DOI:10.13287/j.1001-9332.2012.0313 应 用 生 态 学 报 2012 年 8 月 第 23 卷 第8 期 Chinese Journal of Applied Ecology，Aug． 2012， 23（ 8） ： 2309 － 2318 甲烷氧化菌及其在环境治理中的应用 魏素珍 * ＊＊ （ 西藏农牧学院资源与环境学院，西藏林芝 860000） 摘 要 甲烷的生物氧化包括好氧氧化和厌氧氧化两种 ，分别由好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷 氧化菌完成． 由于该过程是减少自然环境中温室气体甲烷排放的重要途径，越来越受到各国 学者的重视． 本文主要对当前甲烷氧化菌的研究现状进行了综述 ，对好氧甲烷氧化菌的种类、 参与氧化甲烷的关键酶，厌氧甲烷氧化菌的种类、参与的微生物菌种以及氧化机理进行了论 述，并对这两类微生物在温室气体减排、污染物治理、废水生物脱氮、硫及金属元素回收等方 面的应用现状及前景进行了分析 ． 关键词 好氧甲烷氧化菌 厌氧甲烷氧化菌 文章编号 1001 － 9332（ 2012） 08 － 2309 － 10 温室气体减排 中图分类号 硫酸盐还原 Q142． 9； X172 反硝化 文献标识码 A Methanotrophs and their applications in environment treatment： A review． WEI Su-zhen （ Department of Resource and Environment，Tibet Agricultural and Animal Husbandry College， Nyingtri 860000，Tibet，China） ． -Chin． J． Appl． Ecol． ， 2012， 23（ 8） ： 2309 － 2318． Abstract： Methanotrophs can oxidize methane，playing an important role in regulating methane emission，and gaining increasing attention by the researchers around the world． Two biological pathways are involved in methane oxidation，i． e． ，anaerobic oxidation and aerobic oxidation，which are governed by anaerobic and aerobic methanotrophs， respectively． In this paper， the research advances about methanotrophs were summarized，with the focus on the phylogeny and taxonomy of methanotrophs，the key enzymes responsible for the aerobic oxidation of methane，the microorganisms involved in the anaerobic oxidation of methane，and the mechanisms of microbial methane consumption． The application prospects of the two methane oxidizers in greenhouse gases removal，pollutants degradation，biological denitrification，and recovery of metals and sulfur compounds were also analyzed． Key words： aerobic methanotrophs； anaerobic methanotrophs； greenhouse gases removal； sulfate reduction； denitrification． 甲烷是一种重要的温室效应气体，对温室效应 的贡献仅次于 CO2 ，达 20% ，千百年来其在大气中 ［1， 3］ ． 甲烷的生物氧 的甲烷约占生物产甲烷的 60% 化可以通过两种途径进行，一种是在有氧条件下由 的浓度都未曾有大的变化，但是自工业革命后其浓 度增加了一倍多，而且还在以每年 1． 0% ～ 1． 2% 的 好氧甲烷氧化菌利用分子氧将甲烷氧化为 CO2 和 H2 O，另一种是在厌氧环境中由厌氧甲烷氧化菌偶 ［1］ ． 据估计，目前全球每年向大气排 放的甲烷量为 500 ～ 600 Tg，其中约 69% 是由微生 物贡献的，其余则是由人类在采矿、燃烧化石能源以 惊人速度增长 ［2］ 及焚烧生物体过程中产生的 ． 与甲烷的产生相对 应，自然环境中也广泛存在着甲烷的消耗 ，比如在湿 地、海洋、垃圾填埋场、稻田等场所，这些地方的甲烷 消耗主要是由甲烷氧化菌介导的，这一过程中消耗 * 国家自然科学基金项目（ 51108378） 和国家 211 工程师资队伍建设 项目（ SZRC-211-06） 资助． ＊＊通讯作者． E-mail： szhwei@ yahoo． cn 2012-02-29 收稿， 2012-05-04 接受． 