1322 生 物 工 程 学 报 Chinese Journal of Biotechnology http://journals.im.ac.cn/cjbcn DOI: 10.13345/j.cjb.210418 严程 等/好氧甲烷氧化菌及其工程应用进展 Apr. 25, 2022, 38(4): 1322-1338 ©2022 Chin J Biotech, All rights reserved ·综    述· 好氧甲烷氧化菌及其工程应用进展 严程 1，梅娟 1,2，赵由才 3 1 苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009 2 江苏省环境科学与工程重点实验室，江苏 苏州 215009 3 同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092 严程, 梅娟, 赵由才. 好氧甲烷氧化菌及其工程应用进展. 生物工程学报, 2022, 38(4): 1322-1338. YAN C, MEI J, ZHAO YC. Engineering application of aerobic methane oxidizing bacteria (methanotrophs): a review. Chin J Biotech, 2022, 38(4): 1322-1338. 摘 要： 好氧甲烷氧化菌能以甲烷作为碳源和能源，对全球甲烷消除的贡献率高达 10%–20%， 还能有效地合成有价值的甲烷来源生物产品。文中介绍了好氧甲烷氧化菌的甲烷氧化代谢机理， 总结了好氧甲烷氧化菌在填埋场甲烷减排、煤矿通风气治理、合成生物产品、油气藏勘探等领域 的实际应用功效和研究热点，即污染物去除和产品合成效率的影响因素。基于对甲烷氧化菌规模化 培养方法的研究，本文认为加强培养过程中代谢产物对甲烷氧化菌活性和种群结构影响的研究，以 及开发经济高效的替代培养基和培养技术的研究将有利于好氧甲烷氧化菌生物技术的应用推广。 关键词： 好氧甲烷氧化菌；培养技术；甲烷减排；微生物合成；油气勘探 Engineering application of aerobic methane oxidizing bacteria (methanotrophs): a review YAN Cheng1, MEI Juan1,2, ZHAO Youcai3 1 Department of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, Jiangsu, China 2 Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Science and Engineering, Suzhou 215009, Jiangsu, China 3 State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, China Abstract: Aerobic methane oxidizing bacteria (methanotrophs) can use methane as carbon source and energy source, eliminating 10%–20% of global methane. Methanotrophs can also effectively synthesize Received: June 3, 2021; Accepted: August 19, 2021; Published online: September 14, 2021 Supported by: National Natural Science Foundation of China (51508367) Corresponding author: MEI Juan. Tel/Fax: +86-512-68247000; E-mail: juanmei@usts.edu.cn 基金项目：国家自然科学基金 (51508367) 严程 等/好氧甲烷氧化菌及其工程应用进展 valuable methane-derived products. This article introduced the methane oxidizing mechanism of methanotrophs, and summarized the practical application and research hotspots of methanotrophs in the field of methane emission reduction in the landfill, ventilation air methane mitigation in coal mines, valuable chemicals biosynthesis, as well as oil and gas reservoir exploration. Main factors influencing the pollutant removal and the biosynthesis efficiency in various applications were also discussed. Based on the study of large-scale cultivation of methanotrophs, some measures to benefit the application and promotion of aerobic methane oxidizing biotechnology were proposed. This includes investigating the effect of intermediate metabolites on methanotrophs activity and population structure, and exploiting economical and efficient alternative culture media and culture techniques. Keywords: aerobic methane oxidizing bacteria; cultivation technology; methane reduction; microbial synthesis; oil and gas exploration 好氧甲烷氧化菌 (aerobic methane-oxidizing bacteria, MOB) 是能以甲烷为唯一碳源和能源 的微生物。它在环境中广泛存在，能将厌氧环 境产生的甲烷氧化，避免其逃逸到大气，对全 球甲烷消除的贡献率高达 10%–20%[1]。由于对 全球变暖问题的重视，好氧甲烷氧化菌也越来 1 好氧甲烷氧化菌的培养 1.1 好氧甲烷氧化菌培养条件优化 甲烷氧化菌的驯化培养是对其进行生物学特 性研究和微生物应用的前提。甲烷氧化菌的首次 被分离成功可追溯到 1906 年，并提出了简单的甲 越受到关注。同时，由于好氧甲烷氧化菌特有 烷氧化菌培养方法。Meruvu 等[1]总结了现有的甲 的甲烷代谢途径和功能酶，可以利用它将甲烷 烷营养生长培养基的组成，及其相应的甲烷氧化 合成高价值生物产品，从而使其具有商业价 菌来源和目标甲烷营养菌，不同研究中采用的实 值，相关甲烷合成化合物的工程应用也成为热 验室好氧甲烷氧化菌培养方法和条件见表 1[3-12]。 点，在聚羟基链烷酸酯 (polyhydroxyalkanoate, 不同甲烷氧化菌的生长速度不同，许多甲 PHA) 和单细胞蛋白(single cell protein, SCP) 烷氧化菌生长缓慢，包括一些在极端环境分离 生产中生产规模以吨计，可提高勘探钻井成功 出的种类，如从温热泉环境中分离出来的甲基 率达 83%[2]。 暖菌 (Methylocaldum marinum)、甲基细胞菌 随着人们对好氧甲烷氧化菌种群特征和 (Methylocella silvestris)，在琼脂平板上出现菌 代谢过程研究的深入，对好氧甲烷氧化菌的 落可能需要 2–4 周 [13]。另外有些生长速率高的 实际应用也越来越广泛。本文针对已经实现 菌种较适于生物合成等工程应用而被广泛关 工程应用的几个领域，介绍了好氧甲烷氧化 注，如甲基球菌 (Methylococcus capsulatus) Bath 菌应用技术的发展现状。文中还分析了好氧 和 甲 基 弯 曲 菌 (Methylosinus trichosporium) 甲烷氧化菌规模化培养中存在的问题，以及 OB3b，生长速率可以达到 0.2 h–1 ，细胞密度为 在代谢机制和种群关系研究等方面存在的不 1–5 g 干 重 /L。 而 甲 基 单 胞菌 (Methylomonas 足，以促进好氧甲烷氧化菌生物技术的应用 methanica) 和 甲 基 微 菌 推广。 alcaliphilum) 的表观生长率约为 0.4 h–1[14]。 ☏：010-64807509 (Methylomicrobium ：cjb@im.ac.cn 1323 1324 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q 生物工程学报 Chin J Biotech 表 1 好氧甲烷氧化菌培养条件 Table 1 Cultural conditions for aerobic methanotrophs Cultural object Microbial origin MOB strain Activated sludge of NMS a brewery plant Paddy field soil 2-fold-diluted NMS medium Hot spring Wet rice field soil, methane seep and warm spring sediments Coal mine soil MOB consortium Medium Cultural parameters Result References 30% CH4, 30 °C, 230 r/min 20% CH4, 24 °C, 100 r/m