甲基营养菌产甲烷菌与光合细菌

甲基营养型酵母(Methylotrophic yeast) 能够以甲醇、甲烷、甲酸等化合物作为碳 源，是甲基营养菌中的一大类群，是主要 的真核甲基营养菌(Eucaryotic methylotroph)，部分甲基营养型酵母可 以将甲醇作为唯一碳源和能源。所有已知 的甲基营养型酵母分别属于毕赤酵母属 (Pichia)、假丝酵母属(Candida)、球拟 酵母属(Torulopsis)、汉逊酵母属 (Hansenula)。
代谢研究
• 产甲烷菌生活在厌氧条件下，通过甲烷的生物合 成形成维持细胞生存所需的能量，存在糖酵解途径 (EMP)、三羧酸循环(TCA)、氨基酸和核苷酸代谢。 但一些基本所需的酶未被确定。产甲烷菌是自养型 的生物，发现了许多无机物进入细胞所需的通道蛋 白，如Na+、K+、Ca2+、Co2+、C1-、Fe2+/Fe3+等，以 及亚砷酸、磷酸、硫酸、硝酸等无机酸。产甲烷菌 还具备运输乳酸、六碳三羧酸、六碳二羧酸等有机 物进入细胞的转运蛋白。产甲烷菌是目前唯一知道 的可固氮古生菌。产甲烷菌能够吸收环境中的硫ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 根，通过一系列的酶代谢最终形成硫化氢。
甲基营养菌的应用 • 甲基营养细菌具有重要的商业用途：进行 单细胞蛋白生产，可以生产胞外多糖，作为
商业化的食品添加剂。甲基营养菌利用甲醇生产 氨基酸：L-丝氨酸、L-苏氨酸 、L-谷氨酸、L-赖 氨酸等。氨基酸的生产已经广泛用于食品和饲料 添加剂、药物、化妆品、高聚物、农业化合物等。 另外，甲基杆菌可以用来工业化生产各种辅酶(辅 酶Q10)、维生素(VB12)和聚-β-羟基丙酮等。这类 菌分泌的粉红色类胡萝卜素可以作为着色剂在食 品工业中应用，并且具有广泛的商业价值。
核酮糖单磷酸途径
HPS：6-磷酸己酮糖合成酶；PHI：6-磷酸己酮糖异构酶；
丝氨酸途径
甲醇氧化
• 甲醇氧化是由甲醇脱氢酶催化的。甲醛是甲基 营养菌同化和异化代谢途径的中间产物。在甲 烷营养菌中，甲烷经甲烷单加氧酶氧化成甲醇 后，再经甲醇脱氢酶进一步氧化。甲醇通过3 类酶的作用氧化成甲醛，第1类是革兰氏阴性 甲基杆菌中的醌蛋白甲醇脱氢酶；第2类是杆 状细菌中发现的与NAD相连的酶；第3类是在革 兰氏阳性菌中发现的甲醇：N,N’ -二甲基-4亚硝基苯胺氧化还原酶。一般来说，无论是产 生还原的细胞色素，还是还原的吡啶核酸，甲 醇氧化都是一个能量储存过程。甲基营养菌的 表型可能是从一个共同的祖先演变来。
甲醛和甲酸的氧化
大多数甲烷代谢所需的还原能量是利用甲醛氧化作 用产生的，并通过甲酸代谢释放出CO2。在甲基营养 菌中，甲醛氧化成甲酸是通过多酶系统完成的，而 在许多C1复合物(如甲烷、甲醇、甲胺等)进一步氧 化过程中，甲酸氧化成CO2是重要的一步。已经证明， 在M. extorquens AM1中，有4个异源甲酸脱氢酶的 基因簇，分别编码4种异源甲酸脱氢酶：两个编码 NAD相连的FDHs(FDH1和FDH2)，一个细胞色素相连的 FDH(FDH3)，以及FDH4 。革兰氏阴性甲基营养菌利 用丝氨酸途径作为甲醛固定的最初途径。
