通过嗜甲烷细菌将甲烷和空气中氮气转化为氨，用于生产有益肠道的营养物质的生物增值

把废气变成有用的营养

甲烷常被视为从矿井、填埋场和农场泄漏出来的麻烦温室气体，而空气中的氮通常通过耗能的大型工厂转化为化肥。本研究表明，这两种气体都可以被捕集并供给给专门的细菌，后者产生一种富含蛋白质的营养粉末。更有趣的是，给动物食用这种粉末可以帮助保护肠道并减轻小鼠肠道炎症的症状。该工作将有利于气候的气体回收与动物健康联系起来，提出了一个将废弃气体转化为智能饲料成分的未来愿景。

将游离甲烷变为有用饲料

在中国及许多其他国家，大量甲烷从化石燃料开采和废弃物处理场所逸出。由于这些气体分散且铺管成本高，通常被简单燃烧掉，从而浪费了其碳资源。与此同时，动物生产者在饲料蛋白方面高度依赖进口大豆和鱼粉。作者认为，嗜甲烷细菌——天然以甲烷为食的微生物——提供了一种同时解决两方面问题的途径。在反应罐中培养时，这些微生物可以将甲烷转化为“单细胞蛋白”，一种干燥生物质，可掺入动物饲料，或能缓解对耕地和渔业的压力，同时利用当地的气源。

用空气-derived氨喂养细菌

为了良好生长，这些嗜甲烷细菌也需要氮，氮是蛋白质的主要构件之一。研究团队并未采用更昂贵的硝酸盐，而是关注于通过一种新兴的清洁工艺（利用光和电）将氮气转化为氨。来自常规空气分离的氧气可以同时满足细菌的呼吸需要。将这些化学步骤与发酵连接起来可以创建一个紧凑的本地化系统：空气被分离为氮气和氧气，氮气被转化为氨，然后与甲烷一同供给细菌，在靠近需要饲料的农场处产生蛋白质。

让氨对微生物更安全

一个关键障碍是，虽然氨是大多数微生物喜爱的氮源，但对嗜甲烷细菌而言部分会被不当处理。它们的甲烷氧化酶也能作用于氨，产生羟胺这一有毒中间体，抑制生长。通过全基因组转录分析，研究人员绘制了甲基图微球菌（Methylotuvimicrobium sanxanigenens）在以氨替代硝酸盐培养时的应答图谱。他们发现与处理羟胺相关的基因强烈被激活，并证实在以氨培养过程中，羟胺及其下游产物亚硝酸盐会积累。有了这些洞见，他们对细胞进行工程改造，使其过表达一种被称为羟胺还原酶的酶，能在细胞内直接将有毒中间体还原回无害的氨，从而降低其积累并减轻细胞应激。

提升富营养细胞蛋白的产量

仅靠基因改造不足以达到最佳效果；氨的用量和供应时机也很关键。作者开发了一种补料式发酵策略，在该策略中逐步加入氨并将其保持在毒性阈值以下。在一台3升发酵罐中，这一工程菌株达到了更高的细胞密度，与早期以氨为基础的培养相比，蛋白产率提高了18倍。精确测量显示，所得的“嗜甲烷细胞蛋白”含有高水平的必需氨基酸和大量多糖，营养谱与鱼粉、鸡蛋和牛奶相当。一部分具有潜在抗炎活性的小肽也被检测到，生物质通过了内毒素等安全检测，支持其作为饲料成分的使用。

保护肠道并缓解炎症

为了测试这种微生物蛋白是否不仅提供基本营养还能带来额外益处，研究团队将其喂给化学诱导结肠炎小鼠（这是一个常用的炎症性肠病模型）。接受该蛋白的老鼠体重减轻较少，疾病评分更低，解剖检查显示结肠更长且更健康。组织切片显示溃疡和结构损伤更少，而肠上皮中一种关键的屏障形成蛋白Occludin也恢复了。结肠中的炎性信号下降，抗炎信号上升。与此同时，肠道菌群从有害种群向产生短链脂肪酸等有益化合物的群落转变。一些与炎症减轻和能量代谢改善相关的代谢物变得更丰富，甚至在健康小鼠中给予该蛋白也能增强肠道屏障并改善微生物组组成。

面向更环保未来的气体到肠道管线

本质上，这项工作在气候与健康之间架起了一座桥梁：甲烷和来自空气的氮被转化为一种功能性饲料成分，既为动物提供营养，又有助于维持有弹性的肠道。通过解决曾限制氨使用的毒性问题，作者展示了嗜甲烷细菌可以在空气来源的氨上高效且经济地生长。如果推广应用，这一方法可减少废弃甲烷排放，降低对传统蛋白饲料的依赖，并通过从内部支持肠道健康来减少动物生产中对抗生素及其他药物的需求。

引用: Gao, Z., Liu, Y., Jiao, S. et al. Biological valorization of methane and nitrogen gas-derived ammonia via methanotrophic bacteria for gut-beneficial nutrients. Nat Commun 17, 3803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70448-6

关键词: 嗜甲烷细菌, 单细胞蛋白, 甲烷升级利用, 肠道微生物组, 功能性饲料添加剂