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1、4 4、甲基营养菌、产甲烷菌和光合细菌、甲基营养菌、产甲烷菌和光合细菌 Methylotrophy, Methanogens and Photosynthetic Bacteria 1 1、甲基营养菌、甲基营养菌 甲基营养菌又称为甲基利用菌，是一类能够 利用非C-C键低碳化合物(如甲烷、甲醇、甲 醛、甲酸、甲胺类等)的微生物。这类细菌多 为杆状，广泛分布于土壤和水域，也称为甲 基杆菌。有些甲基营养菌也可利用多碳化合 物(如甘油、丙二酸、丁二酸、延胡索酸、 -酮戊二酸、乳酸、丙酮酸等)。 由于一碳化合物不是有机物，所以甲基营养菌不是自养菌 ，但与自养菌有很多相似之处：都是原核生物，营养要求 简单
2、，需要的能源物质专一性强，甲烷和NH4+的氧化机制相 似，都有复杂的内膜系统，细胞膜上都含有磷脂酰胆碱等 。 甲基营养型细菌一般分为专性甲基营养菌和兼性甲基营养菌两 种类型： 专性甲基营养菌：又称为甲烷利用菌(Methanotrophs)，能利 用甲烷生长，少数可利用甲醇、甲醚生长，代表属有甲基单胞 菌属（Methylomonas）、甲基杆菌属（Methylobacterium）和 甲基球菌属（Methylococcus）等； 兼性甲基营养菌：主要利用甲醇和甲胺生长，也可利用其它碳 源（包括一碳化合物），但不能利用甲烷生长，代表属为生丝 微菌属（Hyphomicrobium），还有某些酵母菌。
3、 许多甲基杆菌可固氮；有些甲基杆菌能够通 过铵盐和硝酸盐的转化影响氮循环，也有一 些甲基杆菌可以利用甲硫类化合物，在硫循 环中起到重要的作用；还有一些能在卤化甲 烷类化合物上生长，在这些污染物的脱毒方 面起到重要的作用。所以，甲基营养菌是环 境中一类重要的微生物群落。 系统分类学主要是根据生理生化特征来分的，能 够利用丝氨酸循环进行甲醛同化的归为-变形杆 菌纲；所有不能利用甲烷的限制性专一甲基杆菌 归为-变形杆菌纲(嗜甲基菌属Methylophaga除 外)；所有利用核酮糖单磷酸循环进行甲醛同化的 甲烷利用菌归为-变形杆菌纲，已知的所有革兰 氏阳性甲基杆菌都存在核酮糖单磷酸循环。对于 甲烷利用
4、菌，有丝氨酸循环的-变形杆菌称为I 型菌株，而含有核酮糖单磷酸途径的-变形杆菌 纲称为II型菌株。 甲基营养型酵母(Methylotrophic yeast) 能够以甲醇、甲烷、甲酸等化合物作为碳 源，是甲基营养菌中的一大类群，是主要 的真核甲基营养菌(Eucaryotic methylotroph)，部分甲基营养型酵母可 以将甲醇作为唯一碳源和能源。所有已知 的甲基营养型酵母分别属于毕赤酵母属 (Pichia)、假丝酵母属(Candida)、球拟 酵母属(Torulopsis)、汉逊酵母属 (Hansenula)。 甲烷营养菌能以甲烷作为唯一碳源和能量来源 ，在大多数含有甲烷和氧气的环境中，
5、包括极 端环境(pH和温度)，都发现它们的存在。它们 具有特殊的内膜系统，膜堆积状的属于I型菌株 ，在细胞周边是环状细胞膜或者是 Methylocella囊状膜的属于II型菌株 (Methylosinus和Methylocystis)。大多数甲烷 利用菌是专一性甲基杆菌，不能利用含C-C键的 化合物，但也有兼性分枝杆菌能够利用甲烷， 还有I型甲烷利用菌能够利用葡萄糖。许多甲烷 利用菌能够在甲醇上生长，也有一些甲烷利用 菌可以固氮，主要是Methylococcus和 Methylosinus。甲烷利用菌代谢中既有丝氨酸 循环，又有RuMP（核酮糖单磷酸）循环，但是 迄今为止，还未发现自养甲烷利用
