甲烷是全球第二大温室气体，也是一种重要的能源物质，是全球碳循环中的重要组成部分。传统经典理论认为，复杂有机物厌氧转化生成甲烷的过程中，产甲烷古菌本身被认为无法直接分解复杂大分子有机质。
北京时间2026年10月21日，中国农业科学院厌氧微生物前沿交叉研究中心研究员承磊团队与北京大学城市与环境学院教授陆雅海等团队合作，在《自然》（Nature）期刊上在线发表了题为“A single archaeon couples long-chain fatty acid oxidation to methanogenesis”的论文。
该研究从胜利油田油藏样品中分离得到嗜热古菌新种Methanoglobus dolicholipophagus AA-75，在纯培养条件下证实，单一古菌细胞就能够独立完成中长链脂肪酸氧化并生成甲烷。
传统理论认为，脂肪酸等大分子有机物降解产甲烷必须依靠细菌与产甲烷古菌的互营分工协作完成。细菌负责氧化脂肪酸，释放氢气、乙酸等小分子底物，再交由产甲烷古菌完成末端产甲烷反应，产甲烷古菌本身被认为无法直接分解复杂大分子有机质。尽管热力学计算、宏基因组分析以及富集培养实验不断提示，部分古菌类群存在突破这一代谢限制的潜在能力，但始终缺乏纯培养条件下的确凿实验证据。
研究人员首先依托自主建立的调控微生物相对生长优势，从而定向分离慢生长微生物的新思路和“鸡尾酒”法分离策略，从油田环境样品中分离获得Methanoglobus dolicholipophagus AA‑75的纯培养物。通过基因组分析、富营养培养基下的多条件培养验证，确认培养物为单一古菌体系。扫描电子显微镜观察显示，该古菌细胞呈球形。
图1. Methanoglobus dolicholipophagus AA‑75的菌体形态
以硬脂酸作为唯一碳源培养菌株AA-75，观察到明显甲烷产生，培养过程中还检测到乙酸的积累。13C稳定同位素标记实验进一步证实，硬脂酸中的13C能够转化为13C甲烷，确证了菌株AA-75利用脂肪酸产甲烷的能力。系统测定该古菌的底物谱发现，菌株可利用C7‑C18区间多种饱和、不饱和中长链脂肪酸产甲烷。实验同时观测到，该菌株也可以利用甲醇作为底物完成产甲烷。而H2/CO2、乙酸、甲酸、甲胺类等经典产甲烷底物，均不能支持该菌株生长与产甲烷。
图2 菌株AA-75利用硬脂酸产甲烷和乙酸图
此外，基因组分析显示，菌株AA-75在单个细胞内整合了编码完整脂肪酸β-氧化、还原性乙酰辅酶A途径（Wood–Ljungdahl途径）以及甲基四氢甲烷蝶呤：辅酶M甲基转移酶（Mtr）、甲基辅酶M还原酶（Mcr）等核心产甲烷酶的基因。研究团队将这一新的甲烷生成途径命名为脂基型产甲烷途径，转录组数据进一步证实了该代谢通路的活性。
图3 脂营养型产甲烷代谢途径
此外，基因组分析还显示，菌株AA-75含有编码甲醛活化酶-己酮糖-6-磷酸合酶融合蛋白（Fae-Hps）、醇脱氢酶（Adh）和甲醇甲基转移酶（Mta）的基因——三者分别催化甲醛的活化固定、甲醛与甲醇之间的可逆转化，以及甲醇向甲基辅酶M的转化，共同构成完整的甲醇-甲醛一碳代谢模块，可替代经典的Mtr-Mer（亚甲基四氢甲蝶呤还原酶）通路。在该模块中，亚甲基四氢甲蝶呤经可逆转化生成甲醛与甲醇，随后汇入甲基辅酶M完成甲烷合成。转录组数据进一步支持这一发现。同位素示踪实验则提供了直接证据——以13C硬脂酸培养菌株AA-75，体系中检出13C标记的甲醛与甲醇，证实该甲醇-甲醛模块作为Mtr-Mer旁路真实参与了脂营养型产甲烷过程。
图4 中间代谢产物甲醛和甲醇的鉴定质谱图
该研究在纯培养物水平直接证明了古菌能够独立完成大分子有机物的厌氧降解与甲烷生成，突破了复杂有机物降解产甲烷必须依赖多种微生物互营协作的传统认知。拓展了产甲烷古菌的功能多样性，深化了对全球碳素生物地球化学循环的理解。
该途径产生甲烷的同位素信号与热成因气相重叠，提示学界需要重新审视依靠碳同位素判别天然气藏气源的传统标准。分离获得的这株功能独特古菌，也为依托有机废弃物开展厌氧单细胞生物制造提供了潜在的底盘微生物资源。
农业农村部成都沼气科学研究所助理研究员易悦、硕士生曹佐蓉（已毕业）、特聘研究员巫可佳、博士后丁恒武和博士生付琳为论文共同第一作者，承磊和陆雅海为共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程和四川省科技创新群体等项目的资助。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-026-11207-x
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