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复杂有机物的厌氧降解产甲烷过程由多种微生物协同代谢完成,其重要的中间代谢物丁酸由互营细菌和产甲烷菌通过种间电子转移进一步降解为CH4和CO2。互营细菌属于特殊的低GC革兰氏阳性细菌,一般只利用短链脂肪酸为碳源和能源;而产甲烷菌在系统发育学上属于古菌域,它们不能利用复杂的有机物,只能利用乙酸、H2/CO2、甲酸和甲基类化合物产生甲烷并获得能量。互营细菌和产甲烷菌都是严格厌氧的原核生物。
论文的第一部分分析了只利用乙酸产甲烷的竹节状甲烷鬃菌6Ac的群感效应,解析了其信号分子的化学结构以及信号分子诱导产生的不同细胞形态的表达谱。利用菌株6Ac的luxⅠ同源基因编码的FilⅠ蛋白,在体外催化合成高丝氨酸内酯物质(AHLs),之后用HPLC-MS从中纯化到三种AHLs。根据实验室前期所作质谱断裂规律,提示它们在高丝氨酸内酯环上多一个分子量为44的基团。本工作通过高分辨质谱分析,认为这个基团应为一个羧基,推测三个AHLs分别为N-carboxyl-C14-HSL,N-carboxyl-C12-HSL and N-carboxyl-C10-HSL。由于它们的核磁共振氢谱没有该羧基的信号,本研究通过GC-MS的方法,测定到这些AHLs在加热的条件下缓慢产生CO2,因而证明此羧基的不稳定性。
为了分析群感效应可能调控的生理学变化,论文通过基因芯片的方法,分析了在添加了AHL(m/z346)后所导致的6Ac长链细胞与对照短杆细胞之间的表达谱变化。结果表明,长链细胞的大部分产甲烷及能量代谢途径相关基因表达下调,但甲烷代谢途径的第一个基因Acetyl-CoA Synthetase的表达水平显著上调(约10倍),推测它是甲烷代谢途径中的限速步骤。长链细胞中的蛋白合成以及生物合成相关基因均下调。这与生理表型较为一致,即长链细胞将乙酸更多的转化为甲烷,而短链细胞将乙酸更多用于生物合成。此外发现长链细胞在420nm下发射更强的荧光,分析发现其辅酶F420含量更高。
论文的第二部分鉴定了一株与产甲烷菌共培养的的互营丁酸降解菌。从腾冲热泉中分离到一株互营丁酸降解菌L-60。该菌株革兰氏染色阴性,但超微结构显示具有革兰氏阳性细胞壁。细胞呈略微弯曲的杆状,菌体大小0.3-0.4μm×4.5-5.0μm,不产芽孢。纯培养时仅利用巴豆酸生长,不利用酵母提取物、胰蛋白胨、酪蛋白水解物、甜菜碱、巴豆酸、核糖或木糖。与高温氢营养型产甲烷菌共培养时,能够利用C4-C18的饱和脂肪酸以及油酸等不饱和脂肪酸,但不能利用三羧酸甘油酯。生长温度范围为55-70℃,最适生长温度60℃,生长pH范围为7.0-9.3,最适pH为8.2。细胞脂肪酸主要包括14:0(35.0%),16:0(20.3%)和17:1isoⅠ/anteiso B(30.9%)。基因组DNA的G+C m01%为40.3 mol%。16S rRNA基因与Thermosyntropha lipolytica的相似性最高(97.6%),因此菌株L-60属于Thermosyntropha属。但根据菌株L-60与Thermosyntropha lipolytica的系统发育与生理生化水平上的差异,菌株L-60应代表了该属的一个新种,将其命名为腾冲热互营细菌(Thermosyntropha tengcongensis)。