甲烷养菌如何应对有毒的硫化氢?

甲烷养菌——靠消耗甲烷生长的生物——似乎是缓解全球变暖的完美选择，因为甲烷约占全球变暖效应的30%。然而，钻井现场的天然气主要由甲烷组成，也含有硫化氢(H2S)，抑制甲烷养菌的生长。在一项新的研究中，研究人员发现甲烷营养菌甲基球菌属capsulatus巴斯有一种酶，可以帮助它在少量H的存在下生长2年代。

“硫化氢是石油和天然气行业的一个主要问题。如果我们要开发解决甲烷排放的生物解决方案，那么我们需要了解甲烷养菌对硫化氢的反应，”化学和生物分子工程教授克里斯托弗·拉奥(BSD/CABBI/GSE/MME)说。“这项研究是关于甲烷养菌如何根据H2S重新编程新陈代谢的首批调查之一。”

“甲烷养菌是自然界中主要的甲烷汇，因为它们使用甲烷作为碳源，不像其他细菌，比如细菌大肠杆菌这篇论文的第一作者、Rao and Mackie (MME)实验室的前研究生裴思聪说。“通过研究甲烷养菌，我们可以了解并设计它们增加甲烷消耗，帮助减轻甲烷的温室效应。”

m . capsulatus巴斯目前用于商业目的，用纯甲烷喂养它们，以制造用于动物饲料的单细胞蛋白质。尽管已经为此目的对细菌进行了广泛研究，但尚不清楚是如何做到这一点的m . capsulatus巴斯对天然气进行处理，天然气中除了甲烷，还含有二氧化碳、氮气和H2S。

裴说:“H2S毒性大，腐蚀性强，石化行业必须将其从天然气中去除，这一步骤被称为‘净化’。”“然而，我们知道有甲烷养菌生活在温泉中，那里有高浓度的甲烷和H2S。这些细菌必须对硫化合物有天然的抗性，这意味着使用这些细菌可以省去甜味过程，节省资金。”

虽然其他研究人员研究了H2S对m . capsulatus他们只进行了生理测试，测量了气体存在时细菌的生长速度。在目前的研究中，研究小组观察了细胞内的转录(细胞利用DNA制造信使rna的过程)，以进一步研究H2S对这些细菌代谢的影响。

首先，研究人员使用不同浓度的H2S来观察哪些浓度具有抑制作用。虽然m . capsulatusH2S浓度为0.1%时，Bath可以生长，0.5%和0.75%浓度时生长速度下降，1% H2S时完全被抑制。裴说:“我们试图找到细菌能够耐受H2S的最佳位置，同时又不会给细菌带来太大压力。”

然后，研究人员用不同浓度的H培养细菌2S，包括0%、0.1%、0.5%和0.75%，并观察RNA和小分子水平的变化。他们发现在0.75% H2S使细菌不再使用依赖钙的甲醇脱氢酶mxaF到依赖于镧的甲醇脱氢酶xoxF．

裴说:“这些细菌在甲烷上生长，首先将其转化为甲醇，然后在甲醇脱氢酶的帮助下转化为甲醛。”“基因xoxF是十年前发现的，它使用镧系元素。我们看到了xoxF增加了五倍mxaF．”

镧系元素在自然界中通常以极低的浓度存在——通常在微摩尔范围内。那么问题来了，为什么细菌要依赖一种使用镧系元素的酶呢?“30亿年前，地球大气主要含有甲烷和H2S。古代微生物很可能含有适应这些恶劣条件的酶。一种假设是细菌遗传了xoxF基因产生了这种相对古老的酶，使它们能够在富含硫化物的条件下发挥作用。”

尽管这些细菌xoxF，他们主要依靠mxaF因为这样效率更高。然而，研究人员表明，当这些细菌接触到硫化物时，它们会转而使用硫化物xoxF．“以前，只有当研究人员添加镧元素时，才会看到这种转变，”裴说。“我相信这个开关背后有一个有趣的机制，而这只是谜题的一部分。”

参考:裴生，刘鹏，达柏林，李美琪，饶文伟。系统分析了硫化氢对生长的影响甲基球菌属capsulatus浴。应用微生物生物技术．2022; 106(23): 7879 - 7890。doi:10.1007 / s00253 - 022 - 12236 - y

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