CO2与H2限制对甲烷球菌（Methanococcus maripaludis）代谢调控的影响及其在生物能源转化中的意义

这篇研究揭示了氢营养型产甲烷菌（hydrogenotrophic methanogens）在动态底物条件下的生理响应机制，重点解析了甲烷球菌（M. maripaludis）在CO2与H2限制/饥饿状态下的代谢差异。研究发现：CO2饥饿导致细胞内还原态辅酶F420H2/F420和NADH/NAD+比值升高，显著延长复苏滞后时间，而H2限制下细胞耐受性更强。该成果为优化间歇性可再生能源驱动的生物甲烷化（PtM）工艺提供了关键理论依据。

　　

ABSTRACT

氢营养型产甲烷菌通过催化H₂和CO₂转化为CH₄，在生物能源领域具有重要应用价值。研究以甲烷球菌（M. maripaludis）和嗜热甲烷菌（M. marburgensis）为模型，首次量化了两者对溶解无机碳（DIC）的表观半饱和常数（K_m）分别为0.60和1.65 mmol L^?1，明确了在30°C/350 Pa或60°C/1.95 kPa CO₂分压时可达最大产甲烷速率的50%。

RESULTS

CO₂摄取动力学

通过封闭批次培养实验发现，两种菌株对DIC的亲和力存在显著差异。当培养基pH=7时，M. maripaludis的K_m值更低，表明其更适应低CO₂环境。计算显示，在生物燃气升级至>98% CH₄时，M. maripaludis仍能维持50%-88%的最大产甲烷活性。

恒化器中的底物限制效应

在H₂或CO₂限制的稳态条件下，M. maripaludis的 biomass yield（1.41-1.49 g DW mol^?1 CH₄）和 specific methanogenesis rate（40.8-44.1 mmol CH₄ h^?1 g DW^?1）无显著差异，但饥饿实验揭示了关键生理差异：

饥饿应激响应

CO₂饥饿7天后，细胞复苏滞后时间延长至11.53±2.47小时，且初始产甲烷速率显著降低；而H₂饥饿组仅需0.76±0.72小时。当CO₂饥饿期间H₂分压从81 kPa降至20 kPa时，滞后时间缩短至2.08±1.03小时，显示H₂浓度依赖性抑制。

细胞损伤机制

OD₆₀₀监测显示，CO₂饥饿19天后细胞裂解率达56.9%，远高于H₂饥饿组（11.1%）。氧应激实验进一步证实：CO₂饥饿细胞暴露于O₂后，产甲烷活性恢复延迟15小时以上，提示还原态积累导致ROS敏感性增加。

氧化还原平衡调控

F₄₂₀H₂/F₄₂₀比值测定显示，CO₂饥饿3天后比值升至8.5±1.5，而H₂饥饿组接近零。NADH/NAD⁺比值呈现相同趋势，证实CO₂饥饿导致细胞内还原压力累积。

DISCUSSION

研究揭示了自然界罕见的CO₂限制对产甲烷菌的独特影响：

1. 高H₂压力下CO₂饥饿会引发"电子积压"效应，导致F₄₂₀H₂过度积累；

2. 还原态增强使细胞更易受氧损伤，这可能与氢化酶（hydrogenases）介导的电子传递链失衡有关；

3. 在生物甲烷化（PtM）工艺中，建议间歇运行期间维持低H₂分压（<20 kPa）以保护细胞活性。

MATERIALS AND METHODS

实验采用改良McN培养基，通过气相色谱（GC）实时监测气体组成，结合ODE模型拟合动力学参数。F₄₂₀检测采用丙酮提取-荧光光谱法，NAD(H)定量使用商业试剂盒。所有操作均在严格厌氧条件下进行。

该研究为理解极端条件下古菌代谢调控提供了新视角，并为可再生能源储存系统的优化设计提供了生理学依据。