甲烷菌

甲烷菌（），或稱產甲烷菌或甲烷生成菌，泛指可行無氧呼吸作用產生甲烷（methanogenesis）的微生物，已知的甲烷菌皆為古菌，包含甲烷桿菌門的以及熱原體門中的部分物種，通常生長在濕地沼澤、動物的消化道等厭氧環境，或缺乏硫酸鹽的海底沉積物中。生存在沼澤中的甲烷菌會產生沼氣，若在消化道則會造成打嗝與放屁。

有些甲烷菌可分解有機污染物，因而被用於污水處理。

發現歷史

• 1776年，義大利化學家亞歷山卓·伏打在義大利北部的馬焦雷湖收集自湖底冒出的氣體，並觀察到該氣體可以燃燒，即甲烷的發現。
• 1866年，德國化學家奧古斯特·威廉·馮·霍夫曼將這種可燃氣體命名為「methane」。
• 1868年，法國化學家在研究乙醇的發酵時，記錄到可燃氣體的釋放。此研究被認為是生物生成甲烷的最早記錄。
• 1882年，奧地利藥理學家在鵝和豬的腸道中記錄到甲烷生成；並證實反芻動物的瘤胃微生物在厭氧條件下會產生甲烷，主張纖維素是反應所需的基質。
• 1875年–1900年，研究證實甲烷生成與反芻動物瘤胃中纖維素的分解並無直接關係。
• 1933年，英國生物化學家，證實微生物能利用CO₂ 和 H₂生成甲烷。
• 1936年，美國生化學家利用洋菜培養基分離出高純度的甲烷菌菌株。
• 1977年，美國微生物學家卡爾·沃斯比較甲烷菌、細菌、以及真核生物的核醣體RNA差異，提初包含甲烷菌在內的「古細菌（archaebacteria）」屬於生命的「第三域」。
• 1981年，美國微生物學家純化並鑑定了甲烷生成途徑的核心蛋白（Mcr）。

生理學
甲烷菌的型態通常為球狀或桿狀，也有部分菌種呈現絲狀或彎曲狀。截至2018年，已知的甲烷菌超過１５０種，甲烷菌在古菌域的演化上並不構成單系群。

細胞結構
如同其他古菌，甲烷菌與也缺少構成細菌細胞壁的肽聚醣。甲烷菌的細胞壁由或蛋白質組成的結構組成。大多數的甲烷菌具有由單一蛋白質或糖蛋白組成的表層蛋白（S-layer），以六邊形晶格排列形成規則陣列。某些甲烷菌支系則具有較為少見細胞套膜類型，例如甲烷螺菌屬 （Methanospirillum）的蛋白質外鞘或甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）的甲烷軟骨素（methanochondroitin）。

氧氣耐受性
甲烷菌是專性厭氧生物，在產生能量（ATP）的甲烷生成途徑中，相關的酶以及鐵硫簇對氧氣（O2）極為敏感，極易氧化而失去活性。然而，甲烷生成也可以在如水稻田等局部含氧的環境中進行，目前已證實部分甲烷菌具備針對氧氣以及活性氧化物（ROS）的抗氧化適應適機制。舉例來說，宏基因組與宏轉錄組的證據顯示，一種廣泛存在於溼地和土壤中的甲烷菌（Candidatus Methanothrix paradoxum）能在含氧土壤的無氧微環境中生成甲烷。即便如此，此菌種對微量氧氣仍極為敏感，無法在含氧壓力下長時間存活。相反地，帶有超氧化物歧化酶（SOD）的巴氏甲烷八疊球菌則可在含氧環境中存活較長時間。

