Cu2?驱动的群落组装与代谢调控促进了甲烷营养菌群中甲烷向甲醇的转化

《Journal of Environmental Sciences》：Cu2?-driven regulation of community assembly and metabolism enhances methane-to-methanol conversion in methanotrophic consortia

　　摘要要点：• 经 Cu2? 改良富集，获得了两个高甲醇产量的菌群（合成菌群）。• 添加 Cu2? 显著增强了甲烷营养菌的生长和甲醇产量。• 优化后的菌群甲醇产量高于已报道的混合菌群。• Cu2? 选择性富集了 Methylocystis，并降低了竞争类群的丰度。• Cu2? 增强了 pMMO 依赖的甲烷氧化以及 C1 代谢潜力。引言甲烷（CH?）是一种在垃圾填埋场、农业、污水处理及其他厌氧环境中产生的丰富碳资源（Zulfiqar 等，2026）。对于可收集的甲烷流而言，将其转化为增值产品为甲烷资源化利用提供了一条有前景的途径。在甲烷衍生物中，甲醇（CH?OH）尤为引人注目，因为它是一种可运输的液态一碳（C1）化学品，可作为燃料和化学品合成的通用平台分子（Davids 等，2025；Tabibian 和 Sharifzadeh，2023）。然而，甲烷中较强的 C–H 键（约 413 kJ/mol）使得其选择性氧化为甲醇本质上具有挑战性（Zheng 等，2024）。传统的热化学和催化方法通常受限于苛刻的工况、有限的选择性、高能耗以及次生环境问题（Mohamedali 等，2020；Song 等，2025）。甲烷营养菌的生物甲烷转化提供了一种可持续的替代方案，因为甲烷氧化可在温和条件下进行并具有高度的底物特异性（Sahoo 等，2023）。甲烷营养菌是一类专门以甲烷作为唯一碳源和能源的微生物，广泛分布于各种环境中，并在全球甲烷循环中充当天然生物催化剂（Thi Quynh Le 和 Lee，2023）。其产生甲醇的能力依赖于甲烷单加氧酶（MMO）启动的高度特异性甲烷氧化，该酶催化甲烷一步转化为甲醇。MMO 催化的总反应可表示为公式（1）（Koo 和 Rosenzweig，2021）。尽管纯培养甲烷营养菌在甲烷生物转化方面已被广泛研究，但其实际应用可能受到在非无菌或复杂环境条件下稳健性有限和性能不稳定的限制（Keller 等，2022）。相比之下，混合甲烷营养菌群通常表现出更强的适应性和功能韧性，使其对环境生物技术应用更具吸引力（Amabile 等，2023）。然而，由于初始丰度低、生长缓慢以及在复杂微生物组中易受竞争，针对高活性甲烷营养菌群的目标性富集仍然具有挑战性（AlSayed 等，2018）。公式（1）：CH? + O? + 2H? + 2e? → CH?OH + H?O铜(II)离子（Cu2?）的可用性是调节甲烷营养菌中甲烷氧化的关键因素。Cu2? 控制 MMO 的表达和活性，低浓度 Cu2?（<1 μmol/L）通常有利于可溶性 MMO（sMMO），而较高浓度 Cu2?（>5 μmol/L）则促进颗粒型 MMO（pMMO），后者是一种依赖于 Cu2? 的膜结合酶，参与大多数甲烷营养菌的甲烷氧化（Peng 等，2023；Tucci 和 Rosenzweig，2024）。除了作为 pMMO 催化的必需金属辅助因子外，Cu2? 还可能作为一种生态选择压力，塑造富集过程中的微生物群落组成和功能演替。以往的研究主要集中于纯培养甲烷营养菌中 MMO 的生理调控（Samanta 等，2024；Tucci 和 Rosenzweig，2024），而 Cu2? 在引导混合甲烷营养菌群中群落发展及功能组织方面的作用仍知之甚少。特别是，尚不清楚 Cu2? 的可用性如何影响群落结构、微生物互作和功能代谢潜力，以及这些生态与功能变化如何影响混合系统中的甲烷—甲醇转化。在本研究中，从三个生态上截然不同的环境来源中，在无 Cu2? 和添加 Cu2? 条件下富集甲烷营养菌群，以评估 Cu2? 可用性在甲烷—甲醇生物转化中的作用。系统评估了甲烷氧化性能、甲醇产生能力、生长特征和功能稳定性，并对影响甲醇积累的关键操作参数进行了优化。此外，还分析了微生物群落演替、共现网络、功能关联和宏基因组谱系，以阐明甲烷营养菌群对 Cu2? 可用性的生态与代谢响应。本研究旨在阐明 Cu2? 的可用性如何调节甲烷营养菌群，并为开发在温和条件下高效实现甲烷资源化的微生物工艺提供机制基础。章节片段样品来源与预处理选用活性污泥（AS）、河泥（RS）和填埋场土壤（LS）作为接种源，以代表三种甲烷暴露程度和微生物群落特征不同的生态栖息地。具体而言，活性污泥代表一个受工程调控、营养丰富的微生物群落，其甲烷暴露相对有限，且面临强烈的非甲烷营养菌竞争；河泥代表一个天然的氧化—厌氧界面，其……Cu2? 驱动的富集在不同接种物中提升了甲醇产量为评估 Cu2? 对富集过程中甲醇产量的影响，将来源于三种环境（AS、RS 和 LS）的微生物群落在无 Cu2? 和添加 Cu2? 条件下进行培养。不同接种物的甲醇产量差异显著，并对 Cu2? 的添加表现出不同的响应。AS 来源的菌群在整个富集过程中甲醇产量有限，在第 120 天、10 μmol/L Cu2? 条件下仅达到 0.34 mmol/g DCW，且仅有微小差异……结论Cu2? 通过协同促进甲烷营养菌富集、pMMO 依赖的氧化以及有利的群落重组，从而增强甲烷向甲醇的转化。RSCu120 和 LSCu60 的建立表明，可控的 Cu2? 可用性可作为一种有效策略，用于从复杂的环境接种物中开发稳定且高效的甲烷营养菌群。这些发现扩展了对 Cu2? 作为催化辅助因子和生态调节剂在混合甲烷营养菌……中的理解。未引用参考文献Gafarov 等，2026CRediT 作者贡献声明刘利军（Li-jun Liu）：撰写——初稿、验证、方法论、调查研究、正式分析。范盛强（Sheng-qiang Fan）：撰写——审阅与编辑、指导。吴继文（Ji-wen Wu）：撰写——审阅与编辑、指导。郭惠戈（Hui-Ge Guo）：撰写——审阅与编辑。刘丙锋（Bing-feng Liu）：撰写——审阅与编辑、指导。冯思宇（Si-yu Feng）：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析。何泽（Ze He）：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析。孙家正（Jia-zheng Sun）：撰写——审阅与编辑。曹广立（Guang-li Cao）：……利益冲突声明作者声明不存在任何已知可能被认为影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本研究得到国家自然科学基金（编号 52470145）、国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目（编号 W2511060）、黑龙江省重点研发计划（编号 2023ZX02004）、国家城乡水资源与环境重点实验室（哈尔滨工业大学）（编号 2024TS18）以及国家生物能源地方联合工程研究中心基金……的支持。作者：刘利军｜范盛强｜吴继文｜郭惠戈｜刘丙锋｜冯思宇｜何泽｜孙家正｜曹广立｜任南齐