6、菌。 *非利用甲烷的甲基营养菌：能够利用甲醇和其他甲基化合物但 不能利用甲烷的细菌，比那些利用甲烷的细菌具有更广泛的多 样性。迄今为止，大多数G+的-变形杆菌纲菌株属于兼性甲基 杆菌。在这些菌株中，大多数能够利用甲醇和甲基化合物，但 是只有少数可以利用甲胺类化合物；也有一些能够利用其他甲 基化合物，但是不能利用甲醇。 *除了光合细菌的光合细胞膜外，非利用甲烷的甲基营养菌不能 产生甲烷营养菌特有的内膜系统。而能够利用甲醇的光合细菌 利用它作为电子受体进行光合作用；但在许多时候，甲醇也作 为碳源。 *甲基营养菌广泛分布在陆地、淡水和海洋等栖息地。在海洋环 境中，能够利用甲烷的细菌分布特别广泛，可能
7、在透光区的碳 循环中发挥一定作用。粉红色甲基杆菌是植物叶面常见的一种 体表栖生菌，它们之间存在一种共生互利的关系。 甲基营养菌通常不依赖于糖酵解等途径，而是通过一碳化合物的 直接同化转变成可利用的物质(亚甲基四氢叶酸等)，然后通过丝 氨酸循环等途径进入卡尔文循环。因此，能够在还原性C1化合物 上生长的生物，需要有专一的生化途径提供能量和进行碳代谢。 好氧甲基杆菌代谢中，甲醛是代谢的中心。 大多数甲基杆菌利用底物生成的甲醛进入不 同的途径，一部分被氧化成CO2提供能量；另 一部分通过两条途径(即丝氨酸循环和核酮糖 单磷酸循环)被同化为细胞自身的碳化合物。 其它的甲基杆菌能够利用还原性C1化合物，
8、 将其氧化成CO2，然后再通过卡尔文循环同化 CO2。 C1底物最初氧化所需的酶包括甲烷单加氧酶、 甲醇脱氢酶、甲胺脱氢酶等。另外，还发现了不 同的C1同化途径，如核酮糖单磷酸循环、丝氨酸 循环、与甲基喋呤和甲基呋喃相关的C1转化途径 ，组成了C1同化最主要的部分；同时，还包含一 些新的C1氧化途径，如甲烷氯化物、甲磺酸等的 降解途径。 甲胺类化合物的分解过程一般是四甲胺三甲 胺二甲胺甲胺，甲胺再被氧化为氨和甲醛， 甲醛再进一步氧化生产CO2并放出能量，生成的氨 可被机体吸收利用或放出。 核酮糖单磷酸途径 HPS：6-磷酸己酮糖合成酶；PHI：6-磷酸己酮糖异构酶； 丝氨酸途径 甲醇氧化是由甲
9、醇脱氢酶催化的。甲醛是甲基 营养菌同化和异化代谢途径的中间产物。在甲 烷营养菌中，甲烷经甲烷单加氧酶氧化成甲醇 后，再经甲醇脱氢酶进一步氧化。甲醇通过3 类酶的作用氧化成甲醛，第1类是革兰氏阴性 甲基杆菌中的醌蛋白甲醇脱氢酶；第2类是杆 状细菌中发现的与NAD相连的酶；第3类是在革 兰氏阳性菌中发现的甲醇：N,N -二甲基-4- 亚硝基苯胺氧化还原酶。一般来说，无论是产 生还原的细胞色素，还是还原的吡啶核酸，甲 醇氧化都是一个能量储存过程。甲基营养菌的 表型可能是从一个共同的祖先演变来。 甲醇氧化 甲醛和甲酸的氧化 大多数甲烷代谢所需的还原能量是利用甲醛氧化作 用产生的，并通过甲酸代谢释放出C
10、O2。在甲基营养 菌中，甲醛氧化成甲酸是通过多酶系统完成的，而 在许多C1复合物(如甲烷、甲醇、甲胺等)进一步氧 化过程中，甲酸氧化成CO2是重要的一步。已经证明 ，在M. extorquens AM1中，有4个异源甲酸脱氢酶 的基因簇，分别编码4种异源甲酸脱氢酶：两个编码 NAD相连的FDHs(FDH1和FDH2)，一个细胞色素相连的 FDH(FDH3)，以及FDH4 。革兰氏阴性甲基营养菌利 用丝氨酸途径作为甲醛固定的最初途径。 甲醛代谢的异化途径甲醛代谢的异化途径 四氢叶酸途径 甲酸脱氢酶 次 在甲烷营养菌中，甲烷单加氧酶能够催化甲烷 生成甲醇。甲醛在分解和合成代谢中都作为一 个中间产物
11、，并以独特的通路成为合成中间体 。在甲烷利用菌中，发现了2条甲醛同化途径 ，即丝氨酸循环途径和RuMP途径。另外，这些 特殊的异化代谢途径还包括三甲胺、二甲胺、 卤化甲烷等甲基胺类的氧化，以及甲基硫化物 的利用、叶酸相关的甲醛氧化途径、甲醛循环 氧化途径、甲酸氧化等。 甲烷氧化 甲基营养型酵母含有特殊的酶催化甲醇氧化和一 碳同化。甲醇氧化成甲醛的过程发生在过氧化物 酶体中，而随后的氧化和同化过程主要发生在胞 质溶胶中。甲基营养型酵母主要通过一类非特异 性的醇脱氢酶(Alcohol oxidase，AO)开始甲醇氧 化过程。另一个重要的酶是过氧化氢酶(Catalase ，CAT)，主要在甲醇氧化