生態
甲烷菌在無氧環境中扮演重要的生態角色，負責清除由其他形式的厭氧呼吸所產生的過量氫氣（H2）和發酵產物。在甲烷菌喜好的生長環境通常缺乏除了二氧化碳（CO2）以外的電子接受者（例如氧氣、硝酸鹽、三價鐵離子、硫酸鹽）。此類環境包括溼地、水田、動物消化道（例如反芻動物、節肢動物、以及人類）、廢水處理場、垃圾掩埋場、深海沉積物、以及海底熱泉等。上列的多數棲地並不屬於極端環境，因此這些棲地中的甲烷菌並不屬於嗜極生物。許多被廣泛研究的甲烷菌屬於嗜熱生物，例如 Methanopyrus kandleri （甲烷嗜高熱菌屬）、Methanothermobacter marburgensis（甲烷熱桿菌屬）, Methanocaldococcus jannaschii（甲烷暖球菌屬）。另一方面，棲息於腸道中的甲烷菌則為嗜溫生物，例如人類的腸道菌 Methanobrevibacter smithii（甲烷短桿菌屬）、以及反芻動物的腸道菌 Methanobrevibacter ruminantium。
、等微生物的潛在棲地]]
極端環境中的甲烷菌
根據對中洋脊附近的的宏基因組研究，甲烷菌可能從形成橄欖石的獲得甲烷生成所需的氫氣。其他氫氣來源還包括對水的熱分解或輻解作用。

另一方面，在大陸邊緣或其他沉積速率快、有機質含量高的水域沉積物中，甲烷菌是有機碳的的關鍵因素。在適當的壓力和溫度下，生源甲烷會大量累積形成甲烷水合物（又稱可燃冰），這些甲烷水合物佔了大陸邊緣沉積物的相當比例，也是全球溫室氣體的儲存庫。

甲烷生成
甲烷菌可以利用H2/CO2、醋酸鹽、甲酸酯、乙醇、甲胺、以及木質素衍生物等基質產生甲烷。不同的甲烷生成路徑由特定組合的酶和輔酶負責，雖然能量保存機制各異，但所有的路經最終都會產生離子濃度梯度以驅動ATP合成。

氫營養途徑（H2/CO2）
氫營養途徑以H2和CO2作為起始反應物，透過7個步驟生成甲烷，最後透過鐵氧還蛋白（Fd）的還原和反應最初步驟構成循環，因此途徑又稱為沃爾夫循環。

總反應
:CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O (∆G˚' = -134 kJ/mol CH4)

已證實透過氫營養途徑產生甲烷的古菌包括、Methanothermobacter thermoautotrophicum、Methanothermobacter wolfei等，這些古菌通常生長在厭氧環境。

二氧化碳還原為甲酰甲烷呋喃
在反應初期，CO2與（MFR）結合，以還原態的鐵氧還蛋白（Fd）以及H2做為電子供體，並由（FwdA-F or FmdA-F）催化，將MF還原成甲酰甲烷呋喃（formyl-MFR）。此步驟為消耗H2的還原反應：

:\mathrm{CO_2 + 2H^+ + MFR + Fd_{red}^{2-}} \xrightarrow{\begin{matrix} \text{FwdA-F} \\ or \text{ FmdA-F} \end{matrix}} \mathrm{HCO{-}MFR + H_2O + Fd_{ox}} (∆G˚'= +16 kJ/mol)

甲酰基轉移至四氫甲烷蝶呤
接著，甲酰甲烷呋喃的甲酰基（HCO）藉由（Ftr）轉移到（H4MPT），此步驟生成甲酰四氫甲烷蝶呤（formyl-H4MPT）：

:\mathrm{HCO{-}MFR + H_4MPT\xrightarrow{Ftr}HCO{-}H_4MPT + MFR}

C₁ 單元逐步還原
甲酰四氫甲烷蝶呤藉由（Mch）脫水形成次甲基四氫甲烷蝶呤（methenyl-H4MPT）：

:\mathrm{HCO{-}H_4MPT + H^+\xrightarrow{Mch}CH\text{≡}H_4MPT^+ + H_2O}

次甲基四氫甲烷蝶呤再經協助、以及（Mtd）催化還原成亞甲基甲烷蝶呤（methylene-H4MPT）：

:\mathrm{CH\text{≡}H_4MPT^+ + F_{420}H_2\xrightarrow{Mtd}CH_2\text{=}H_4MPT + F_{420} + H^+}

亞甲基四氫甲烷蝶呤再經協助、以及（Mer）催化還原成甲基甲烷蝶呤（methyl-H4MPT）：

:\mathrm{CH_2\text{=}H_4MPT + F_{420}H_2\xrightarrow{Mer}CH_3{-}H_4MPT + F_{420}}

