兰州大学泛第三极环境中心团队参与的古菌降解复杂烷基烃产甲烷的合作研究取得重要进展

　　众所周知，石油是一种重要的能源物质和工业生产原料，是我国经济发展不可或缺的重要资源。如何提高石油的采收效率并降低石油采收能耗，是我国实现“双碳”目标的关键之一。然而，经过一个多世纪的开采，出现了大量的“老旧”油井，常规开采手段已经无法有效高效进行原油开采。

　　1999年，科学家在Science杂志上发表文章，证实在无氧的条件下，原油中的细菌和古菌合作，可以将复杂的石油化合物（主要是烷烃类化合物）转化为甲烷。基于这一发现及后续研究，科学家提出了一种基于厌氧微生物的，廉价、清洁的微生物开采技术——“原油生物气化”技术。期望通过微生物的作用，将深部油藏中难以开采的石油转化为天然气，实现残余原油的再次开采。遗憾地是既往的研究表明，降解石油产甲烷的过程由细菌和古菌通过合作的方式完成，耗时久，且体系不稳定，难以实现工程化运用。

　　那么，是否存在一种微生物能够实现从烷烃化合物到甲烷的转化呢？幸运的是，伴随微生物生态学技术的发展，微生物学家已经能够在不分离微生物的情况下，获得微生物的基因组，解析其可能驱动的生物地球化学循环过程。2019年，德国马普海洋微生物研究所的科学家发现，一种新的古细菌CandidatusMethanoliparia可能具有独立降解长链烷基烃产甲烷的能力，但是，相关研究仅停留在假设阶段。

　　兰州大学泛第三极环境中心生物地球化学循环团队的刘鹏飞教授与农业农村部沼气科学研究所承磊研究员团队、深圳大学高等研究院李猛教授团队、德国马普海洋微生物研究所Gunter Wegener教授团队深度合作，首次证实了古菌Ca.Methanoliparia具有独立降解烷烃产甲烷的能力。

　　该研究通过生理培养实验结合宏基因组学、宏转录组学和代谢组学，证实了该古菌可以独立降解长链烷基烃产甲烷，并提出第五种古菌甲烷产生代谢途径，即长链烷烃代谢产甲烷（图2）。研究结果还揭示了产甲烷古菌在地球深部厌氧碳循环中的重要性存在被低估的可能性。与传统的基于细菌和古菌合作的石油烃降解产甲烷系统相比，以单一古菌为主的石油烃降解体系石油烃降解速率更快，转化周期远小于已有报道，该研究为实现原油生物产甲烷提供了科学基础。不仅如此，该研究也为其他极端厌氧环境的碳循环过程研究带来了新启示，例如，富含复杂有机质的冰下极端环境和多年冻土环境，是否存在类似的复杂有机质降解和甲烷产生过程，成为下一个值得探索的领域。

　　相关研究结果以“一种古菌以非互营方式实现烷基烃降解产甲烷（Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species）为题，于2021年12月23日在线发表在Nature杂志（https://www.nature.com/articles/s41586-021-04235-2）。同期Nature杂志对这一工作以“一种能够利用原油产甲烷的微生物（A microbe that uses crude oil to make methane）”为题进行了专门报道（https://www.nature.com/articles/d41586-021-03729-3）。兰州大学泛第三极环境中心生物地球化学循环团队刘鹏飞教授为该文章的共同第一作者。