12、成甲醛的过程中去除H2O2 的毒副作用，还可发挥超氧化物酶的作用。第3个 重要酶是二羟丙酮合成酶(Dihvdroxvacetone synthase，DHAS)，存在于过氧化物酶体中，是木 酮糖-5-磷酸循环的组成部分，催化甲醛同化，由 一分子甲醛和一分子木酮糖-5-磷酸生成2分子C3 化合物(二羟基丙酮和甘油醛-3-磷酸。甲醇营养 所需的其他酶都存在于胞质溶胶中。 甲基营养型酵母 甲基营养细菌具有重要的商业用途：进行 单细胞蛋白生产，可以生产胞外多糖，作为 商业化的食品添加剂。甲基营养菌利用甲醇生产 氨基酸：L-丝氨酸、L-苏氨酸 、L-谷氨酸、L-赖 氨酸等。氨基酸的生产已经广泛用于食品和
13、饲料 添加剂、药物、化妆品、高聚物、农业化合物等 。另外，甲基杆菌可以用来工业化生产各种辅酶( 辅酶Q10)、维生素(VB12)和聚-羟基丙酮等。这 类菌分泌的粉红色类胡萝卜素可以作为着色剂在 食品工业中应用，并且具有广泛的商业价值。 甲基营养菌的应用 甲基营养细菌在有氧条件下，能够利用一碳化合物 作为唯一的碳源和能源，将甲醇转化为有价值的产 品。甲醇具有丰富、可溶性、清洁、成本低廉等特 点，是一种很好的可选择原料的替代品。分泌粉红 色物质的甲基杆菌可以作为环境污染的指标。有些 菌可以生长在废气(烟尘)中，可以利用废气中的多 环芳香烃和长链脂肪烃，从而能以这些细菌进行车 辆污染的生物监测。甲基
14、杆菌还具有一定的耐辐射 能力，可以作为食品和包装工业杀菌检测的指标。 M. thiocyanatum具有耐受和降解较高水平的氰酸 酯和硫氰酸盐的功能，可通过生物法处理各种工厂 排出的硫氰类化合物。 产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物 厌氧消化转化成甲烷和二氧化碳的古细菌 ，是严格厌氧菌，属于广古生菌门 (Euryarchaeota)，生活在反刍动物的瘤胃 、人类的消化系统、稻田、湖泊或海底沉 积物、热油层和盐池，以及污泥消化和沼 气反应器等人为环境中。产甲烷菌是厌氧 消化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。 2、产甲烷菌 产甲烷菌分成5个目：甲烷杆菌目 (Meth
15、anobacteriales)、甲烷球菌目 (Methanococcales)、甲烷八叠球菌目 (Methanosarcinales)、甲烷微菌目 (Methanomicrobiales)和甲烷超高温菌目 (Methanopyrales),分离鉴定的产甲烷菌已 有200多种。 所有的产甲烷菌都是专性严格 厌氧菌，对氧非常敏感，遇氧 后会立即受到抑制，不能生长 繁殖，有的还会死亡。产甲烷 菌生长特别缓慢。在人工培养 条件下，要经过十几天甚至几 十天才能长出菌落；在自然条 件下甚至更长。其原因在于可 利用的底物很少，只能利用很 简单的物质，如二氧化碳、氢 、甲酸、乙酸等，这些简单的 物质必须由其它
16、发酵性细菌把 复杂有机物分解后提供给产甲 烷菌，因此要等到其它细菌都 大量生长以后才能生长，而且 产甲烷菌的世代时间相对较长 。 生理生化特征 产甲烷菌生活在厌氧条件下，通过甲烷的生物合 成形成维持细胞生存所需的能量，存在糖酵解途径 (EMP)、三羧酸循环(TCA)、氨基酸和核苷酸代谢。 但一些基本所需的酶未被确定。产甲烷菌是自养型 的生物，发现了许多无机物进入细胞所需的通道蛋 白，如Na+、K+、Ca2+、Co2+、C1-、Fe2+/Fe3+等，以 及亚砷酸、磷酸、硫酸、硝酸等无机酸。产甲烷菌 还具备运输乳酸、六碳三羧酸、六碳二羧酸等有机 物进入细胞的转运蛋白。产甲烷菌是目前唯一知道 的可固氮古生菌。产甲烷菌能够吸收环境中的硫酸 根，通过一系列的酶代谢最终形成硫化氢。 代谢研究