上述步驟中的還原態F420輔酶（F420H2）是經由（Frh）還原F420輔酶形成：

:\mathrm{H_2 + F_{420}\xrightarrow{FrhABG}F_{420}H_2}

甲基轉移至輔酶M
接著，甲基甲烷蝶呤的甲基（CH3）藉著細胞膜上的（MtrA-H）轉移到輔酶M：

:\mathrm{CH_3{-}H_4MPT + HS{-}CoM\xrightarrow{MtrA-H}H_4MPT + CH_3{-}S{-}CoM}

甲基輔酶M還原與甲烷生成
H2/CO2 途徑的最後一個步驟經（Mcr）和輔酶B參與，輔酶M和輔酶B相連形成異二硫化物（CoM-S-S-CoB），以及產生甲烷（CH4）：

:\mathrm{CH_3{-}S{-}CoM + HS{-}CoB\xrightarrow{Mcr}CoM{-}S{-}S{-}CoB + CH_4}

黃素介導
（HdrABC）和非輔酶F420還原氫化酶（MvhAGD）形成複合體，藉由氧化H2，還原CoM-S-S-CoB和鐵氧還蛋白（Fd）：

:\mathrm{2H_2 + Fd_{ox} + CoM{-}S{-}S{-}CoB \xrightarrow{\begin{matrix} \text{MvhADG/HdrABC } \\ \text{complex} \end{matrix}} Fd_{red}^{2-} + HS{-}CoM + HS{-}CoB + 2H^+} (∆G˚'= -55 kJ/mol)

分類學
甲烷菌最初被認為是細菌而非古菌，因為在DNA定序、聚合酶連鎖反應（PCR）等分子生物學技術尚未成熟前，古菌和細菌之間的差異難以區別。在卡爾·烏斯於1977年將古菌域定義為生物界的第三域後，甲烷菌被歸類於廣古菌門（現為甲烷桿菌界）下的單系群。然而，後續基於16S rRNA 以及核醣體蛋白的研究陸續發現不同的非產甲烷古菌（鹽桿菌、熱原體等）散落在甲烷菌之間，證實甲烷菌並非單系群，且甲烷生成能力可能在演化中過程多次丟失。2010年後的宏基因組學研究更近一步在熱變形菌界中發現甲烷生成途徑，證實有甲烷菌桿菌界之外的產甲烷古菌存在。

帶有甲烷生成相關基因的古菌演化支系在系統發生樹上的位置：

以下列出部分已知的甲烷菌物種：

鹽桿菌門 Halobacteriota

• 甲烷胞菌綱 ""

** 甲烷胞菌目 Methanocellales
*** 甲烷胞菌科 Methanocellaceae
** 甲烷胞菌屬 ' Sakai et al. 2008
**** Methanocella paludicola* Sakai et al. 2008 (type species)
**** Methanocella arvoryzae* Sakai et al. 2010
**** Methanocella conradii* Lü and Lu 2012
*** 甲烷海洋胞菌屬 Methanooceanicella* Zhang et al. 2024
**** Methanooceanicella nereidis* Zhang et al. 2024 (type species)

