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参观实验室:经过16年的不断研究,四川科学家终于在35亿年前发现了微生物

封面新闻记者 田之路 杨博

一种看不见摸不着的小家伙,在地下深层隐藏了35亿年。近年来,因其在石油开采领域有无限潜力,被全世界范围的科学家们广泛关注。这种叫产甲烷古菌的微生物,终于大放异彩,在显微镜下,带着绿色荧光,进入了科学家们的视野。

沼气研究所的研究已经持续16年,科学家们在无数次实验、论证后,将实验成果发表在了国际学术界顶尖杂志《nature》。

生长周期慢:等待培养微生物不易

产生甲烷(天然气主要成分)的过程是通过微生物来实现的。而产甲烷的这种微生物是一种非常独特的微生物,早在35亿年前就存在于地球上了,也可能是地外生命的一种生命形式。这种古菌在全球碳循环过程也发挥着不可替代的作用。

整个地球被地表覆盖的绝大部分都是厌氧的环境。氧微生物除了在数量上非常庞大以外,它在地球循环的功能上也是不可取代的。

地球上的整个碳元素循环由生产者、利用者和分解者三大循环构成,厌氧微生物就是我们传统上理解的那一类分解者,他把我们来自于光合作用的碳水化合物,最终降解成二氧化碳和甲烷,然后又返回到大气中,形成整个碳元素的有效循环。

在有机质降解的食物链中的最后一个环节,是由一类对独特的产甲烷古菌参与的,这种古菌是目前已经报道的产生甲烷的主要贡献者。

在研究过程中,有些微生物生长周期很慢,慢到长达几年甚至十年。科学家们经历过漫长的等待,枯燥反复的实验,最终才证实这种产甲烷古菌的作用。

沼气研究所从05年开始厌氧烃降解研究,这十多年来,每天每次无氧实验的都必须做重复、单调的动作。

枯燥又重复:无氧实验准备2小时

沼气研究所研究员承磊介绍,在这项进展报道出来之前,国外科学家做的正常的一个培养周期都1年2年的时间,这样的一个长周期的研究工作,非常枯燥的。“我们在19年的时候,突然发现我们的一个富集物,它的生长周期大概就是两到三个月,比我们以往的培养的周期都要快很多,这是第一个就是现象,让我们就非常关注。”

这么快的现象发现以后,研究员们就想知道这里面可能是什么微生物。非常幸运的是,这个时候国外科学家提出了自然界中可能存在这种,直接降解烷烃产生甲烷的新古菌。“我们就再重新分析这个培养物的时候,发现的确是有这样的可能的微生物存在。”

走进其中一间实验室,三排超过3米长的工作台依次排开。工作台有三层架子,上面摆满了各种仪器,有玻璃瓶、试管、注射器等等,每一个玻璃瓶上都写有中文或者英文标签。90后研究员周卓是该研究的第一作者,和其他同事一样,实验室几乎是他们睡觉之外唯一去的地方。

每天早上8点,周卓走进实验室开始制作产甲烷古菌的培养基,就要无氧处理(厌氧微生物实验需在环境下进行)。周卓穿好白大褂戴上口罩,开始对器皿进行无氧充气,每个器材都会重复这个过程。清理完所有的器材,大概要花费2个小时,这仅仅是做实验的准备部分。

他戴着橡胶手套,将针管的工作台依次排开,插入煮沸的玻璃烧瓶。“这通入的是氮气。”他告诉记者,产甲烷古菌是厌氧菌,所以制作过程中一定要无氧环境。瓶中提前滴入了试剂所以呈现淡红色,随着瓶中的氧气被替换成氮气,瓶中液体会逐渐变成无色。“这代表着没有氧气,无氧实验才能进行”,整个实验过程为了不让氧气进入,也要非常小心谨慎。

喜悦与压力:研究无止境 或有更多挑战

通过数十年的前期工作,沼气研究所研究团队获得了一个降解长链烷基烃产甲烷的富集培养物。它可以直接降解碳13到碳34的长链烷烃,以及侧链烷烃大于13的环己烷和环己苯。进一步,通过稳定碳同位素标记试验,证实加入的标记正构烷烃,几乎完全转化为甲烷和二氧化碳了。

再通过宏组学分析,发现一种新型的古菌,具有完整的烃降解与甲烷产生的代谢途径,并且这个途径在甲烷产生过程中,是高丰度表达的。进而采用高分辨质谱,也检出了烷烃降解产甲烷过程中的关键中间代谢产物,从而进一步证实了这种新型古菌的碳代谢途径。

最终,这篇关于吃原油产甲烷的微生物的文章被《nature》正式接收并发布。

在整个研究过程持续了十六年的时间,承磊表示,如果没有研究所给与的宽松自由的学术氛围,很难开展实施的长周期研究计划。“我们团队与国内外知名机构开展优势互补的合作研究,这些是我们能取得这些小小成绩的重要保障。”

研究员白丽萍也很感慨,“每一次惊喜的发现,有喜悦,也有如释重负的感觉。”研究成果受到肯定,固然有欣喜,但也有压力。科学家们的研究生涯中似乎没有止境,接踵而至的是一项又一项等着被解答的谜题,更多的未知有待发掘……

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