基于直接胞外电子吸收的古菌Methanosarcina barkeri产甲烷机制

In recent years, a new methane-production pathway of methanogenic archaea via direct extracellular electron uptake has been discovered. It has been of great significance to soil ecology and broad application prospects in biomass energy. Methanosarcina barkeri is genetically tractable, making it a model organism for elucidating methanogenesis mechanisms. Direct extracellular electron uptake is the crucial issue of the new pathway of methanogenesis, the essence of which is membrane-bound redox proteins involved in electron transfer channels. Thus, this project uses membrane-bound hydrogenase as the hitting-point of direct extracellular electron uptake. An H-cell bioelectrochemistry system will be set up. Methane formation from cathodic electrons will be observed in a wild-type strain of the methanogenic archaeon Methanosarcina barkeri as well as in hydrogenase-deletion mutants. Microelectrode technique combined with molecular biology methods will be employed to proof cathode-derived electrons has been directly uptaked by Methanosarcina barkeri and used for methane formation. On this basis, transcriptomic and genetic analysis will further reveal the mechanisms that Methanosarcina barkeri accepts electrons via direct extracellular electron uptake for the reduction of carbon dioxide to methane.

产甲烷古菌通过直接吸收胞外电子产甲烷是近年来发现的一种新型甲烷产生途径，这一途径具有重大的土壤生态学意义及广阔的生物质能源应用前景。Methanosarcina barkeri易于进行遗传操作是产甲烷机理研究的模式菌株，胞外电子直接吸收机制是其中最核心的科学问题，其本质是膜结合的氧化还原蛋白构建胞外电子传递通路。因此，本项目拟以膜结合的氢酶作为研究直接胞外电子吸收机制的切入点，构建以“H”型电池为主体装置的生物电化学系统，以产甲烷菌Methanosarcina barkeri及其氢酶突变菌株为研究对象，综合运用微电极以及分子生物学方法，研究证实产甲烷古菌Methanosarcina barkeri具备直接吸收胞外电子产甲烷能力。在此基础上利用转录组等分子生物学手段，研究该菌在电化学产甲烷条件下的生化代谢途径，揭示其直接吸收胞外电子还原二氧化碳产甲烷机制。

甲烷是重要的温室气体，同时也是广泛的可再生能源。深刻认识甲烷代谢过程中的微观机理可为人类实现甲烷的减排及能源的合理利用打下坚实的理论基础。本研究以纳米磁铁与产甲烷体系的相互作用作为研究主线，电子传递途径为切入点，分别研究了纳米磁铁对互营丁酸氧化产甲烷体系的影响，纳米磁铁对M.barkeri进行乙酸型产甲烷的影响，并对其机制进行了探讨，主要得出了以下结论：.（1）在互营丁酸氧化产甲烷体系中，纳米磁铁以促进直接种间电子传递（DIET）的方式加速甲烷产生进程。.（2）在M.barkeri乙酸型产甲烷纯培养体系，纳米磁铁的添加可显著促进甲烷的产生，超薄切片显微照片、拉曼光谱分析以及电化学分析等分析结果证明，纳米磁铁颗粒可以穿过细胞膜进入细胞内部并且提高了整个培养体系的氧化还原活性，暗示着纳米磁铁颗粒起到了电子穿梭体的作用。纳米磁铁作为固态的电子穿梭体介导M.barkeri乙酸型产甲烷。.纳米磁铁对产甲烷体系的作用呈现出一定的复杂性，例如对互营体系有促进作用，但对该体系中单独的纯菌没有作用，对某些乙酸型产甲烷菌有显著作用，对氢型产甲烷菌没有作用。其中的机理值得进一步深入探讨。