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重磅,發(fā)現(xiàn)將煤炭釋放的有機(jī)化合物直接轉(zhuǎn)化為甲烷的產(chǎn)甲烷菌(有關(guān)沼氣的問題
?)

佚名 2024-05-11 23:48:03

重磅,發(fā)現(xiàn)將煤炭釋放的有機(jī)化合物直接轉(zhuǎn)化為甲烷的產(chǎn)甲烷菌

在一項(xiàng)新的研究中

,來自日本國家高級(jí)產(chǎn)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院的研究人員發(fā)現(xiàn)存在一種能夠?qū)⒚禾酷尫诺挠袡C(jī)化合物直接轉(zhuǎn)化為甲烷的細(xì)菌。他們描述了他們開展的實(shí)驗(yàn)和他們發(fā)現(xiàn)的這種細(xì)菌
。針對(duì)這項(xiàng)研究
,荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)的welte發(fā)表論文,解釋了這項(xiàng)研究及其影響

長期以來

,科學(xué)家們已知地下煤層能夠產(chǎn)生甲烷---它經(jīng)常被用作天然氣。但是煤炭如何被轉(zhuǎn)化為甲烷一直是個(gè)謎
。很多人猜測(cè)甲基化合物參與降解煤炭釋放物---甲氧基化芳香化合物(macs)的混合物
,而細(xì)菌能夠?qū)acs轉(zhuǎn)化為甲烷。人們也認(rèn)為細(xì)菌不能夠直接消化macs
,這是因?yàn)楸环Q作產(chǎn)甲烷菌的細(xì)菌通常利用小分子碳化合物產(chǎn)生甲烷
。但是在這項(xiàng)新的研究中,研究人員推翻了這種理論
;他們發(fā)現(xiàn)一種產(chǎn)甲烷菌的兩種菌株能夠?qū)acs直接轉(zhuǎn)化為甲烷

為了發(fā)現(xiàn)這兩種菌株(zc-1和amam),研究人員將幾種潛在的菌株在40種已知的macs中進(jìn)行培養(yǎng)

,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種菌株能夠在不需來自任何其他的甲基化合物的幫助下產(chǎn)生甲烷
。他們發(fā)現(xiàn)作為這個(gè)過程的一部分,這兩種菌株也攝取空氣中的二氧化碳

這些發(fā)現(xiàn)提示著煤層

,包括廢棄礦山中的那些煤層,可能有朝一日作為甲烷的一種主要來源發(fā)揮作用
。不過
,welte解釋道,還需開展更多的研究來發(fā)現(xiàn)是否存在其他的產(chǎn)甲烷菌也能夠直接進(jìn)行這種轉(zhuǎn)化和這些能夠直接轉(zhuǎn)化macs的產(chǎn)甲烷菌是否廣泛地存在于煤層中

有關(guān)沼氣的問題

沼氣及其產(chǎn)生過程?

沼氣是有機(jī)物質(zhì)在厭氧環(huán)境中,在一定的溫度

、濕度
、酸堿度的條件下,通過微生物發(fā)酵作 用
,產(chǎn)生的一種可燃?xì)怏w
。由于這種氣體最初是在沼澤、湖泊
、池塘中發(fā)現(xiàn)的
,所以人們叫 它沼氣。沼氣含有多種氣體
,主要成分是甲烷(CH4)
。沼氣細(xì)菌分解有機(jī)物,產(chǎn)生沼氣的 過程
,叫沼氣發(fā)酵
。根據(jù)沼氣發(fā)酵過程中各類細(xì)菌的作用,沼氣細(xì)菌可以分為兩大類
。第一類細(xì)菌叫做分解菌
,它的作用是將復(fù)雜的有機(jī)物分解成簡單的有機(jī)物和二氧化碳(CO2)等 。它們當(dāng)中有專門分解纖維素的
,叫纖維分解菌
;有專門分解蛋白質(zhì)的,叫蛋白分解菌
;有 專門分解脂肪的
,叫脂肪分解菌;第二類細(xì)菌叫含甲烷細(xì)菌
,通常叫甲烷菌
,它的作用是把 簡單的有機(jī)物及二氧化碳氧化或還原成甲烷。因此
,有機(jī)物變成沼氣的過程
,就好比工廠 里生產(chǎn)一種產(chǎn)品的兩道工序:首先是分解細(xì)菌將糞便
、秸稈
、雜草等復(fù)雜的有機(jī)物加工成半 成品——結(jié)構(gòu)簡單的化合物;再就是在甲烷細(xì)菌的作用下
,將簡單的化合物加工成產(chǎn)品—— 即生成甲烷
。?

