甲烷菌

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甲烷菌（Methanogen），或称产甲烷菌或甲烷生成菌，泛指可行无氧呼吸作用产生甲烷（methanogenesis）的微生物，已知的甲烷菌皆为古菌，包含甲烷杆菌门的以及热原体门中的部分物种，通常生长在湿地沼泽、动物的消化道等厌氧环境，或缺乏硫酸盐的海底沉积物中。生存在沼泽中的甲烷菌会产生沼气，若在消化道则会造成打嗝与放屁。

有些甲烷菌可分解有机污染物，因而被用于污水处理。

## 发现历史

- 1776年，意大利化学家亚历山大·伏打在意大利北部的马焦雷湖收集自湖底冒出的气体，并观察到该气体可以燃烧，即甲烷的发现。
- 1866年，德国化学家奥古斯特·威廉·冯·霍夫曼将这种可燃气体命名为“methane”。
- 1868年，法国化学家安托万·贝尚在研究乙醇的发酵时，记录到可燃气体的释放。此研究被认为是生物生成甲烷的最早记录。
- 1882年，奥地利药理学家赫尔曼·冯·塔派纳在鹅和猪的肠道中记录到甲烷生成；并证实反刍动物的瘤胃微生物在厌氧条件下会产生甲烷，主张纤维素是反应所需的基质。
- 1875年–1900年，研究证实甲烷生成与反刍动物瘤胃中纤维素的分解并无直接关系。
- 1933年，英国生物化学家玛乔丽·斯蒂芬森，证实微生物能利用CO₂ 和 H₂生成甲烷。
- 1936年，美国生化学家赫拉斯·巴克利用洋菜培养基分离出高纯度的甲烷菌菌株。
- 1977年，美国微生物学家卡尔·沃斯比较甲烷菌、细菌、以及真核生物的核糖体RNA差异，提初包含甲烷菌在内的“古细菌（archaebacteria）”属于生命的“第三域”。
- 1981年，美国微生物学家拉尔夫·沃尔夫纯化并鉴定了甲烷生成途径的核心蛋白甲基辅酶M还原酶（Mcr）。

## 生理学

甲烷菌的型态通常为球状或杆状，也有部分菌种呈现丝状或弯曲状。截至2018年，已知的甲烷菌超过１５０种，甲烷菌在古菌域的演化上并不构成单系群。

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### 细胞结构

如同其他古菌，甲烷菌与也缺少构成细菌细胞壁的肽聚糖。甲烷菌的细胞壁由假肽聚糖或蛋白质组成的准结晶结构组成。大多数的甲烷菌具有由单一蛋白质或糖蛋白组成的表层蛋白（S-layer），以六边形晶格排列形成规则阵列。某些甲烷菌支系则具有较为少见细胞套膜类型，例如甲烷螺菌属 （Methanospirillum）的蛋白质外鞘或甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）的甲烷软骨素（methanochondroitin）。

### 氧气耐受性

甲烷菌是专性厌氧生物，在产生能量（ATP）的甲烷生成途径中，相关的酶以及铁硫簇对氧气（O2）极为敏感，极易氧化而失去活性。然而，甲烷生成也可以在如水稻田等局部含氧的环境中进行，目前已证实部分甲烷菌具备针对氧气以及活性氧化物（ROS）的抗氧化适应适机制。举例来说，宏基因组与宏转录组的证据显示，一种广泛存在于湿地和土壤中的甲烷菌（Candidatus Methanothrix paradoxum）能在含氧土壤的无氧微环境中生成甲烷。即便如此，此菌种对微量氧气仍极为敏感，无法在含氧压力下长时间存活。相反地，带有超氧化物歧化酶（SOD）的巴氏甲烷八叠球菌则可在含氧环境中存活较长时间。

