甲烷菌

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甲烷菌（Methanogen），或稱產甲烷菌或甲烷生成菌，泛指可行無氧呼吸作用產生甲烷（methanogenesis）的微生物，已知的甲烷菌皆為古菌，包含甲烷桿菌門的以及熱原體門中的部分物種，通常生長在濕地沼澤、動物的消化道等厭氧環境，或缺乏硫酸鹽的海底沉積物中。生存在沼澤中的甲烷菌會產生沼氣，若在消化道則會造成打嗝與放屁。

有些甲烷菌可分解有機污染物，因而被用於污水處理。

## 發現歷史

- 1776年，義大利化學家亞歷山卓·伏打在義大利北部的馬焦雷湖收集自湖底冒出的氣體，並觀察到該氣體可以燃燒，即甲烷的發現。
- 1866年，德國化學家奧古斯特·威廉·馮·霍夫曼將這種可燃氣體命名為「methane」。
- 1868年，法國化學家安托萬·貝尚在研究乙醇的發酵時，記錄到可燃氣體的釋放。此研究被認為是生物生成甲烷的最早記錄。
- 1882年，奧地利藥理學家赫爾曼·馮·塔派納在鵝和豬的腸道中記錄到甲烷生成；並證實反芻動物的瘤胃微生物在厭氧條件下會產生甲烷，主張纖維素是反應所需的基質。
- 1875年–1900年，研究證實甲烷生成與反芻動物瘤胃中纖維素的分解並無直接關係。
- 1933年，英國生物化學家瑪喬麗·史蒂芬森，證實微生物能利用CO₂ 和 H₂生成甲烷。
- 1936年，美國生化學家赫拉斯·巴克利用洋菜培養基分離出高純度的甲烷菌菌株。
- 1977年，美國微生物學家卡爾·沃斯比較甲烷菌、細菌、以及真核生物的核醣體RNA差異，提初包含甲烷菌在內的「古細菌（archaebacteria）」屬於生命的「第三域」。
- 1981年，美國微生物學家拉爾夫·沃爾夫純化並鑑定了甲烷生成途徑的核心蛋白甲基輔酶M還原酶（Mcr）。

## 生理學

甲烷菌的型態通常為球狀或桿狀，也有部分菌種呈現絲狀或彎曲狀。截至2018年，已知的甲烷菌超過１５０種，甲烷菌在古菌域的演化上並不構成單系群。

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### 細胞結構

如同其他古菌，甲烷菌與也缺少構成細菌細胞壁的肽聚醣。甲烷菌的細胞壁由假肽聚糖或蛋白質組成的准結晶結構組成。大多數的甲烷菌具有由單一蛋白質或糖蛋白組成的表層蛋白（S-layer），以六邊形晶格排列形成規則陣列。某些甲烷菌支系則具有較為少見細胞套膜類型，例如甲烷螺菌屬 （Methanospirillum）的蛋白質外鞘或甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）的甲烷軟骨素（methanochondroitin）。

### 氧氣耐受性

甲烷菌是專性厭氧生物，在產生能量（ATP）的甲烷生成途徑中，相關的酶以及鐵硫簇對氧氣（O2）極為敏感，極易氧化而失去活性。然而，甲烷生成也可以在如水稻田等局部含氧的環境中進行，目前已證實部分甲烷菌具備針對氧氣以及活性氧化物（ROS）的抗氧化適應適機制。舉例來說，宏基因組與宏轉錄組的證據顯示，一種廣泛存在於溼地和土壤中的甲烷菌（Candidatus Methanothrix paradoxum）能在含氧土壤的無氧微環境中生成甲烷。即便如此，此菌種對微量氧氣仍極為敏感，無法在含氧壓力下長時間存活。相反地，帶有超氧化物歧化酶（SOD）的巴氏甲烷八疊球菌則可在含氧環境中存活較長時間。

