产甲烷条件下烷烃降解菌群的结构与功能

The conversion of hydrocarbon to methane by anaerobic microorganisms would provide novel insights for enhance the recovery of energy assets as biogenic methane from residual oils stranded in petroleum systems and remediation of hydrocarbon contamination in anoxic environments. Thus this project is designed to explore the molecular regulatory mechanism responsible for methanogenic hydrocarbon degradation. The experiment will mainly be based on the previous research on our "methanogenic alkanes degrading enrichment ", in which 13C isotope labeling techniques will be introduced to further study the community structure and function involved in hydrocarbon degradation under methanogenic conditions. Stable isotope probing with 13C hexadecane will be used to establish the linking microbial community function to phylogeny that are involved in hexadecane degradation under methanogenic conditions. The phylogenetic composition and structure of microbial communities will be identified by sequence analysis of 16S rRNA gene from stable-isotope-labeled DNA. The information of metabolism and degradation pathway involved in community structure will be acquired through reconstruction of microbial genomes from stable-isotope-labeled DNA. Analysis of the gene complement for each organism will reveal the molecular regulatory mechanism responsible for methanogenic hydrocarbon degradation, and provide the theoretical foundation for the molecular regulatory of increasing the rate and efficiency of conversion of petroleum hydrocarbons entrained in a marginally producing reservoir as a source of natural gas production and remediation of hydrocarbon contamination in anoxic environments.

石油烃厌氧降解转化为甲烷的生物反应过程为提高石油采收率及油污染环境的生物修复提供了新思路。本项目针对石油烃厌氧降解产甲烷的分子机制，在前期已构建的石油烃厌氧降解产甲烷体系的基础上，引入13C 稳定同位素标记技术，进一步深入研究产甲烷条件下烷烃降解菌群的结构与功能。以13C 标记为导向，通过构建13C16 烷烃厌氧降解产甲烷体系建立烷烃厌氧降解产甲烷过程与其转化功能菌群之间的联系，基于被标记的13C-DNA中16S rRNA 基因序列的分析，确定烷烃厌氧降解产甲烷菌群结构；通过对13C-DNA 中全基因组序列的生物学功能的研究，获得产甲烷条件下烷烃降解菌群代谢功能和降解途径的信息，探索石油烃厌氧降解产甲烷的分子调控机制，为提高石油烃厌氧转化的速率和效率的分子调控奠定理论基础。

石油烃厌氧降解转化为甲烷的生物反应过程为提高石油采收率及油污染环境的生物修复提供了新思路。本研究采用厌氧培养ˎ 色谱分析ˎ 分子生物学及13C同位素标记等手段对产甲烷条件下烷烃厌氧降解过程中微生物的群落结构与功能和代谢中间产物 （十六酸ˎ甲醇ˎ乙醇ˎ乙酸等）厌氧降解产甲烷的微生物群落结构以及潜在的调控机制进行了研究。研究发现: 在以混合烷烃或13C标记的十六烷为底物通过连续的转接富集培养可以建立相对稳定的烷烃厌氧降解产甲烷体系；微生物群落在长期连续转接的厌氧培养体系中所呈现的结构和功能更明显，在以含油污泥和油藏产出液为接种源的烷烃厌氧降解产甲烷体系中，尽管古菌组成中两个体系中产甲烷菌的种类不同，但细菌Anaerolineaceae在两个体系中都是优势菌；assA (烷基琥珀酸盐合成酶编码基因) 基因的存在表明富马酸加成反应存在于烷烃厌氧降解的初始阶段， mcrA （编码甲基辅酶M 还原酶的基因）的存在表明产甲烷是烷烃厌氧降解的终端反应， FTHFS（甲基四氢叶酸合成酶编码基因）的存在表明烷烃厌氧降解过程中存在产乙酸的过程，以及Fe-Fe（氢酶辅助基因）的存在表明烷烃厌氧降解存在产氢的过程；各种中间代谢产物尤其是长链脂肪酸的存在表明烷烃厌氧降解产甲烷过程是一个多步骤，复杂的由多种微生物共同作用的结果；以十六酸，甲醇，乙醇及乙酸为底物，在硫酸盐的调控下的结果进一步表明硫酸盐的加入会促进底物的降解，并且在产甲烷水平上没有较大的影响，但会在一定程度生影响微生物的群落结构；对油藏产出液水相和油相的细菌和古菌组成进行分析的结果表明油藏中存在大量与石油烃厌氧降解相关的细菌和古菌以及不同种类的产甲烷菌。上述结果获得了石油烃厌氧降解的转化菌群结构与功能及降解途径的基础信息，探索了石油烃厌氧降解产生甲烷的分子调控机制并为石油烃厌氧转化速率和转化效率的分子调控提供了理论依据。