再发Nature：承磊团队揭示细菌和古菌的新型共生模式，合作共赢产天然气

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

甲醇被许多生活在地表下的微生物代谢成天然气甲烷，然而，这些甲醇从何而来，一直不清楚。

2025 年 1 月 19 日，农业农村部成都沼气科学研究所承磊团队联合日本国立海洋研究开发机构、日本产业技术综合研究所及北京大学的研究人员，在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Methanol transfer supports metabolic syntrophy between bacteria and archaea 的研究论文。

该研究发现了一种合作共赢的菌群互作模式，揭示了厌氧微生物产甲醇的新途径，并提出了 第四种细菌和古菌互作产甲烷模式——种间甲醇转移。这一发现为理解全球甲烷循环提供了全新视角，也为“地下沼气工程”和温室气体减排控制技术开发带来了新思路。

在地下产甲烷生态系统中，利用甲基化合物的古菌——甲基营养型产甲烷菌——的普遍存在，表明了甲基化合物在这些生境的生态学和碳循环中具有重要作用。然而，这些化合物的来源仍不清楚，因为目前尚未发现有能量代谢途径能将甲基化合物作为主要产物从头生成。

承磊团队之前从地下油藏发现了一种新型嗜热厌氧细菌——Zhaonella formicivorans（嗜甲酸赵氏杆菌，为纪念沼气所赵一章研究员而命名）和一种新型吃甲醇产甲烷的厌氧古菌Methermicoccus shengliensis（胜利甲烷嗜热微球菌，为纪念胜利油田而命名）。

在这项最新研究中，研究团队揭示了嗜甲酸赵氏杆菌的能量代谢途径，该途径能将甲酸转化为甲醇，从而无需甲基化化合物作为输入就能生成甲醇。培养实验表明，甲酸驱动的甲醇生成，会因甲醇的积累而受到抑制。

然而，这种限制可以通过胜利甲烷嗜热微球菌消耗甲醇来克服。胜利甲烷嗜热微球菌通过消耗嗜甲酸赵氏杆菌产生的甲醇，帮助其解决了甲醇累积的问题，还能够甲醇转化为甲烷，从而持续生成天然气。

此前人们认为，细菌和古菌互作产甲烷模式（互惠交叉喂养模式，也叫做互营代谢）模式依赖于氢气、甲酸或电子传递，而该研究发现的种间甲醇转移，代表了由热力学必然性驱动的第四种互作产甲烷模式。

此外，研究团队利用嗜甲酸赵氏杆菌和胜利甲烷嗜热微球菌人工构建了合成菌群，并结合同位素示踪、多组学等前沿技术，证实了嗜甲酸赵氏杆菌通过全新的甘氨酸—丝氨酸循环介导途径产生甲醇，这也是首次在微生物细胞内发现。这种转化过程面临的热力学限制，通过与产甲烷古菌——胜利甲烷嗜热微球菌的合作得以克服。

这种不同寻常的新陈代谢和互营作用为地下产甲烷生态系统中甲基化合物的神秘存在提供了见解，并展示了生物体如何通过代谢共生在热力学极限下生存。

日本国立海洋研究开发机构Masaru K. Nobu、日本产业技术综合研究所Souichiro Kato，农业农村部成都沼气科学研究所承磊为论文共同通讯作者，沼气所副研究员黄艳为论文第一作者。

2021 年 12 月 22 日，农业农村部沼气科学研究所承磊团队、深圳大学高等研究院李猛团队与德国马克斯普朗克海洋微生物研究所Gunter Wegener团队合作，在Nature期刊发表了题为： Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species 的研究论文，在古菌降解长链烷烃产甲烷研究方面取得突破性进展。

该研究结合稳定碳同位素标记培养、宏基因组和宏转录组测序、高分辨质谱等技术，深入分析了一类新型产甲烷古菌——Candidatus Methanoliparum，首次证实了其独立降解长链烷基烃产甲烷的功能。

2024 年 7 月 24 日，农业农村部成都沼气科学研究所承磊团队与荷兰瓦赫宁根大学Diana Z. Sousa团队合作，在Nature期刊发表了题为：Isolation of a methyl-reducing methanogen outside the Euryarchaeota 的研究论文。这是我国学者首次在顶级期刊发表厌氧微生物分离培养的报道，是我国在厌氧古菌资源领域的一个重大突破。

该研究发现并分离培养了一种新型产甲烷古菌——Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6，并 证实了 该古菌具有氢依赖代谢甲基化合物产甲烷的生理功能，但不具有发酵生长能力 。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08491-w

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04235-2

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07728-y