荧光显微镜显示Candidatus Argoarchaeum ethanivorans占总培养细胞数量的65%左右，而两种硫酸盐还原型Deltaproteobacteria占30%。通过高分辨率质谱技术表征代谢物和蛋白质，并通过氦离子显微镜和NanoSIMS测定单个微生物的化学组成和空间组织。研究人员利用这些方法证明，古细菌负责将乙烷氧化成二氧化碳，并伴随细菌将硫酸盐还原为硫化物。

此外，他们观察到Candidatus Argoarchaeum ethanivorans在乙烷氧化期间不与伴侣细菌形成聚集体，与降解甲烷，丙烷或丁烷的培养物相反。“古细菌和两种类型的细菌大部分都是以自由细胞的形式生长。纳米线的细胞间连接会调节电子的转移，如其他文化所示，它们都缺失了，”穆萨特说。出于这个原因，一个令人兴奋的问题仍然存在：Argoarchaeum和细菌如何相互作用?宏基因组分析显示，古细菌不具备已知的硫酸盐还原基因。这意味着来自乙烷氧化的电子必须转移到硫酸盐还原细菌中。NanoSIMS进行的调查表明，这种转移可能通过硫化合物发生。“古细菌通过其硫酸盐还原伴侣在明显复杂的萎缩(交叉饲养者群体)中从乙烷的氧化中获得能量，”Musat说。

在寻找电子转移机制时，Musat团队使用氦离子显微镜研究了培养物。这一分析导致了一个意想不到的发现：Candidatus Argoarchaeum形成小的细胞囊泡，它们仍然附着在不寻常的微小簇中，表明古菌在萌芽时分裂。

最后，在Candidatus Argoarchaeum ethanivorans的基因组中，科学家们确定了功能性甲基辅酶M还原酶样酶所必需的所有基因，这些酶催化乙烷厌氧降解的第一步。使用超高分辨率质谱，他们也能够找到这种酶，乙基辅酶M的产物。进一步的基因组和蛋白质组分析确定了以下反应的基因和酶，从而破译了完整的代谢途径。

迄今为止，关于乙烷厌氧氧化的研究主要是基础。但更进一步，研究人员的发现也可用于工业应用。“我们现在已经意识到'烷基' - CoM还原酶降解短链碳氢化合物的机制，我们认为逆反应可能是可行的。如果证明，这意味着使用这些或类似的微生物生产碳氢化合物的生物技术， “穆萨特说。这可能标志着生产合成燃料的新生物技术应用的开始，例如富含能量的丁烷。丁烷每升含有更多的能量，并且比甲烷更容易液化 - 弗洛林·穆萨特及其团队将继续关注未来的研究。

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