## 生态

甲烷菌在无氧环境中扮演重要的生态角色，负责清除由其他形式的厌氧呼吸所产生的过量氢气（H2）和发酵产物。在甲烷菌喜好的生长环境通常缺乏除了二氧化碳（CO2）以外的电子接受者（例如氧气、硝酸盐、三价铁离子、硫酸盐）。此类环境包括湿地、水田、动物消化道（例如反刍动物、节肢动物、以及人类）、废水处理场、垃圾掩埋场、深海沉积物、以及海底热泉等。上列的多数栖地并不属于极端环境，因此这些栖地中的甲烷菌并不属于嗜极生物。许多被广泛研究的甲烷菌属于嗜热生物，例如 Methanopyrus kandleri （甲烷嗜高热菌属）、Methanothermobacter marburgensis（甲烷热杆菌属）, Methanocaldococcus jannaschii（甲烷暖球菌属）。另一方面，栖息于肠道中的甲烷菌则为嗜温生物，例如人类的肠道菌 Methanobrevibacter smithii（甲烷短杆菌属）、以及反刍动物的肠道菌 Methanobrevibacter ruminantium。

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### 极端环境中的甲烷菌

根据对中洋脊附近的失落之城热泉区的宏基因组研究，甲烷菌可能从形成橄榄石的蛇纹岩化反应获得甲烷生成所需的氢气。其他氢气来源还包括对水的热分解或辐解作用。

另一方面，在大陆边缘或其他沉积速率快、有机质含量高的水域沉积物中，甲烷菌是有机碳的再矿化的关键因素。在适当的压力和温度下，生源甲烷会大量累积形成甲烷水合物（又称可燃冰），这些甲烷水合物占了大陆边缘沉积物的相当比例，也是全球温室气体的储存库。

## 甲烷生成

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甲烷菌可以利用H2/CO2、醋酸盐、甲酸酯、乙醇、甲胺、以及木质素衍生物等基质产生甲烷。不同的甲烷生成路径由特定组合的酶和辅酶负责，虽然能量保存机制各异，但所有的路经最终都会产生离子浓度梯度以驱动ATP合成。

### 氢营养途径（H2/CO2）

氢营养途径以H2和CO2作为起始反应物，透过7个步骤生成甲烷，最后透过铁氧还蛋白（Fd）的还原和反应最初步骤构成循环，因此途径又称为沃尔夫循环。

#### 总反应

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

已证实透过氢营养途径产生甲烷的古菌包括巴氏甲烷八叠球菌、Methanothermobacter thermoautotrophicum、Methanothermobacter wolfei等，这些古菌通常生长在厌氧环境。

#### 二氧化碳还原为甲酰甲烷呋喃

在反应初期，CO2与甲烷呋喃（MFR）结合，以还原态的铁氧还蛋白（Fd）以及H2做为电子供体，并由甲酰甲烷呋喃脱氢酶（FwdA-F or FmdA-F）催化，将MF还原成甲酰甲烷呋喃（formyl-MFR）。此步骤为消耗H2的吸能反应还原反应：