联 SO4 2－ － － 或 NO2 / NO3 等的还原完成． 目前对甲烷 氧化过程以及参与微生物的研究越来越受到人们的 重视，本文主要对甲烷氧化菌的研究现状及其在环 境治理中的应用现状和前景进行了综述和展望 ． 1 甲烷好氧氧化 人们对甲烷的好氧氧化认识是比较早的，研究 也相对比较深入． 早在 20 世纪初就有甲烷氧化菌分 离纯化的报道，但其分类工作直到 1970 年 Whittenbury 等［4］分离鉴定了 100 多个甲烷氧化菌后才开始 应 2310 用 生 建立起来． 至今，这类好氧性的甲烷氧化菌已确定有 17 个属，根据形态结构以及生理生化性质大致可以 ［5］ 分为 3 个类群，即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅹ型 ，都属于变形 态 学 报 23 卷 本途径都是一致的，即甲烷首先被氧化为甲醇，之后 进一步氧化为甲醛、甲酸，最终被氧化为 CO2 ． 这一 过程虽然看似简单，但却是一个非常复杂的过程，尤 其是将甲烷氧化为甲醇的过程． 目前已发现催化该 菌门（ Proteobacteria） ． Ⅰ型的特征是： 胞内膜 （ intracytoplasmic membranes） 成束分布，利用核酮糖单磷 酸途径（ RuMP pathway） 同化甲烷，特征磷脂脂肪酸 过程的关键酶是甲烷 单 加 氧 酶 （ methane monooxygenase，MMO） ，该酶有两种类型，一种是位于细胞膜 长度为 14 ～ 16 个碳． Ⅱ型的特征是： 胞内膜沿细胞 质膜排列，利用丝氨酸循环 （ serine pathway） 同化甲 上的颗粒状甲烷单加氧酶 （ particulate methane monooxygenase，pMMO） ，几乎存在于所有已发现的甲 烷，特征磷脂脂肪酸长度为 18 个碳． Ⅹ型甲烷氧化 菌兼有Ⅰ型和Ⅱ型的一些特征，比如特征磷脂脂肪 烷氧化菌中； 另一种是位于细胞质中的可溶性甲烷 单加氧酶 （ soluble methane monooxygenase，sMMO） ， 酸长度为 16 个碳，既有核酮糖单磷酸循环，也有丝 氨酸循环，偶尔也存在核酮糖-1，5 二磷酸循环，并 ［15］ 仅存在于部分甲烷氧化菌中 ． 有的甲烷氧化菌仅 能表达一种 MMO，而有的甲烷氧化菌，比如 Methylo- ［6］ 且生长温度常高于Ⅰ型和Ⅱ型 ． 以上是传统的分 类方法，但是随着越来越多新种的发现，该分类方法 coccus capsulatus Bath 和 Methylosinus trichosporium OB3b 则两种 MMO 都能表达，但至于表达哪种类型 已经不能 满 足 现 实 的 需 要，比 如 疣 微 菌 门 （ Verrucomicrobia） 甲烷氧化菌的发现，该类微生物没有典 的 MMO 则取决于培养基中铜离子的浓度 ． 一般 地，sMMO 常在铜离子与生物量比值较低时获得表 ［7 － 9］ 型的胞内膜但却有膜泡组织 ． 此外，也并非所有 的甲烷氧化菌都可以非常完美地归入上述 3 个类 群，比如有些甲烷氧化菌同时具有Ⅰ型和Ⅱ型的特 征磷脂 脂 肪 酸，如 Methylocystis heyeri、M． crimeensis ［10 － 12］ 和 M． thermalis 等． 因此，原有的分类标准需要 ［1］ 扩充或者采用新的分类方法． 最近 Borrel 等 依据 16S rRNA 基因序列对已知的甲烷氧化菌也进行了 ［6］ 达，而 pMMO 常在铜离子与生物量比值较高时获得 ［16］ 表达 ． 目前对 sMMO 的研究已相当透彻，与之相 对，由于胞外性质异常不稳定，人们对 pMMO 的认 识还非常有限． 已知 sMMO 和 pMMO 都是非专一性 的甲烷氧化酶，即除了氧化甲烷外，还能氧化一系列 的短链化合物． sMMO 可以氧化长达 8 个碳的烷类、 分类，共 分 了 4 个 科，即 甲 基 球 菌 科 （ Methylococcaceae） 、甲基孢囊菌科 （ Methylocystaceae） 、拜叶林 环烃以及芳香族化合物，而 pMMO 的底物范围却比 sMMO 窄得多，仅能氧化长达 5 个碳的烷类，不能氧 ［17］ 化环烃及芳香族化合物 ． 已知 sMMO 和 pMMO 都 克氏菌科（ Beijerinckiaceae） 和甲基嗜酸菌科 （ Methylacidiphilaceae） ． 这 4 个科都属于细菌，其中甲基球 可以催化多种卤化物比如三氯乙烯 （ TCE） 的降解， 并且其降解速率一般较其他的单加氧酶快 1 ～ 2 个 菌科 和 甲 基 孢 囊 菌 科 都 属 于 γ-变 形 菌 纲 （ γ-proteobacteria） ，拜叶林克氏菌科属于 α -变形菌纲 （ α - 数量级，因此甲烷氧化菌的这一性质对去除环境中 ［5］ 的污染物具有非常重要的意义 ． proteobacteria） ，甲基嗜酸菌科属于疣微菌门． 甲基 球菌科中的甲烷氧化菌几乎都是Ⅰ型甲烷氧化菌， 2 甲基孢囊菌科中的甲烷氧化菌几乎都是Ⅱ型甲烷氧 化菌，拜叶林克氏菌科中的甲烷氧化菌代谢类型多