成果简介
由厌氧甲烷氧化古菌介导的厌氧甲烷氧化过程在全球甲烷循环过程中扮演着至关重要的作用。目前已知地球化学循环中产生的绝大部分的甲烷都被厌氧甲烷氧化菌代谢转化，从而有效减缓了温室气体排放，改善地球气候变化。这使得近些年关于甲烷厌氧氧化以及主导该过程的微生物代谢成为环境生态和环境地球化学方向的一个研究热点。然而，受限于没有纯培养的厌氧甲烷氧化古菌，目前关于其生理代谢特征，尤其是他们如何还原各种电子受体的生物化学机制尚不清楚。我们课题组前期的工作总结表明，目前已经被报道的基于各类不同电子受体的厌氧甲烷氧化过程，绝大多数都涉及到厌氧甲烷氧化古菌的胞外电子传递能力。这也与目前被广泛报道的基于基因组挖掘预测得到的厌氧氧化古菌胞外电子传递的潜力相符。然而，目前鲜有针对厌氧甲烷氧化古菌胞外电子传递途径的实验性以及生理生化证据。
近期，昆士兰大学水中心胡氏虎/袁志国团队在
《
Nature Communications
》发表了题为
“Multi-heme cytochrome-mediated extracellular electron transfer by the anaerobic methanotroph ‘
Candidatus
Methanoperedens nitroreducens’”
的研究论文。研究通过单细胞荧光标记、单细胞电子显微镜观测、电化学测试以及拉曼光谱学手段，并结合宏转录组学分析，揭示了厌氧甲烷氧化古菌
‘
Ca.
M. nitroreducens’
通过
多血红素细胞色素介导的直接胞外电子传递途径，同时发现其可以通过调控不同的多血红素细胞色素的表达来实现不同的胞外电子传递路径。昆士兰大学水中心博士后研究员张学勤为论文第一作者，水中心副教授胡氏虎为论文通讯作者。作者还包括水中心前主任（现单位为香港城市大学）袁志国教授，昆士兰大学赵静博士、Hesamoddin Rabiee博士和Bernardino Virdis博士，以及昆士兰科技大学Georgina H. Joyce、Andy O. Leu博士、Simon J. McIlroy副教授和Gene Tyson 教授。
重要结果
首先，我们通过单细胞亚铁荧光标记（图
1b-d
）并结合宏转录组学的主要代谢分析
（图
1f
），证实了
‘
Ca.
M. nitroreducens’
具备直接胞外电子传递能力，而无需与其它电化学活性细菌共生通过潜在的依托介质扩散的间接胞外电子传递模式来还原铁。同时，比较转录组分析预示了
多血红素细胞色素在
‘
Ca.
M. nitroreducens’
还原铁过程中扮演了至关重要的角色。
图
1. ‘
Ca.
M. nitroreducens’
催化的甲烷厌氧氧化铁还原过程。（
a
）甲烷氧化和铁还原的性能图；（
b-d
）
. ‘
Ca.
M. nitroreducens’
还原铁过程的荧光表征。（
b
）
‘
Ca.
M. nitroreducens’
的自荧光；（
c
）用于表征铁还原菌的亚铁荧光标记图；（
d
）
b
和
c
的重叠图。（
e
，
f
）
‘
Ca.
M. nitroreducens’
富集菌群分别以硝酸盐和铁作为电子受体代谢的宏基因组和关键代谢途径的宏转录分析。
通过对铁还原实验中微生物细胞进行血红素染色后的电镜分析，我们从单细胞微观水平证实了
‘
Ca.
M. nitroreducens’
胞外血红素蛋白的存在（图
2a-d
）。与此同时，我们测试并证实了
‘
Ca.
M. nitroreducens’
还原银离子的能力，且电镜表征观察到银离子还原生成的纳米银能够在
‘
Ca.