## 生態

甲烷菌在無氧環境中扮演重要的生態角色，負責清除由其他形式的厭氧呼吸所產生的過量氫氣（H2）和發酵產物。在甲烷菌喜好的生長環境通常缺乏除了二氧化碳（CO2）以外的電子接受者（例如氧氣、硝酸鹽、三價鐵離子、硫酸鹽）。此類環境包括溼地、水田、動物消化道（例如反芻動物、節肢動物、以及人類）、廢水處理場、垃圾掩埋場、深海沉積物、以及海底熱泉等。上列的多數棲地並不屬於極端環境，因此這些棲地中的甲烷菌並不屬於嗜極生物。許多被廣泛研究的甲烷菌屬於嗜熱生物，例如 Methanopyrus kandleri （甲烷嗜高熱菌屬）、Methanothermobacter marburgensis（甲烷熱桿菌屬）, Methanocaldococcus jannaschii（甲烷暖球菌屬）。另一方面，棲息於腸道中的甲烷菌則為嗜溫生物，例如人類的腸道菌 Methanobrevibacter smithii（甲烷短桿菌屬）、以及反芻動物的腸道菌 Methanobrevibacter ruminantium。

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### 極端環境中的甲烷菌

根據對中洋脊附近的失落之城熱泉區的宏基因組研究，甲烷菌可能從形成橄欖石的蛇紋岩化反應獲得甲烷生成所需的氫氣。其他氫氣來源還包括對水的熱分解或輻解作用。

另一方面，在大陸邊緣或其他沉積速率快、有機質含量高的水域沉積物中，甲烷菌是有機碳的再礦化的關鍵因素。在適當的壓力和溫度下，生源甲烷會大量累積形成甲烷水合物（又稱可燃冰），這些甲烷水合物佔了大陸邊緣沉積物的相當比例，也是全球溫室氣體的儲存庫。

## 甲烷生成

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甲烷菌可以利用H2/CO2、醋酸鹽、甲酸酯、乙醇、甲胺、以及木質素衍生物等基質產生甲烷。不同的甲烷生成路徑由特定組合的酶和輔酶負責，雖然能量保存機制各異，但所有的路經最終都會產生離子濃度梯度以驅動ATP合成。

### 氫營養途徑（H2/CO2）

氫營養途徑以H2和CO2作為起始反應物，透過7個步驟生成甲烷，最後透過鐵氧還蛋白（Fd）的還原和反應最初步驟構成循環，因此途徑又稱為沃爾夫循環。

#### 總反應

$CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O$ (∆G˚' = -134 kJ/mol CH4)

已證實透過氫營養途徑產生甲烷的古菌包括巴氏甲烷八疊球菌、Methanothermobacter thermoautotrophicum、Methanothermobacter wolfei等，這些古菌通常生長在厭氧環境。

#### 二氧化碳還原為甲醯甲烷呋喃

在反應初期，CO2與甲烷呋喃（MFR）結合，以還原態的鐵氧還蛋白（Fd）以及H2做為電子供體，並由甲醯甲烷呋喃脫氫酶（FwdA-F or FmdA-F）催化，將MF還原成甲醯甲烷呋喃（formyl-MFR）。此步驟為消耗H2的吸能反應還原反應：

$\mathrm{CO_2 + 2H^+ + MFR + Fd_{red}^{2-}} \xrightarrow{\begin{matrix} \text{FwdA-F} \\ or \text{ FmdA-F} \end{matrix}} \mathrm{HCO{-}MFR + H_2O + Fd_{ox}}$ (∆G˚'= +16 kJ/mol)

#### 甲醯基轉移至四氫甲烷蝶呤

接著，甲醯甲烷呋喃的甲醯基（HCO）藉由甲醯基轉移酶（Ftr）轉移到四氫甲烷蝶呤（H4MPT），此步驟生成甲醯四氫甲烷蝶呤（formyl-H4MPT）：

$$\mathrm{HCO{-}MFR + H_4MPT\xrightarrow{Ftr}HCO{-}H_4MPT + MFR}$$

#### C₁ 單元逐步還原

甲醯四氫甲烷蝶呤藉由次甲基四氫甲烷蝶呤環水解酶（Mch）脫水形成次甲基四氫甲烷蝶呤（methenyl-H4MPT）：

$$\mathrm{HCO{-}H_4MPT + H^+\xrightarrow{Mch}CH\text{≡}H_4MPT^+ + H_2O}$$

次甲基四氫甲烷蝶呤再經F420輔酶協助、以及亞甲基甲烷蝶呤脫氫酶（Mtd）催化還原成亞甲基甲烷蝶呤（methylene-H4MPT）：

$$\mathrm{CH\text{≡}H_4MPT^+ + F_{420}H_2\xrightarrow{Mtd}CH_2\text{=}H_4MPT + F_{420} + H^+}$$