沼氣的成分?

沼氣是一種混合氣體,它的主要成分是甲烷
,其次有二氧化碳
、硫化氫(H2S)
、氮 及其他 一些成分。沼氣的組成中
,可燃成分包括甲烷
、硫化氫、一氧化碳和重?zé)N等氣體
;不可燃成 分 包括二氧化碳
、氮和氨等氣體。在沼氣成分中甲烷含量為55%~70%
、二氧化碳含量為28%~44%
、硫化氫平均含量為0.034%。

沼氣的理化性質(zhì)?

沼氣是一種無色
、有味
、有毒、有臭的氣體
,它的主要成分甲烷在常溫下是一種無色
、無味 、無臭
、無毒的氣體
。甲烷分子式是CH4,是一個(gè)碳原子與四個(gè)氫原子所結(jié)合的簡單碳?xì)浠衔?
。甲烷對(duì)空氣的重量比是0.54
,比空氣約輕一半。甲烷溶解度很少
,在20℃
、0.1千帕?xí)r,100單位體積的水
,只能溶解3個(gè)單位體積的甲烷
。?

甲烷是簡單的有機(jī)化合物,是優(yōu)質(zhì)的氣體燃料
。燃燒時(shí)呈藍(lán)色火焰
,最高溫度可達(dá)1?400? ℃左右。純甲烷每立方米發(fā)熱量為36.8千焦
。沼氣每立方米的發(fā)熱量約23.4千焦
,相當(dāng)于 0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃燒后放出的熱量。從熱效率分析
,每立方米沼氣所能 利用的熱量
,相當(dāng)于燃燒3.03千克煤所能利用的熱量。

土壤分子微生態(tài)學(xué)為啥要研究古菌呢

如同我們學(xué)習(xí)歷史一樣

,是為了更好地了解、認(rèn)清事物發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律
,更好地應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來的挑戰(zhàn)


自然科學(xué)的專業(yè)研究亦是如此,首先說古菌的研究具有重要意義
。古細(xì)菌包括3類不同的細(xì)菌:產(chǎn)甲烷細(xì)菌
、極端嗜鹽細(xì)菌和嗜酸嗜熱細(xì)菌。它們生存在極端特殊的生態(tài)環(huán)境中
,具有獨(dú)特的16S核糖體RNA寡核苷酸譜
。而且,它們?cè)诜肿铀缴吓c真核生物和真細(xì)菌都有不同之處或只與其中之一相同
。例如
,極端嗜鹽細(xì)菌能行光合作用,但其光合作用色素并非葉綠素類的分子
,而是與動(dòng)物視網(wǎng)膜上的視紫紅質(zhì)相似的視紫紅質(zhì)

原來以為有細(xì)胞形態(tài)的生物只有原核細(xì)胞和真核細(xì)胞兩大類。自從發(fā)現(xiàn)古細(xì)菌以后
,才將生物分為上述3大類
,這就為探索生命起源和真核細(xì)胞起源提供了新的線索。
極端嗜熱菌(themophiles):能生長在90℃以上的高溫環(huán)境
。如斯坦福大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的古細(xì)菌
,最適生長溫度為100℃,80℃以下即失活
,德國的斯梯特(K. Stetter)研究組在意大利海底發(fā)現(xiàn)的一族古細(xì)菌
,能生活在110℃以上高溫中,最適生長溫度為98℃
,降至84℃即停止生長
;美國的J. A. Baross發(fā)現(xiàn)一些從火山口中分離出的細(xì)菌可以生活在250℃的環(huán)境中。嗜熱菌的營養(yǎng)范圍很廣
,多為異養(yǎng)菌
,其中許多能將硫氧化以取得能量。
極端嗜鹽菌(extremehalophiles):生活在高鹽度環(huán)境中
,鹽度可達(dá)25%
,如死海和鹽湖中。
極端嗜酸菌(acidophiles):能生活在pH值1以下的環(huán)境中
,往往也是嗜高溫菌
,生活在火山地區(qū)的酸性熱水中
,能氧化硫
,硫酸作為代謝產(chǎn)物排出體外