M. nitroreducens’
细胞表面沉积（图
2e-f
）。该银离子的还原和沉积过程被发现能够被化学物
N-
乙酰
-L-
蛋氨酸抑制（图
2g-h
）。由于该化学物能够与血红素
c
发生轴向配位反应并改变血红素
c
的还原电位，该实验结果不仅进一步证实
‘
Ca.
M. nitroreducens’
能通过直接电子传递实现金属还原，而且进一步暗示血红蛋白在
‘
Ca.
M. nitroreducens’
胞外电子传递过程中扮演的至关重要的作用。
图
2. ‘
Ca.
M. nitroreducens’
胞外血红素染色（
a-d
）其及还原银离子并在细胞表明沉积纳米银的透射电镜观察图（
e-h
）。
为了进一步证实
‘
Ca.
M. nitroreducens’
胞外血红素作为电子转移管道的功能，我们对
‘
Ca.
M. nitroreducens’
进行了一系列基于计时安培法和循环伏安法的电化学表征（图
3a,b
）。结合血红素的抑制实验（图
3c,d
），我们揭示了血红素蛋白充当
‘
Ca.
M. nitroreducens’
细胞外电子转移的管道。而进一步的拉曼光谱分析也证实细胞色素
c
介导了
‘
Ca.
M. nitroreducens’
生物膜与电极之间的电子传递过程（图
3e
）。
图
3
针对
‘
Ca.
M. nitroreducens’
中血红蛋白的电化学（
a-d
）以及光谱学（
e
）表征。
最后，我们通过比较
‘
Ca.
M. nitroreducens’
利用不同电子受体（包括硝酸盐、铁、电极）进行呼吸代谢时的宏转录组
，发现它完全表达了不同的多血红素细胞色素来分别实现不同的跨包膜以及胞外的电子传递链（图4）。该结果暗示
‘
Ca.
M. nitroreducens’
可以通过调控多
血红素细胞色素的表达来实现不同的胞外电子传递路径，从而实现自身代谢的多样性。
图
4 ‘
Ca.
M. nitroreducens’
在不同代谢条件下
多血红素细胞色素表达水平的比较。
研究意义
本研究通过提供多方面的生理生化证据，揭示了厌氧甲烷氧化古菌基于多血红素细胞色素的胞外电子传递途径。该研究为目前包括硫酸盐型、铁型以及锰型甲烷厌氧氧化过程中被一直推测的电生物学过程以及生物化学机理提供了重要的生理学依据。而基于多血红素细胞色素表达调控的不同胞外电子传递路径的发现，也为目前已知的厌氧甲烷氧化古菌的代谢多样性及其在地球自然环境中的广泛分布提供了依据。该研究推动我们对厌氧甲烷氧化古菌在全球甲烷循环和其它生物地球化学循环中扮演的角色有了更进一步的认知。
作者简介
第一作者：张学勤，澳大利亚昆士兰大学水与环境生物技术中心博士后研究员。主要研究方向包括生物地球化学循环中新型微生物的生理和生态学研究，全球甲烷循环以及环境污染物去除过程中电微生物学研究，温室气体增值转化的技术应用研究。目前在Nature Microbiology, Nature Communications, Environmental Science & Technology, Water Research和Energy & Environmental Science等期刊合作发表论文30余篇。
通讯作者：胡氏虎，澳大利亚昆士兰大学水与环境生物技术中心副教授。主要从事全球碳、氮和金属循环有关的微生物机理与工程应用研究。在
Nature
、
Science
、
Nature Microbiology, Nature Communications, ISME J
、
Environmental Science & Technology
、
Water Research
、
Energy & Environmental Science
等刊物上发表
SCI
论文
100
余篇。与澳大利亚和国际水务公司合作，在硫化物控制、废水中碳和营养物质的去除与回收方面主持了多个科研（总现金经费超过
1400
万澳元）。获得包含“澳大利亚水协会（
AWA
）昆士兰州
研发卓越奖”、“
AWA
昆士兰基础设施项目创新奖”等在内的科研奖项
10
余个。
来源：
UQ水中心
。
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