湿地缺氧生态位下变形菌门甲烷氧化菌的能量代谢研究

Methanotrophs use methane as the carbon and energy source, and play an important role in the balance of global methane and the mitigation of global warming. Microbial methane oxidation distributes different redox niches across “hyperoxia-hypoxia-anoxia”. Recent researches showed that the metabolic potential of Proteobacteria methanotrophs was revealed in the anoxic niche of wetland, but the mechanism of corresponding energy metabolism was not clear. Thus, standing on two perspectives (Proteobacteria methanotroph itself, and its interspecies interaction), this project will explore the energy metabolism of Proteobacteria methanotrophs in the anoxic environment from intracellular to extracellular process, and demonstrate the interspecific energy cooperation between them and the accompanying microbes, using microbial omics, molecular biology, bioelectrochemical techniques. This project will expound the mechanism of energy metabolism of Proteobacteria methanotrophs in the anoxic niche of wetland. It would broaden the existing theory of anoxic microbial methane oxidation, and provide theoretical supports for the biological control process of greenhouse gas methane.

甲烷氧化菌以甲烷作为碳源和能源，在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要的角色。甲烷生物氧化过程跨越“高氧-低氧-缺氧”不同氧化还原生态位，近年来研究表明：在湿地缺氧生态位下变形菌门甲烷氧化菌具有代谢潜力，但其能量代谢机制尚不清楚。本项目以变形菌门甲烷氧化菌为研究对象，综合运用微生物组学、分子生物学、生物电化学等技术，从甲烷氧化菌自身和其参与的种间协作两个方面，解析变形菌门甲烷氧化菌在缺氧环境下从胞内到胞外的能量代谢过程，揭示其与伴随功能菌之间的种间能量协作方式。本研究将阐述湿地系统中缺氧生态位下变形菌门甲烷生物氧化的能量代谢机制，拓展现有缺氧区甲烷氧化理论，为调控温室气体甲烷的生物控制过程提供理论依据。

甲烷氧化菌在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要角色，湿地缺氧生态位下变形菌门甲烷氧化菌具有代谢潜力，但其能量代谢机制尚不清楚。本项目从能量代谢的角度，以典型变形菌门甲烷氧化菌为研究对象，湿地环境中常见的固相电子受体铁矿为电子受体，甲烷为电子供体，研究湿地缺氧生态位中变形菌门甲烷氧化菌的能量代谢过程。综合运用微生物组学、分子生物学、生物电化学等技术，从纯菌、种间、混菌三个层面探讨了变形菌门甲烷氧化菌的缺氧代谢机制。从纯菌层面，按照电子传递途径“细胞膜区域-胞外聚合物区域-电子受体区域”，分别揭示了甲烷氧化菌从胞内到胞外的电子传递机制。从种间层面，解析了甲烷氧化菌与非甲烷氧化菌以甲醇等碳代谢产物和矿物作为能量载体在缺氧环境下的种间能量传递过程。从混菌层面，解析了甲烷氧化菌群中关键物种之间的能量流过程。变形菌门甲烷氧化菌的缺氧能量代谢过程，打破了近百年来变形菌门甲烷氧化菌主要以好氧代谢为主的传统认知，拓展了反硝化厌氧甲烷氧化菌及厌氧甲烷氧化古菌主导的缺氧甲烷氧化理论，为我国湿地甲烷生物控制和甲烷增汇方案制定提供理论支持。