Methanogenesis in the Digestive Tracts of the Tropical Millipedes Archispirostreptus gigas(Diplopoda, Spirostreptidae)and Epibolus pulchripes(Diplopoda, Pachybolidae)  

熱帶千足蟲Archispirostreptus gigas和Epibolus pulchripes消化道中的產(chǎn)甲烷作用  

來(lái)源：Applied and Environmental Microbiology vol.87, article e00614-21 (2021)  

《應(yīng)用與環(huán)境微生物學(xué)》第87卷 文章編號(hào)e00614-21（2021年）  

 

摘要內(nèi)容：  

研究?jī)煞N熱帶千足蟲（Archispirostreptus gigas和Epibolus pulchripes）中后腸產(chǎn)甲烷作用的物理化學(xué)驅(qū)動(dòng)因素及產(chǎn)甲烷菌群落特征。通過(guò)微電極測(cè)量發(fā)現(xiàn)中腸和后腸均為嚴(yán)格厭氧環(huán)境，后腸pH顯著高于中腸。乙酸和甲酸鹽積累表明存在細(xì)菌發(fā)酵活動(dòng)。16S rRNA分析顯示產(chǎn)甲烷菌以Methanobrevibacter spp.（甲烷桿菌目）為主，含少量未分類的"甲烷甲基嗜菌科"（甲烷八疊球菌目），表明產(chǎn)甲烷作用主要為氫營(yíng)養(yǎng)型。后腸較高pH以及與纖毛蟲的共生關(guān)系是產(chǎn)甲烷活性更高的關(guān)鍵因素。  

 

研究目的：  

探究千足蟲消化道不同區(qū)段（中腸vs后腸）的物理化學(xué)參數(shù)如何影響產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)和活性，解析限制其產(chǎn)甲烷潛力的關(guān)鍵因素。  

 

研究思路：  

1. 比較兩種千足蟲整體及離體腸道區(qū)段的甲烷排放速率  

2. 使用微電極測(cè)量腸道軸向/徑向的氧氣、氧化還原電位、pH和氫氣濃度梯度  

3. 分析腸道內(nèi)容物和血淋巴中的短鏈脂肪酸代謝產(chǎn)物  

4. 定量后腸纖毛蟲和線蟲密度  

5. 通過(guò)16S rRNA基因測(cè)序分析中腸、后腸和糞便的產(chǎn)甲烷菌群落組成  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 甲烷排放率（圖1）：  

 

   ? E. pulchripes排放率（17.4 nmol g?1 h?1）是A. gigas（6.5 nmol g?1 h?1）的2倍  

 

   ? 后腸甲烷產(chǎn)量顯著高于中腸（P<0.001）  

 

   ? 意義：量化物種間差異，確認(rèn)后腸是產(chǎn)甲烷主要場(chǎng)所  

 

2. 腸道物化參數(shù)（圖2,3; 表1）：  

 

 

 

   ? 微電極顯示腸道中心氧濃度為零，氧化還原電位為-114至-243 mV  

 

   ? 中腸酸性（pH 4.4-6.1），后腸弱堿性（pH 7.3-7.9）  

 

   ? E. pulchripes后腸前段氫氣濃度最高  

 

     

     

   ? 意義：揭示厭氧/還原環(huán)境是產(chǎn)甲烷的必要條件，后腸堿性pH和氫氣積累促進(jìn)產(chǎn)甲烷  

 

3. 短鏈脂肪酸（圖4）：  

 

   ? 后腸以乙酸為主（A. gigas后腸含丙酸鹽）  

 

   ? E. pulchripes中腸積累甲酸鹽和乙酸  

 

     

   ? 意義：反映細(xì)菌發(fā)酵活動(dòng)為產(chǎn)甲烷提供底物（H?、甲酸鹽）  

 

4. 共生生物密度：  

   ? 后腸富含纖毛蟲（Nyctotherus屬，密度1,041–1,778 ml?1）和線蟲  

 

   ? 意義：纖毛蟲通過(guò)氫化酶產(chǎn)生H?，是產(chǎn)甲烷菌的關(guān)鍵共生伙伴  

 

5. 產(chǎn)甲烷菌群落（圖5,6）：  

 

 

   ? 優(yōu)勢(shì)菌為甲烷短桿菌屬（Methanobrevibacter），屬M(fèi). arboriphilus進(jìn)化枝  

 

   ? 含少量甲烷八疊球菌目的"甲烷甲基嗜菌科"  

     

     

   ? 意義：群落以氫營(yíng)養(yǎng)型為主，與纖毛蟲共生關(guān)系驅(qū)動(dòng)甲烷生成  

 

結(jié)論：  

1. 后腸是產(chǎn)甲烷主要場(chǎng)所，其嚴(yán)格厭氧、負(fù)氧化還原電位（-114至-243 mV）和弱堿性環(huán)境（pH 7.3–7.9）是產(chǎn)甲烷菌定植的關(guān)鍵  

2. 細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的H?/甲酸鹽及纖毛蟲共生系統(tǒng)提供產(chǎn)甲烷底物  

3. 優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌為氫營(yíng)養(yǎng)型Methanobrevibacter spp.，與甲殼綱動(dòng)物腸道群落相似  

4. 后腸較高pH和纖毛蟲分布是物種間甲烷排放差異的主因  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的核心研究意義：  

1. 空間分辨率：首次在千足蟲腸道實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精度的O?/pH/Eh/H?梯度測(cè)量，揭示中腸和后腸中心均為嚴(yán)格厭氧（O?=0），且還原性持續(xù)增強(qiáng)（Eh最低達(dá)-243 mV），從機(jī)制上解釋為何產(chǎn)甲烷僅限后腸  

2. 動(dòng)態(tài)過(guò)程解析：H?濃度在后腸前段峰值表明底物供給與消耗的空間解耦，暗示產(chǎn)甲烷菌活性受底物傳輸速率限制  

3. 環(huán)境閾值界定：明確產(chǎn)甲烷的臨界Eh（<-100 mV）和pH（>7）參數(shù)，為理解其他無(wú)脊椎動(dòng)物產(chǎn)甲烷潛力提供量化標(biāo)準(zhǔn)  

4. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：通過(guò)徑向氧梯度（FIG 2）證實(shí)<500 μm的腸道外周微氧層消耗氧氣，保障內(nèi)部厭氧環(huán)境，凸顯Unisense微電極在解析毫米尺度生物化學(xué)梯度的不可替代性