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

#### 甲酰基转移至四氢甲烷蝶呤

接着，甲酰甲烷呋喃的甲酰基（HCO）借由甲酰基转移酶（Ftr）转移到四氢甲烷蝶呤（H4MPT），此步骤生成甲酰四氢甲烷蝶呤（formyl-H4MPT）：

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

#### C₁ 单元逐步还原

甲酰四氢甲烷蝶呤借由次甲基四氢甲烷蝶呤环水解酶（Mch）脱水形成次甲基四氢甲烷蝶呤（methenyl-H4MPT）：

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

次甲基四氢甲烷蝶呤再经F420辅酶协助、以及亚甲基甲烷蝶呤脱氢酶（Mtd）催化还原成亚甲基甲烷蝶呤（methylene-H4MPT）：

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

亚甲基四氢甲烷蝶呤再经F420辅酶协助、以及5,10-亚甲基甲烷蝶呤还原酶（Mer）催化还原成甲基甲烷蝶呤（methyl-H4MPT）：

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

上述步骤中的还原态F420辅酶（F420H2）是经由辅酶F420还原氢化酶（Frh）还原F420辅酶形成：

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

#### 甲基转移至辅酶M

接着，甲基甲烷蝶呤的甲基（CH3）借着细胞膜上的四氢甲烷蝶呤S-甲基转移酶（MtrA-H）转移到辅酶M：

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

#### 甲基辅酶M还原与甲烷生成

H2/CO2 途径的最后一个步骤经甲基辅酶M还原酶（Mcr）和辅酶B参与，辅酶M和辅酶B相连形成异二硫化物（CoM-S-S-CoB），以及产生甲烷（CH4）：

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

#### 黄素介导电子分岔

异二硫化物还原酶（HdrABC）和非辅酶F420还原氢化酶（MvhAGD）形成复合体，借由氧化H2，还原CoM-S-S-CoB和铁氧还蛋白（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)

## 分类学

甲烷菌最初被认为是细菌而非古菌，因为在DNA定序、聚合酶连锁反应（PCR）等分子生物学技术尚未成熟前，古菌和细菌之间的差异难以区别。在卡尔·乌斯于1977年将古菌域定义为生物界的第三域后，甲烷菌被归类于广古菌门（现为甲烷杆菌界）下的单系群。然而，后续基于16S rRNA 以及核糖体蛋白的研究陆续发现不同的非产甲烷古菌（盐杆菌、热原体等）散落在甲烷菌之间，证实甲烷菌并非单系群，且甲烷生成能力可能在演化中过程多次丢失。2010年后的宏基因组学研究更近一步在热变形菌界中发现甲烷生成途径，证实有甲烷菌杆菌界之外的产甲烷古菌存在。

带有甲烷生成相关基因的古菌演化支系在系统发生树上的位置：

古菌系统发生树（GTDB RS202, 27th April 2021）基于30个保守核糖体蛋白串接序列比对建构，于不同阶层折叠以突显与甲烷生成相关的演化支系（黄色背景）

以下列出部分已知的甲烷菌物种：

### 盐杆菌门 Halobacteriota

- 甲烷胞菌纲 "Methanomicrobia"
- 甲烷胞菌目 Methanocellales
- 甲烷胞菌科 Methanocellaceae
- 甲烷胞菌属 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
- 甲烷海洋胞菌属 Methanooceanicella Zhang et al. 2024
- Methanooceanicella nereidis Zhang et al. 2024 (type species)
- 甲烷微菌纲 Methanomicrobia
- 甲烷微菌目 Methanomicrobiales
- 甲烷砾菌科 Methanocalculaceae Zhilina et al. 2014
- 甲烷砾菌属 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
- 甲烷粒菌属 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
- 甲烷微菌属 Methanomicrobium Balch and Wolfe 1981
- Methanomicrobium mobile (Paynter and Hungate 1968) Balch and Wolfe 1981 (type species)
- Methanomicrobium antiquum Mochimaru et al. 2016
- 甲烷袋状菌属 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
- 产甲烷菌属 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)
- 甲烷泡菌属 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
- 甲烷薄杆菌科 Methanoregulaceae Sakai et al. 2012
- 甲烷薄杆菌属 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
- 甲烷螺菌属 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
- 甲烷嗜碱菌纲（Methanonatronarchaeia）
- Order Methanonatronarchaeales
- Family Methanonatronarchaeaceae Sorokin et al. 2018
- GenusMethanonatronarchaeum Sorokin et al. 2018
- Methanonatronarchaeum thermophilum Sorokin et al. 2018 (type species)
- 甲烷八叠球菌纲（Methanosarcinia）
- 甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）

### 甲烷杆菌门（Methanobacteriota）

- 甲烷杆菌纲（Methanobacteria）
- 甲烷杆菌目（Methanobacteriales）
- 甲烷杆菌科（Methanobacteriaceae）

### 热原体门（Thermoplasmatota）

- 热原体纲（Thermoplasmata）
- 甲烷马赛球菌目（Methanomassiliicoccales）

### 未定门

- 甲烷嗜高热菌纲（Methanopyri）
- 甲烷球菌纲（Methanococci）