没有。 16 曾经有一种“孝顺”细菌，吃煤产天然气！

发布于 2018 年 9 月 28 日
采访和文字：Toshitaka Mizushina

从煤中生产天然气的微生物

您知道“煤层气”这个词吗？

实际上，这是煤层中含有的天然气。其主要成分是甲烷气体，又称“煤层气”。

煤层气作为一种新的天然气资源目前正受到全世界的关注。煤层气传统上被视为造成煤矿爆炸的公害，但从煤炭中回收甲烷气体的技术进步现在将其视为重要的天然气资源。

美国、澳大利亚、中国等国家已开始大规模商业生产，而日本已于 2016 年在北海道夕张市开始试钻。夕张市曾经作为“煤矿重镇”而繁荣，但在 2006 年陷入财务破产，对煤层气作为其“复兴”的王牌寄予厚望。

煤层气是煤化过程中产生的，从褐煤到褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤，历经数百万年至数亿年的漫长岁月，含有大量微生物活动产生的甲烷。然而，目前尚不清楚哪种微生物可以从煤中的哪种有机物中产生甲烷。

两年前，解决这个谜题取得了突破。米乐m6官方网站的一个研究小组发现了一种产甲烷细菌，可以直接从煤炭中独立产生甲烷。这表明这种产甲烷菌可能在冷床甲烷的形成中发挥重要作用。

什么样的细菌可以从煤中产生甲烷？

蓝背探险队带着好奇，拜访了日本地质调查局、米乐m6官方网站地质资源环境研究部地圈微生物研究组的持丸花子和高级首席研究员坂田正，并向他们询问了一些问题。

什么是产甲烷细菌？你在哪里？

让我们从一个简单的问题开始。产甲烷细菌属于什么细菌？

“当有机物在无氧环境中被微生物分解时，会产生氢气、二氧化碳、乙酸、甲醇等。产甲烷菌会吃掉这些有机物并以甲烷的形式释放出来。可以说，它们是有机物分解过程中的最后参与者。

产甲烷菌生活在缺氧的环境中，例如稻田、沼泽、地下和牛的胃中，但它们实际上也生活在我们的胃中。你的屁着火的原因是你胃里的产甲烷细菌产生甲烷。虽然也有例外，但几乎所有源自微生物的甲烷都是由产甲烷细菌产生的。”（持丸先生）

产甲烷菌是原核生物的一员，其细胞内没有核膜，在生物学上它们被归类为古细菌，而不是细菌，其中包括大肠杆菌、乳酸菌和纳豆芽孢杆菌。

在过去的半个世纪中，已经发现了大约 160 种产甲烷细菌。在每种情况下，甲烷都是通过以下途径之一产生的：(1)氢气和二氧化碳，(2)甲基化合物，例如甲醇，或(3)乙酸。从比例来看，利用氢气和二氧化碳产生甲烷的细菌占比最多，约占总数的四分之三，其余四分之一利用甲基化合物。一些细菌利用乙酸产生甲烷，但到目前为止，产甲烷菌可用的底物（食物）仅限于这三种类型。

``这160种细菌是实际分离出来的细菌类型。还有更多细菌的存在是根据基因预测的，但在我们真正分离出它们之前，我们不会知道这些细菌在做什么。Mochimaru Mochimaru先生是分离出这些新细菌的研究人员之一。持丸先生分离出的细菌中有一种产生甲烷的细菌，称为 AmaM 菌株。

有一种不寻常的细菌！

产甲烷菌株AmaM利用煤中含有的甲氧基芳香族化合物来产生甲烷。此前人们认为产甲烷菌利用氢气、二氧化碳、乙酸和有机物被各种细菌分解并还原为低分子时产生的甲基化合物来产生甲烷。

然而，Mochimaru分离出的产甲烷菌株AmaM不仅使用甲醇、甲基化合物等简单的甲基化合物，还使用碳原子数较多的甲氧基芳香族化合物，甚至煤炭本身来直接生产甲烷。这是一项重大发现，彻底颠覆了有关产甲烷细菌的生物化学和生态学的传统观点。