亞甲基四氫甲烷蝶呤再經F420輔酶協助、以及5,10-亞甲基甲烷蝶呤還原酶（Mer）催化還原成甲基甲烷蝶呤（methyl-H4MPT）：

$$\mathrm{CH_2\text{=}H_4MPT + F_{420}H_2\xrightarrow{Mer}CH_3{-}H_4MPT + F_{420}}$$

上述步驟中的還原態F420輔酶（F420H2）是經由輔酶F420還原氫化酶（Frh）還原F420輔酶形成：

$$\mathrm{H_2 + F_{420}\xrightarrow{FrhABG}F_{420}H_2}$$

#### 甲基轉移至輔酶M

接著，甲基甲烷蝶呤的甲基（CH3）藉著細胞膜上的四氫甲烷蝶呤S-甲基轉移酶（MtrA-H）轉移到輔酶M：

$$\mathrm{CH_3{-}H_4MPT + HS{-}CoM\xrightarrow{MtrA-H}H_4MPT + CH_3{-}S{-}CoM}$$

#### 甲基輔酶M還原與甲烷生成

H2/CO2 途徑的最後一個步驟經甲基輔酶M還原酶（Mcr）和輔酶B參與，輔酶M和輔酶B相連形成異二硫化物（CoM-S-S-CoB），以及產生甲烷（CH4）：

$$\mathrm{CH_3{-}S{-}CoM + HS{-}CoB\xrightarrow{Mcr}CoM{-}S{-}S{-}CoB + CH_4}$$

#### 黃素介導電子分岔

異二硫化物還原酶（HdrABC）和非輔酶F420還原氫化酶（MvhAGD）形成複合體，藉由氧化H2，還原CoM-S-S-CoB和鐵氧還蛋白（Fd）：

$\mathrm{2H_2 + Fd_{ox} + CoM{-}S{-}S{-}CoB \xrightarrow{\begin{matrix} \text{MvhADG/HdrABC } \\ \text{complex} \end{matrix}} Fd_{red}^{2-} + HS{-}CoM + HS{-}CoB + 2H^+}$ (∆G˚'= -55 kJ/mol)

## 分類學

甲烷菌最初被認為是細菌而非古菌，因為在DNA定序、聚合酶連鎖反應（PCR）等分子生物學技術尚未成熟前，古菌和細菌之間的差異難以區別。在卡爾·烏斯於1977年將古菌域定義為生物界的第三域後，甲烷菌被歸類於廣古菌門（現為甲烷桿菌界）下的單系群。然而，後續基於16S rRNA 以及核醣體蛋白的研究陸續發現不同的非產甲烷古菌（鹽桿菌、熱原體等）散落在甲烷菌之間，證實甲烷菌並非單系群，且甲烷生成能力可能在演化中過程多次丟失。2010年後的宏基因組學研究更近一步在熱變形菌界中發現甲烷生成途徑，證實有甲烷菌桿菌界之外的產甲烷古菌存在。

帶有甲烷生成相關基因的古菌演化支系在系統發生樹上的位置：

古菌系統發生樹（GTDB RS202, 27th April 2021）基於30個保守核醣體蛋白串接序列比對建構，於不同階層折疊以突顯與甲烷生成相關的演化支系（黃色背景）