極端嗜堿菌(alkaliphiles):多數(shù)生活在鹽堿湖或堿湖、堿池中
,生活環(huán)境pH值可達(dá)11.5以上
,最適pH值8~10。
產(chǎn)甲烷菌(metnanogens):是嚴(yán)格厭氧的生物
,能利用CO2使H2氧化
,生成甲烷,同時(shí)釋放能量

CO2+4H2→CH4+2H2O+能量
由于古細(xì)菌所棲息的環(huán)境和地球發(fā)生的早期有相似之處
,如:高溫、缺氧
,而且由于古細(xì)菌在結(jié)構(gòu)和代謝上的特殊性
,它們可能代表最古老的細(xì)菌。它們保持了古老的形態(tài)
,很早就和其它細(xì)菌分手了
。所以人們提出將古細(xì)菌從原核生物中分出,成為與原核生物(即真細(xì)菌eubacteria)
、真核生物并列的一類


土壤分子微生態(tài)學(xué)研究古菌,一方面可以了解古菌在土壤早期形成所起的生化作用
,更重要的是可以提高分子微生態(tài)學(xué)的水平
,研究開發(fā)適用于當(dāng)前生產(chǎn)、治污等方面的生物技術(shù)

補(bǔ)充回答:
舉例來說
,古菌一些奇特的生活習(xí)性和與此相關(guān)的潛在生物技術(shù)具有重要意義和開發(fā)前景。

古菌常被發(fā)現(xiàn)生活于各種極端自然環(huán)境下
,如大洋底部的高壓熱溢口
、熱泉、鹽堿湖等
。事實(shí)上
,在我們這個(gè)星球上,古菌代表著生命的極限
,確定了生物圈的范圍


產(chǎn)甲烷古菌能夠利用簡單基質(zhì)產(chǎn)甲烷。它們處于厭氧發(fā)酵過程中最后一個(gè)環(huán)節(jié)
,在自然界碳素循環(huán)中扮演重要角色
。研究產(chǎn)甲烷古菌,對(duì)生物質(zhì)能的利用有重要的應(yīng)用價(jià)值
。產(chǎn)甲烷菌能利用CO2使H2氧化
,生成甲烷
,同時(shí)釋放能量。產(chǎn)甲烷古菌可將無機(jī)或有機(jī)化合物厭氧轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳
,在沼氣發(fā)酵
、有機(jī)廢棄物處理和全球大氣中的甲烷釋放等過程中起著重要作用。目前已有19種產(chǎn)甲烷古菌的基因組完成了測(cè)序,其基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究以及未培養(yǎng)產(chǎn)甲烷古菌的多樣性研究正蓬勃開展
。已知的甲烷生物合成途徑分別以乙酸
、氫/二氧化碳、甲基化合物為底物,通過不同途徑,最后在甲基輔酶M還原酶的催化下釋放出甲烷
。產(chǎn)甲烷古菌的資源多樣性和組學(xué)水平的代謝調(diào)控機(jī)制研究將為持續(xù)開發(fā)可再生能源
、開展環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
繼續(xù)追問:
實(shí)驗(yàn)主要是研究下施肥狀況對(duì)細(xì)菌種群的影響
,應(yīng)該涉及到氮循環(huán)(氨氧化細(xì)菌等)
、硫循環(huán)(硫細(xì)菌),古菌的話不是很理解
,在土壤中古菌會(huì)在土層20-40處嗎
?還是更為厭氧的環(huán)境條件
補(bǔ)充回答:
不一定,近年來
,利用分子生物學(xué)方法發(fā)現(xiàn)
,古菌廣泛分布于各種自然環(huán)境中,土壤
、海水
、沼澤地中均生活著古菌。實(shí)驗(yàn)室也可培養(yǎng)(主要包括三大類:產(chǎn)甲烷菌
、極端嗜熱菌和極端嗜鹽菌)
。其中自然界中,產(chǎn)甲烷菌生活于富含有機(jī)質(zhì)且嚴(yán)格無氧的環(huán)境中
,如沼澤地
、水稻田、反芻動(dòng)物的反芻胃等
;極端嗜鹽菌生活于鹽湖
、鹽田及鹽腌制品表面,它能夠在鹽飽和環(huán)境中生長
;極端嗜熱菌通常分布于含硫或硫化物的陸相或水相地質(zhì)熱點(diǎn)
,如含硫的熱泉、泥潭
、海底熱溢口等

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