持丸先生，你颠覆了哪些传统观念？

``到目前为止，人们认为产甲烷细菌通过吃分解过程结束时剩下的东西来产生甲烷，但现在我们发现它们可以突然吃掉大型物体。这与传统观点完全不同。''

但是，我们并不是一朝一夕就能找到答案的。这一发现的故事始于持丸先生的遗憾回忆。

先生Mochimaru 成功地从油田深处收集的细菌中分离和培养了 AmaM 菌株，这是一种“科”水平的新型产甲烷细菌。在准备提出新物种的同时，一名中国研究人员发表论文称，他分离并鉴定了一个新的产甲烷细菌科、属、种，与AmaM菌株具有约99%的遗传一致性，并首先给它命名。那是在 2007 年。

这绝对是触感上的差异

是的，延迟了大约一个月。 1%左右的遗传差异就被认为是同一物种，除非有基因以外的重大差异，否则不能被提议为新物种。产甲烷菌接触氧气就会死亡，因此培养它们需要花费很大的精力，例如用氮气去除培养基中的氧气或使用密封的玻璃瓶。

据说世界上存在的细菌99%无法培养，而且只有1%有专有名称。我从博士后就一直保留着这种细菌，花了很多年才终于分离出来，所以我真的很失望……”

要消除这种遗憾并不容易。我想我感到非常沮丧。

“有一段时间，我无法继续前进，因为我对细菌感到非常沮丧。看到我这个样子，我的细菌分离大师老师告诉我，‘不要扔掉那个东西。’但是……我就是无法放弃，所以我想，‘现在我已经分离了它，也许我可以用它来做点什么，’并暗暗决定保留它。”

之前研究中隐藏的提示

“接下来，我决定使用这种 AmaM 菌株来分离一种新细菌。这些细菌似乎与产甲烷菌 AmaM 菌株共生，并以三甲氧基苯甲酸酯（一种甲氧基芳香族化合物）为食。”

煤主要由源自植物木质素的有机物组成，其聚合物结构中含有甲氧基芳香族化合物。通过使用三甲氧基苯甲酸酯（煤和木质素中发现的物质的模型化合物）作为底物，并在培养基中添加 AmaM 菌株作为辅助剂，他们试图使新细菌更容易生长并将其与其他细菌分离。

为什么你决定用三甲氧基苯甲酸酯（这是张口结舌！）作为诱饵？

“这一提示来自我们之前进行的研究，”Mochimaru 说道。

当我和我的研究人员同事调查沉积物中的旧有机物可以产生多少甲烷微生物时，我们发现产生乙酸的细菌和吃乙酸的产甲烷菌仍然存在。因此，当他查看一篇关于与该细菌具有相似基因序列的细菌的论文时，他发现它“分解三苯甲酸。”

研究建立在稳步努力的基础上。

“三甲氧基苯甲酸酯是一种与煤和木质素有关的化合物。我认为通过将其喂入类似的东西来产生甲烷会很有趣，所以我开始了一个实验。但是，一开始我不知道 AmaM 菌株会单独吃三甲氧基苯甲酸酯。我没有想到这一点。如果我们将其与细菌一起培养，细菌会分解三甲氧基苯甲酸酯，而 AmaM 菌株会吃掉分解的产物并产生我认为如果我们能够证明这种共生关系并分离出一种新细菌，那将会很有趣。”

失败是成功的关键

这一发现突然发生在某一天。

“我总是同时种植两瓶。一个用甲醇作为食物来培养 AmaM 菌株，另一个用三甲氧基苯甲酸酯作为食物来培养新细菌和 AmaM 菌株。有一天，我犯了一个错误，把这两瓶种了相反的食物。我立刻注意到了这一点，但这很浪费，所以我决定继续观察。”Mochimaru 说道。

