全球每年有近1000 Tg（百亿公斤）的甲烷被排放到大气中，其中约20%来自油气井、垃圾填埋场等人为点源。甲烷的温室效应是二氧化碳的20倍以上，但这些分散的小规模排放源往往缺乏基础设施来收集利用。自然界中存在好氧和厌氧的甲烷氧化微生物，好氧菌需要氧气且产生二氧化碳，而厌氧菌虽能直接利用甲烷，却至今没有获得纯培养物，限制了技术开发。
日前，一项发表于《生物技术趋势》（Trends in Biotechnology）的研究给出了新思路。山东大学环境研究院闫震教授团队完成了题为《逆转产甲烷古菌以减排甲烷并生成增值产品》的工作。研究团队以实验室可培养的产甲烷古菌“乙酸甲烷八叠球菌”为底盘，通过代谢工程改造，让它“倒着运行”原本产甲烷的代谢通路，转而消耗甲烷，并产出乙醇和甲酸这两种高价值化学品。
研究人员首先向菌株中导入了来自丙酮丁醇梭菌的两个关键基因：一个编码双功能醛/醇脱氢酶，负责将乙酰辅酶A两步还原为乙醇；另一个编码铁氧还蛋白-NADH氧化还原酶，用于再生反应所需的还原力NADH。在甲烷为唯一碳源、水合氧化铁为电子受体的条件下，改造后的菌株成功启动了铁依赖性厌氧甲烷氧化。同位素示踪实验证实，产物乙醇中的碳确实来自甲烷。静态培养数据显示，甲烷衍生的碳中，乙醇占比达到36.4%，甲酸占13.1%，生物质占33.5%。
为了把更多碳流从“长细胞”转向“产产品”，研究团队采用了无氮培养基使细胞进入生长停滞的静息状态。这样一来，生物质占比大幅下降，乙醇的碳转化效率提升至62.0%。在实验室规模的1升反应器中，连续供应甲烷（0.1兆帕压力）并辅以中空纤维膜增强气液传质，静息细胞稳定产乙醇28天，直到电子受体几乎全部被还原为二价铁。此时团队向反应器通入空气4小时，成功将二价铁重新氧化为三价铁，恢复了甲烷氧化和产乙醇能力。整个系统在48天内累计产出约5.8毫摩尔乙醇。
该技术在实验室环境下得到验证，已具备技术成熟度4级（TRL 4）。与依赖氧气的好氧甲烷氧化不同，这套厌氧系统可直接在排放源头处理甲烷，产物乙醇易于储运，甲酸则是重要的工业原料。研究团队认为，未来若能进一步提升反应速率并优化反应器设计，这项技术有望将油气井、垃圾填埋场和沼气设施的甲烷废物流转化为可再生能源，把气候威胁变成循环经济的原料。
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