歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，細(xì)菌能夠在無(wú)光照的情況下用自己制造的氧氣來(lái)分解甲烷氣體。該發(fā)現(xiàn)表明在植物首次出現(xiàn)之前細(xì)菌就已開(kāi)始制造氧氣,，補(bǔ)上了地球演化過(guò)程中“缺失的一環(huán)”,。相關(guān)研究成果發(fā)表在3月25日的《自然》雜志上,。
甲烷是一種化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定的氣體，跟強(qiáng)酸,、強(qiáng)堿等一般不起反應(yīng),。理論上，真核生物在厭氧條件下能夠利用硝酸鹽氧化甲烷,，但此前,，利用這種反應(yīng)的生物無(wú)論是在自然環(huán)境中還是在實(shí)驗(yàn)室中都沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，微生物氧化甲烷作用僅被認(rèn)為在氧氣和硫酸鹽條件下才能發(fā)生,。直到2006年,，荷蘭奈梅亨拉德伯德大學(xué)的馬克·施特魯斯與合作者在對(duì)一個(gè)微生物群落的研究中才發(fā)現(xiàn)，該微生物群落在完全無(wú)氧條件下能利用硝酸鹽脫硝作用氧化甲烷,。
而現(xiàn)在,，該大學(xué)的研究人員和法國(guó)以及德國(guó)科學(xué)家組成的一個(gè)國(guó)際研究小組進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有現(xiàn)成氧氣源,，也沒(méi)有光照的情況下,，細(xì)菌可以將亞硝酸鹽分解為一氧化氮和氧氣，然后用生成的氧氣來(lái)分解甲烷獲取能量,。
因?yàn)橄鄳?yīng)的微生物的生長(zhǎng)極為緩慢,，且在微生物群落中只有少量存在，荷蘭研究人員不得不用基因分析的最新方法——宏基因組方法來(lái)對(duì)這些微生物進(jìn)行研究,。他們先分離出水樣中的基因片段,，然后進(jìn)行基因的測(cè)序和重構(gòu)。
令研究人員驚訝的是,，完整的基因組序列分析表明,，還原亞硝酸鹽缺少特定的基因，而且這種細(xì)菌對(duì)氧氣有依賴(lài),。實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與基因組數(shù)據(jù)有矛盾,。為探明細(xì)菌究竟是如何在亞硝酸鹽的幫助下從穩(wěn)定的甲烷氧化中獲取能量的，德國(guó)馬克斯-普朗克海洋微生物學(xué)研究所的科學(xué)家亦加入了研究工作,。
通過(guò)微型傳感器和質(zhì)譜分析,，德國(guó)科學(xué)家證實(shí)了矛盾的真實(shí)性。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和基因組數(shù)據(jù),，科學(xué)家們認(rèn)為只有當(dāng)細(xì)菌使用特殊途徑生產(chǎn)出氧氣來(lái)氧化甲烷才是合適的解釋,。不過(guò)證明氧氣的生成是一個(gè)漫長(zhǎng)的任務(wù)，經(jīng)過(guò)一年多的努力,，凱瑟琳·埃特維希博士終于成功得到了實(shí)驗(yàn)性的證據(jù)：這種微生物可從兩個(gè)亞硝酸鹽分子中釋放出一氧化氮和氧氣,，甲烷可隨后被氧化。
此前，科學(xué)家們一致認(rèn)為,，地球上最早的產(chǎn)氧光養(yǎng)生物是海藻和藍(lán)藻,。它們?cè)诖髿鈱訌臒o(wú)氧到有氧的轉(zhuǎn)化過(guò)程中起了關(guān)鍵作用。而現(xiàn)在,，最新的研究成果讓科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新機(jī)制的線索,。細(xì)菌在第一種植物出現(xiàn)在地球上之前就已經(jīng)存在，細(xì)菌在地球演變過(guò)程中的作用將補(bǔ)上地球演化中“缺失的一環(huán)”,。同時(shí),，由于亞硝酸鹽通過(guò)化肥的使用而在淡水農(nóng)業(yè)土壤中大量存在，新的研究結(jié)果也可為肥料在甲烷循環(huán)中的利用提供契機(jī),。(生物谷Bioon.com)
生物谷推薦原文出處：
Nature doi:10.1038/nature08883
Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria
Katharina F. Ettwig1,10, Margaret K. Butler1,10,11, Denis Le Paslier2,3,4, Eric Pelletier2,3,4, Sophie Mangenot2, Marcel M. M. Kuypers5, Frank Schreiber5, Bas E. Dutilh6, Johannes Zedelius5, Dirk de Beer5, Jolein Gloerich7, Hans J. C. T. Wessels7, Theo van Alen1, Francisca Luesken1, Ming L. Wu1, Katinka T. van de Pas-Schoonen1, Huub J. M. Op den Camp1, Eva M. Janssen-Megens8, Kees-Jan Francoijs8, Henk Stunnenberg8, Jean Weissenbach2,3,4, Mike S. M. Jetten1 & Marc Strous1,5,9
Only three biological pathways are known to produce oxygen: photosynthesis, chlorate respiration and the detoxification of reactive oxygen species. Here we present evidence for a fourth pathway, possibly of considerable geochemical and evolutionary importance. The pathway was discovered after metagenomic sequencing of an enrichment culture that couples anaerobic oxidation of methane with the reduction of nitrite to dinitrogen. The complete genome of the dominant bacterium, named ‘Candidatus Methylomirabilis oxyfera’, was assembled. This apparently anaerobic, denitrifying bacterium encoded, transcribed and expressed the well-established aerobic pathway for methane oxidation, whereas it lacked known genes for dinitrogen production. Subsequent isotopic labelling indicated that ‘M. oxyfera’ bypassed the denitrification intermediate nitrous oxide by the conversion of two nitric oxide molecules to dinitrogen and oxygen, which was used to oxidize methane. These results extend our understanding of hydrocarbon degradation under anoxic conditions and explain the biochemical mechanism of a poorly understood freshwater methane sink. Because nitrogen oxides were already present on early Earth, our finding opens up the possibility that oxygen was available to microbial metabolism before the evolution of oxygenic photosynthesis.
