世上居然有靠吃沼氣和鐵銹生存的細菌?!而且還就在你家門口的小河涌里?

小編這么說，雖有嘩眾取寵的標題黨之嫌，但其實也是經過深思熟慮的賺眼球之舉——微生物學家一直猜測有能“吃”甲烷和三價鐵的微生物的存在，卻無法證明他們的猜想…直到今年，荷蘭奈梅亨的Radboud大學、德國不萊梅的馬普所(Max Planck Institute)和慕尼黑的亥姆霍茲慕尼黑中心的聯合團隊終于發現了一種能還原鐵和氧化甲烷的微生物。而它可能是控制全球溫室氣體排放的重要生物。

這個偉大發現背后的生物反應器 (圖源: Boran Kartal)他們的研究成果于10月24日發布在科學期刊《美國科學院院報》(PNAS-Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上。其中的一位第一作者來自中國，叫Baoli Zhu，他的履歷寫滿了北大、中科院以及荷蘭、德國著名高校的足跡，小編不得不投以崇拜的目光和真誠的掌聲。

大家可能知道，可能不知道，甲烷是一種比二氧化碳還要強25倍的溫室氣體(另外一種說法是72倍)。毫不夸張地說，我們人類肉眼看不見的微生物掌控著甲烷循環再生，也就是說它們對全球溫室氣體的平衡影響重大。位于荷蘭和德國的研究者們發現了一種古生菌(archaeon)，一種不同于細菌(bacteria)的古老原核生物(prokaryotes)的分支，能借助三價鐵(ferric)將甲烷轉化成二氧化碳。

不信?小編列個化學式給您看看，標準吉布斯自由能可是一個大大的負值：

這篇文章兩位第一作者Katharina Ettwig和Baoli Zhu對這個發現的重要性如此評價道：在這個過程當中，還原成二價態的鐵能供其他細菌的新陳代謝所用。可以說，這個新發現的微生物是影響了鐵循環、甲烷循環的能量梯級(energy cascade)傳遞的起點。

荷蘭人又將掀起污水處理界的又一革命?

這種新發現的古生菌，除了能吃鐵，它的八寶袋里還藏著其他魔法——它們能將硝態氮轉化氨氮，后者是著名的厭氧氨氧化菌(Anammox)最愛吃的食物了，而Anammox菌能將氨氮在厭氧環境下轉化為氮氣。“這跟污水處理拉上了關系，”該研究團隊的成員Boran Kartal如此評價。這位微生物學家剛從荷蘭的Radboud University搬到德國不萊梅的馬普所。“如果一個生物反應器里包含了厭氧條件下的厭氧甲烷氧化菌(AMO)和厭氧氨氧化菌(Anammox)，那么這個反應器就能同時將污水中的氨氮、甲烷和氮氧化物轉化成無害的氮氣和二氧化碳，這對全球變暖意義重大，” Boran跟大家描繪了這個菌種在污水處理的應用前景。

 大家有所不知的是，跟人類相關的甲烷排放中，20%來自我們吃的米飯的來源——稻田。要是Boran說的潛在工藝能夠實現工業化應用的話，將大大減少稻田的甲烷的排放。

大家如果沒有聽明白Kartal先生的話的話，小編可以這么詮釋：以后反硝化的碳源可以用厭氧消化產生的甲烷來取代昂貴的甲醇。倘若成真，將是城市污水處理的里程碑事件。

荷蘭人已經聞到這個新菌種背后的商機。Jetten教授等荷蘭微生物學家已在2013年獲得了荷蘭政府高達2290萬歐元的資助。目前，他的團隊正通過荷蘭STW技術創新基金名下的項目跟荷蘭相關水委會以及著名厭氧水處理權威帕克(Paques)一起研究其工程應用的可行性。

眾里尋他千百度，卻是藏在陰溝處

盡管之前諸多跡象顯示這種微生物的存在，但是科學家們就是沒辦法將它們分離出來。令人驚訝的是，它們其實就在我們家門口。我們奧氏部落之前介紹過的荷蘭微生物傳奇教授Mike Jetten正好也在這個研究團隊中，他說：“經過多年的研究，我們發現它們就在我們收集的樣品中。它就在荷蘭的Twentekanaal河溝里。我們將此地收集并存放到實驗室里的培養菌，通過拼命地喂它們甲烷和硝酸鹽來進行富集，最終發現了這個菌種的存在,證明了我們的猜測。”下一步他們將對反應機理進行更深入的探究，例如分析這個反應里都涉及了哪些蛋白酶等。

這里小編找到了Jetten教授在接受荷蘭國家電臺Radio 1的訪問錄音。可惜采訪是荷蘭文的，各位荷蘭語文盲朋友請自行尋找各種語音識別神器來解碼吧>_<

荷蘭小鎮Goor上的Twentekanaal運河, 這個運河河溝地下就住著這個讓科學家們苦苦追尋了10年的幽靈微生物 (圖源 © ANP)

微生物幻方圖的最后拼圖

10年前的2006年4月，權威雜志《自然》有這么一篇文章：

邊里有一個附件(supplementary info):

小編對這樣的制表方法要給一個贊，因為這是一種思路清晰的表現——這年頭，思路清晰的人并不多。上圖原是用來闡釋當時發現的能通過硝態氮作為電子受體來完成反硝化和甲烷氧化的微生物。而Jetten教授和他的團隊對這個表進行了修改更新，他們將九種曾經或仍舊未知的微生物可能需要的電子供體和受體列了出來。他們把這些微生物稱作spookmicrobes(幽靈微生物)。圈內人士把這張表稱作微生物的幻方圖(Magic Square of Microbiology)。

通過聯系Jetten教授和他的無私分享，小編獲得了這張神圖：

大家可以看到，在過去學術星期四專欄中介紹過的Anammox和Comammox都是幽靈戰隊中的一員，而如今它們已經被人們所發現而且成為科研學術界甚至是工程應用界的新熱點。Jetten教授和他的團隊一路走來受過的質疑和挑戰，也許旁人是很難完全體會的。這里感慨一句題外話：各位耐得住寂寞搞微生物的朋友們，時間是你們最恨的敵人，但也可能是最好的朋友…

十年過去了，Jetten教授的團隊的弟子已經散落全世界，幻方圖的九個曾經空缺的格子也已填入了8種細菌或古生菌。最近的這個新發現屬于甲烷疊球菌(methanosarcinales)。

Jetten教授表示希望他的團隊能盡快找到幻方格上的最后一塊拼圖。為啥要盡快?因為還有來自中國、澳洲和美國的團隊的競爭呢。究竟這個皇冠上的明珠會由誰搶的呢?我們就安靜地拭目以待就好了…

Once upon a time……

除了可能在污水處理界有所應用之外，這個新發現的菌種和工藝，將幫助我們更好地認識我們所在的地球。

在40到25億年前，甲烷疊球菌有可能繁盛于曾富含甲烷的大氣層里的含鐵太古代海洋(Archaean oceans)里。更多關于這個微生物新陳代謝的信息將有助解開鐵在地球早期發展的作用。

最后還是老套路，想要閱讀這篇由中國人擔大旗的吃鐵微生物的文章以及10年前發現耦合反硝化和甲烷氧化的微生物的文章的朋友，可以留言索取。