那么，发生了什么？我很兴奋。

“当我查看培养箱时，我很惊讶。AmaM 菌株自己吃三甲氧基苯甲酸酯。而且，单独培养时，它比与细菌共生培养时产生更多的甲烷。起初，我以为这是一种共生关系，但结果证明它们是单一食物的竞争者。”

与宿敌“重逢”

产甲烷菌菌株 AmaM 单独以三甲氧基苯甲酸酯为食产生甲烷。当Mochimaru将这一发现告知他的研究团队成员时，人们最初表示怀疑。说起来是那么的“与众不同”，但是通过耐心地持续提交数据，理解的人数逐渐增多。与我一起工作的人数增加了，我的研究范围也扩大了。

除了 AmaM 菌株之外，还有其他产甲烷细菌可以从甲氧基芳香族化合物中产生甲烷吗？为了找到类似的细菌，Mochimaru用各种甲氧基芳香族化合物培养了包括AmaM菌株在内的11种产甲烷细菌，并进行了实验，看看它们是否产生甲烷。

目标是一种以甲醇和甲胺等甲基化合物为食的产甲烷菌。由于AmaM菌株是一种也以甲基化合物为食的产甲烷菌，因此我们选择了同一菌株的11个有代表性的产甲烷菌进行实验。

结果是什么？

``与 AmaM 菌株一样，我们发现了另一种利用三甲氧基苯甲酸酯产生甲烷的细菌。它是一种产甲烷细菌，是由较早命名并于2007年发表论文的同一位中国研究人员分离和鉴定的。它被称为ZC-1菌株。随后的实验表明，AmaM菌株可以从至少35种甲氧基芳香族化合物中产生甲烷，而ZC-1菌株可以从34种甲氧基芳香族化合物中产生甲烷。如果只有AmaM菌株可以吃甲氧基芳香族化合物，我们就可以提出一个新物种，但最终没有发生。

我的命运再次与我宿命的对手交织在一起……事情发生了多么戏剧性的转变。

为了研究AmaM菌株是否可以进一步从煤中产生甲烷，我们用不同成熟度的煤培养AmaM菌株，发现它可以用褐煤、次烟煤和烟煤产生甲烷。特别是褐煤的甲烷产量特别显着，褐煤成熟度较低，且含有较多的甲氧基芳香族化合物。

这表明诸如AmaM菌株之类的产甲烷菌可能通过将煤中的甲氧基芳香族化合物直接转化为甲烷而有助于微生物衍生的煤层甲烷的形成。坂田先生补充道。

“虽然我们正在对环境中的细菌进行基因分析，但进行老式的细菌分离非常重要。分离细菌是发现新代谢的唯一途径。当这一发现于 2016 年在《科学》杂志上发表时，发表论文并为该细菌命名的中国研究人员 Mochimaru 先生欣喜若狂，参观了我们的实验室。他发现，他所命名的产甲烷细菌具有完全不同的产甲烷细菌。与其他产甲烷细菌相比，这种细菌开始引起全世界的关注。”

“我想创作《风之谷》的腐烂之海”

我保留了 AmaM 菌株，由于触感的差异，我无法为其提出新物种，当我发现它自己吃三甲氧基苯甲酸酯时，我查看了目录，找到了每种带有甲氧基的物质并将其喂给它。那一刻，持丸和他的团队的坚韧和稳定的努力结出了硕果。

先生持丸告诉我他想成为一名微生物研究员的令人惊讶的原因。推动力是全国流行的动画电影。他对环境问题产生兴趣并选择微生物作为主题的原因是作品的独特背景。

``在宫崎骏的杰作《风之谷》中，有一片充满瘴气的森林，称为“Fukai”。“Fukai”中的巨型真菌类生物对人类有害。虽然它被描述为影响环境的东西，但它实际上是一个净化被污染的地球环境的系统。我想成为一名科学家，能够重建像腐海一样的环境净化系统。

Mochimaru 在筑波大学读三年级时首次遇到产甲烷细菌。他去国立环境研究所当外部研究生，他帮忙的研究课题是“阐明西西伯利亚湿地的甲烷产生机制”。持丸同学眼睛闪闪发亮地说。