• 甲烷微菌綱 Methanomicrobia

** 甲烷微菌目 Methanomicrobiales
*** 甲烷礫菌科 Methanocalculaceae Zhilina et al. 2014
*** 甲烷礫菌屬 Methanocalculus* Ollivier et al 1998
**** Methanocalculus halotolerans* Ollivier et al. 1998 (type species)
**** Methanocalculus alkaliphilus* Sorokin et al. 2015
**** Methanocalculus chunghsingensis* Lai et al. 2004
**** Methanocalculus natronophilus* Zhilina et al. 2014
**** Methanocalculus pumilus* Mori et al. 2000
**** Methanocalculus taiwanensis* Lai et al. 2002
*** 甲烷粒菌科 Methanocorpusculaceae Zellner et al. 1989
*** 甲烷粒菌屬 Methanocorpusculum* Zellner et al. 1988
**** Methanocorpusculum parvum* Zellner et al. 1988 (type species)
**** Methanocorpusculum bavaricum* Zellner et al. 1989
**** Methanocorpusculum labreanum*
**** Methanocorpusculum sinense* Zellner et al. 1989
*** 甲烷微菌科 Methanomicrobiaceae Balch and Wolfe 1981
*** 甲烷微菌屬 Methanomicrobium* Balch and Wolfe 1981
**** Methanomicrobium mobile* (Paynter and Hungate 1968) Balch and Wolfe 1981 (type species)
**** Methanomicrobium antiquum* Mochimaru et al. 2016
*** 甲烷袋狀菌屬 Methanoculleus* Maestrojuán et al. 1990
**** Methanoculleus bourgensis* corrig. (Ollivier et al. 1986) Maestrojuán et al. 1990 (type species)
**** Methanoculleus chikugoensis* Dianou et al. 2001
**** Methanoculleus horonobensis* Shimizu et al. 2013
**** Methanoculleus hydrogenitrophicus* Tian et al. 2010
**** Methanoculleus marisnigri*
**** Methanoculleus palmolei* Zellner et al. 1998
**** Methanoculleus receptaculi* Cheng et al. 2008
**** Methanoculleus sediminis* Chen et al. 2015
**** Methanoculleus submarinus* Mikucki et al. 2003
**** Methanoculleus taiwanensis* Weng et al. 2015
**** Methanoculleus thermophilus* corrig. (Rivard and Smith 1982) Maestrojuán et al. 1990
*** 產甲烷菌屬 Methanogenium* Romesser et al. 1981
**** Methanogenium cariaci* Romesser et al. 1981 (type species)
**** Methanogenium frigidum*
**** Methanogenium marinum* Chong'et al. 2003
**** Methanogenium organophilum* Patt et al. 1976 (Approved Lists 1980)
*** 甲烷泡菌屬 Methanofollis* Zellner et al. 1999
**** Methanofollis tationis* (Zabel et al. 1986) Zellner et al. 1999 (type strains)
**** Methanofollis aquaemaris* Lai and Chen 2001
**** Methanofollis ethanolicus* Imachi et al. 2009
**** Methanofollis fontis* Chen et al. 2020
**** Methanofollis formosanus* Wu et al. 2005
**** Methanofollis liminatans* (Zellner et al. 1990) Zellner et al. 1999
*** 甲烷薄桿菌科 Methanoregulaceae Sakai et al. 2012
*** 甲烷薄桿菌屬 Methanoregula* Bräuer et al. 2011
**** Methanoregula boonei* Bräuer et al. 2011 (type species)
**** Methanoregula formicica* Yashiro et al. 2011
*** 甲烷螺菌科 Methanospirillaceae Boone et al. 2002
*** 甲烷螺菌屬 Methanospirillum* Ferry et al. 1974
**** Methanospirillum hungatei* corrig. Ferry et al. 1974 (type species)
**** Methanospirillum lacunae* Iino et al. 2010
**** Methanospirillum psychrodurum* Zhou et al. 2014
**** Methanospirillum stamsii* Parshina et al. 2014

• 甲烷嗜鹼菌綱（Methanonatronarchaeia）

* Order Methanonatronarchaeales*
** Family Methanonatronarchaeaceae* Sorokin et al. 2018
*** GenusMethanonatronarchaeum* Sorokin et al. 2018
**** Methanonatronarchaeum thermophilum* Sorokin et al. 2018 (type species)

• 甲烷八疊球菌綱（Methanosarcinia）

** 甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales）

甲烷桿菌門（Methanobacteriota）

• 甲烷桿菌綱（Methanobacteria）

** 甲烷桿菌目（Methanobacteriales）
*** 甲烷桿菌科（Methanobacteriaceae）

熱原體門（Thermoplasmatota）

• 熱原體綱（Thermoplasmata）

** 甲烷馬賽球菌目（Methanomassiliicoccales）

未定門

• 甲烷嗜高熱菌綱（Methanopyri）
• 甲烷球菌綱（Methanococci）

參見
*嗜極生物
*氫循環
*甲烷水合物
*
*甲烷氧化菌：可代謝甲烷，以甲烷作為碳源的細菌

參考文獻