由于一碳化合物不是有机物，所以甲基营养菌不是自养菌， 但与自养菌有很多相似之处：都是原核生物，营养要求简 单，需要的能源物质专一性强，甲烷和NH4+的氧化机制相似， 都有复杂的内膜系统，细胞膜上都含有磷脂酰胆碱等。 甲基营养型细菌一般分为专性甲基营养菌和兼性甲基营养菌两 种类型： 专性甲基营养菌：又称为甲烷利用菌(Methanotrophs)，能利 用甲烷生长，少数可利用甲醇、甲醚生长，代表属有甲基单胞 菌属（Methylomonas）、甲基杆菌属（Methylobacterium）和 甲基球菌属（Methylococcus）等； 兼性甲基营养菌：主要利用甲醇和甲胺生长，也可利用其它碳 源（包括一碳化合物），但不能利用甲烷生长，代表属为生丝 微菌属（Hyphomicrobium），还有某些酵母菌。
• 甲基营养细菌在有氧条件下，能够利用一碳化合物 作为唯一的碳源和能源，将甲醇转化为有价值的产 品。甲醇具有丰富、可溶性、清洁、成本低廉等特 点，是一种很好的可选择原料的替代品。分泌粉红 色物质的甲基杆菌可以作为环境污染的指标。有些 菌可以生长在废气(烟尘)中，可以利用废气中的多 环芳香烃和长链脂肪烃，从而能以这些细菌进行车 辆污染的生物监测。甲基杆菌还具有一定的耐辐射 能力，可以作为食品和包装工业杀菌检测的指标。 M. thiocyanatum具有耐受和降解较高水平的氰酸 酯和硫氰酸盐的功能，可通过生物法处理各种工厂 排出的硫氰类化合物。
生理生化特征
所有的产甲烷菌都是专性严格 厌氧菌，对氧非常敏感，遇氧 后会立即受到抑制，不能生长 繁殖，有的还会死亡。产甲烷 菌生长特别缓慢。在人工培养 条件下，要经过十几天甚至几 十天才能长出菌落；在自然条 件下甚至更长。其原因在于可 利用的底物很少，只能利用很 简单的物质，如二氧化碳、氢 、甲酸、乙酸等，这些简单的 物质必须由其它发酵性细菌把 复杂有机物分解后提供给产甲 烷菌，因此要等到其它细菌都 大量生长以后才能生长，而且 产甲烷菌的世代时间相对较长。
• 产甲烷菌分成5个目：甲烷杆菌目 (Methanobacteriales)、甲烷球菌目 (Methanococcales)、甲烷八叠球菌目 (Methanosarcinales)、甲烷微菌目 (Methanomicrobiales)和甲烷超高温菌目 (Methanopyrales),分离鉴定的产甲烷菌已 有200多种。
甲基营养菌通常不依赖于糖酵解等途径，而是通过一碳化合物的 直接同化转变成可利用的物质(亚甲基四氢叶酸等)，然后通过丝 氨酸循环等途径进入卡尔文循环。因此，能够在还原性C1化合物 上生长的生物，需要有专一的生化途径提供能量和进行碳代谢。
• 好氧甲基杆菌代谢中，甲醛是代谢的中心。 大多数甲基杆菌利用底物生成的甲醛进入不 同的途径，一部分被氧化成CO2提供能量；另 一部分通过两条途径(即丝氨酸循环和核酮糖 单磷酸循环)被同化为细胞自身的碳化合物。 其它的甲基杆菌能够利用还原性C1化合物， 将其氧化成CO2，然后再通过卡尔文循环同化 CO2。
甲基营养型酵母