以下列出部分已知的甲烷菌物種：

### 鹽桿菌門 Halobacteriota

- 甲烷胞菌綱 "Methanomicrobia"
- 甲烷胞菌目 Methanocellales
- 甲烷胞菌科 Methanocellaceae
- 甲烷胞菌屬 Methanocella Sakai et al. 2008
- Methanocella paludicola Sakai et al. 2008 (type species)
- Methanocella arvoryzae Sakai et al. 2010
- Methanocella conradii Lü and Lu 2012
- 甲烷海洋胞菌屬 Methanooceanicella Zhang et al. 2024
- Methanooceanicella nereidis Zhang et al. 2024 (type species)
- 甲烷微菌綱 Methanomicrobia
- 甲烷微菌目 Methanomicrobiales
- 甲烷礫菌科 Methanocalculaceae Zhilina et al. 2014
- 甲烷礫菌屬 Methanocalculus Ollivier et al 1998
- Methanocalculus halotolerans Ollivier et al. 1998 (type species)
- Methanocalculus alkaliphilus Sorokin et al. 2015
- Methanocalculus chunghsingensis Lai et al. 2004
- Methanocalculus natronophilus Zhilina et al. 2014
- Methanocalculus pumilus Mori et al. 2000
- Methanocalculus taiwanensis Lai et al. 2002
- 甲烷粒菌科 Methanocorpusculaceae Zellner et al. 1989
- 甲烷粒菌屬 Methanocorpusculum Zellner et al. 1988
- Methanocorpusculum parvum Zellner et al. 1988 (type species)
- Methanocorpusculum bavaricum Zellner et al. 1989
- Methanocorpusculum labreanum
- Methanocorpusculum sinense Zellner et al. 1989
- 甲烷微菌科 Methanomicrobiaceae Balch and Wolfe 1981
- 甲烷微菌屬 Methanomicrobium Balch and Wolfe 1981
- Methanomicrobium mobile (Paynter and Hungate 1968) Balch and Wolfe 1981 (type species)
- Methanomicrobium antiquum Mochimaru et al. 2016
- 甲烷袋狀菌屬 Methanoculleus Maestrojuán et al. 1990
- Methanoculleus bourgensis corrig. (Ollivier et al. 1986) Maestrojuán et al. 1990 (type species)
- Methanoculleus chikugoensis Dianou et al. 2001
- Methanoculleus horonobensis Shimizu et al. 2013
- Methanoculleus hydrogenitrophicus Tian et al. 2010
- Methanoculleus marisnigri
- Methanoculleus palmolei Zellner et al. 1998
- Methanoculleus receptaculi Cheng et al. 2008
- Methanoculleus sediminis Chen et al. 2015
- Methanoculleus submarinus Mikucki et al. 2003
- Methanoculleus taiwanensis Weng et al. 2015
- Methanoculleus thermophilus corrig. (Rivard and Smith 1982) Maestrojuán et al. 1990
- 產甲烷菌屬 Methanogenium Romesser et al. 1981
- Methanogenium cariaci Romesser et al. 1981 (type species)
- Methanogenium frigidum
- Methanogenium marinum Chong'et al. 2003
- Methanogenium organophilum Patt et al. 1976 (Approved Lists 1980)
- 甲烷泡菌屬 Methanofollis Zellner et al. 1999
- Methanofollis tationis (Zabel et al. 1986) Zellner et al. 1999 (type strains)
- Methanofollis aquaemaris Lai and Chen 2001
- Methanofollis ethanolicus Imachi et al. 2009
- Methanofollis fontis Chen et al. 2020
- Methanofollis formosanus Wu et al. 2005
- Methanofollis liminatans (Zellner et al. 1990) Zellner et al. 1999
- 甲烷薄桿菌科 Methanoregulaceae Sakai et al. 2012
- 甲烷薄桿菌屬 Methanoregula Bräuer et al. 2011
- Methanoregula boonei Bräuer et al. 2011 (type species)
- Methanoregula formicica Yashiro et al. 2011
- 甲烷螺菌科 Methanospirillaceae Boone et al. 2002
- 甲烷螺菌屬 Methanospirillum Ferry et al. 1974
- Methanospirillum hungatei corrig. Ferry et al. 1974 (type species)
- Methanospirillum lacunae Iino et al. 2010
- Methanospirillum psychrodurum Zhou et al. 2014
- Methanospirillum stamsii Parshina et al. 2014
- 甲烷嗜鹼菌綱（Methanonatronarchaeia）
- Order Methanonatronarchaeales
- Family Methanonatronarchaeaceae Sorokin et al. 2018
- GenusMethanonatronarchaeum Sorokin et al. 2018
- Methanonatronarchaeum thermophilum Sorokin et al. 2018 (type species)
- 甲烷八疊球菌綱（Methanosarcinia）
- 甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales）

### 甲烷桿菌門（Methanobacteriota）

- 甲烷桿菌綱（Methanobacteria）
- 甲烷桿菌目（Methanobacteriales）
- 甲烷桿菌科（Methanobacteriaceae）

### 熱原體門（Thermoplasmatota）

- 熱原體綱（Thermoplasmata）
- 甲烷馬賽球菌目（Methanomassiliicoccales）

### 未定門

- 甲烷嗜高熱菌綱（Methanopyri）
- 甲烷球菌綱（Methanococci）