“产甲烷菌在暴露于波长 420 纳米的光下时会发出蓝绿色光。当我第一次在荧光显微镜下看到各种形式的产甲烷菌时，我被它们迷住了，心想：“多么美丽啊！”它们看起来就像宇宙宝石！”并被产生甲烷的细菌迷住了。

产甲烷菌也有简单的功能。从某种意义上说，氧气不是必需的，生命只需要氢气和二氧化碳就可以存在，它可能已经存在于古代地球上，甚至可能存在于太空中。有人甚至说宇宙中最早的生物是产生甲烷的细菌。

更重要的是，它以甲烷的形式产生能量，太神奇了！我很震惊。现在我想知道 Fukai 要去哪里（笑）。”

地球是一个“生物甲烷”的世界

从那时起，持丸先生就毕生致力于产甲烷细菌的研究。迄今为止，已分离并鉴定出两种新的产甲烷细菌菌株，它们就是该新物种的同名物。

“Profundi”和“Anticum”。据说两者都是从千叶县茂原市南关东气田采集的产甲烷细菌。这些生物的名字都是用拉丁文写的，“profundi”的意思是“深”，而“anticum”则与antique同源，意思是“古老”。这两者都意味着水是与沉积在地下深处的旧海水分离的。

顺便说一下，地球上的甲烷包括微生物活动产生的生物甲烷，以及地下热分解产生的甲烷。目前用作天然气资源的甲烷大约 80% 源自这种热分解。

但是，如果我们考虑全球甲烷平衡，这种关系就会相反。生物甲烷是迄今为止最大的甲烷来源，占甲烷总量的90-95%。

甲烷水合物有望成为下一代能源，其大部分来源于微生物。甲烷是在牛和羊的胃中产生的，并在打嗝和放屁时释放到大气中，它被妖魔化为一种促进全球变暖的温室气体，但其中大部分也是由微生物活动产生的。

先生坂田解释道。

“在美国，估计40%的煤层气是由产甲烷菌产生的。然而，直到现在，人们对其生产过程还没有很好的了解。这项研究对此提供了一些线索。这不仅具有学术意义，而且对工业也有很大的贡献。如果我们能够增加微生物的活性，积极地将煤转化为甲烷，将会导致煤矿甲烷的产量增加。”

试图阐明生产路线

甲氧基芳香族化合物是新发现的产甲烷菌的食物，不仅存在于煤层中，而且还存在于称为干酪根的沉积物中的有机质中。干酪根来源于植物、藻类等多种生物，是地球上最丰富的有机物质。利用甲氧基芳香族化合物（石油和天然气的主要来源）的产甲烷菌可能有助于形成各种天然气资源，而不仅仅是煤层气。

然而，利用甲氧基芳香族化合物生产甲烷的新甲烷生产途径的细节目前正在研究中，尚未得到明确阐明。目前，主要的假设是产甲烷细菌将甲氧基芳香族化合物的甲氧基去甲基化产生乙酸，然后通过两种产甲烷途径产生甲烷：一种是分解乙酸，另一种是减少二氧化碳。

``作为未来的挑战，我们必须首先澄清生产过程。此外，已经发现存在利用甲氧基产生甲烷的产甲烷菌，但煤中含有的甲氧基是。如果我们能找到也能分解煤中含有的其他成分并将其转化为甲烷的微生物，我们将能够利用各种细菌更有效地生产甲烷。作为下一步，我们也希望以此为目标。'' （坂田先生）

日本曾经繁荣的煤矿现在几乎全部关闭。不过，据说地下煤层中蕴藏着大量煤层气。与需要挖掘的煤炭不同，甲烷气体很容易提取，因为它在挖掘时会自动喷出。毫无疑问，产甲烷微生物回收技术的进步将加速冷床甲烷的发展。

产生甲烷的细菌讨厌暴露在氧气中，安静地生活在地下深处，可能很快就会使煤矿恢复昔日的辉煌。