• 甲基营养型酵母含有特殊的酶催化甲醇氧化和一 碳同化。甲醇氧化成甲醛的过程发生在过氧化物 酶体中，而随后的氧化和同化过程主要发生在胞 质溶胶中。甲基营养型酵母主要通过一类非特异 性的醇脱氢酶(Alcohol oxidase，AO)开始甲醇氧 化过程。另一个重要的酶是过氧化氢酶(Catalase ，CAT)，主要在甲醇氧化成甲醛的过程中去除 H2O2的毒副作用，还可发挥超氧化物酶的作用。 第3个重要酶是二羟丙酮合成酶 (Dihvdroxvacetone synthase，DHAS)，存在于 过氧化物酶体中，是木酮糖-5-磷酸循环的组成部 分，催化甲醛同化，由一分子甲醛和一分子木酮 糖-5-磷酸生成2分子C3化合物(二羟基丙酮和甘油 醛-3-磷酸。甲醇营养所需的其他酶都存在于胞质 溶胶中。
系统分类学主要是根据生理生化特征来分的，能 够利用丝氨酸循环进行甲醛同化的归为α-变形杆 菌纲；所有不能利用甲烷的限制性专一甲基杆菌 归为β-变形杆菌纲(嗜甲基菌属Methylophaga除 外)；所有利用核酮糖单磷酸循环进行甲醛同化的 甲烷利用菌归为γ-变形杆菌纲，已知的所有革兰 氏阳性甲基杆菌都存在核酮糖单磷酸循环。对于 甲烷利用菌，有丝氨酸循环的α-变形杆菌称为I 型菌株，而含有核酮糖单磷酸途径的γ-变形杆菌 纲称为II型菌株。
甲醛代谢的异化途径
• 四氢叶酸途径
甲酸脱氢酶
次
甲烷氧化 在甲烷营养菌中，甲烷单加氧酶能够催化甲烷 生成甲醇。甲醛在分解和合成代谢中都作为一 个中间产物，并以独特的通路成为合成中间体 。在甲烷利用菌中，发现了2条甲醛同化途径 ，即丝氨酸循环途径和RuMP途径。另外，这些 特殊的异化代谢途径还包括三甲胺、二甲胺、 卤化甲烷等甲基胺类的氧化，以及甲基硫化物 的利用、叶酸相关的甲醛氧化途径、甲醛循环 氧化途径、甲酸氧化等。
2、产甲烷菌
• 产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物 厌氧消化转化成甲烷和二氧化碳的古细菌， 是严格厌氧菌，属于广古生菌门 (Euryarchaeota)，生活在反刍动物的瘤胃、 人类的消化系统、稻田、湖泊或海底沉积 物、热油层和盐池，以及污泥消化和沼气 反应器等人为环境中。产甲烷菌是厌氧消 化过程的最后一个成员，甲烷的生物合成 是自然界碳素循环的关键链条。
4、甲基营养菌、产甲烷菌和光合细菌
Methylotrophy, Methanogens and Photosynthetic Bacteria
1、甲基营养菌
• 甲基营养菌又称为甲基利用菌，是一类能够 利用非C-C键低碳化合物(如甲烷、甲醇、甲 醛、甲酸、甲胺类等)的微生物。这类细菌 多为杆状，广泛分布于土壤和水域，也称为 甲基杆菌。有些甲基营养菌也可利用多碳化 合物(如甘油、丙二酸、丁二酸、延胡索酸、 α-酮戊二酸、乳酸、丙酮酸等)。
甲烷营养菌能以甲烷作为唯一碳源和能量来源， 在大多数含有甲烷和氧气的环境中，包括极端 环境(pH和温度)，都发现它们的存在。它们具 有特殊的内膜系统，膜堆积状的属于I型菌株， 在细胞周边是环状细胞膜或者是Methylocella 囊状膜的属于II型菌株(Methylosinus和 Methylocystis)。大多数甲烷利用菌是专一性 甲基杆菌，不能利用含C-C键的化合物，但也有 兼性分枝杆菌能够利用甲烷，还有I型甲烷利用 菌能够利用葡萄糖。许多甲烷利用菌能够在甲 醇上生长，也有一些甲烷利用菌可以固氮，主 要是Methylococcus和Methylosinus。甲烷利用 菌代谢中既有丝氨酸循环，又有RuMP（核酮糖 单磷酸）循环，但是迄今为止，还未发现自养 甲烷利用菌。