异戊二烯（又称2-甲基-1,3-丁二烯， Isoprene）是地球上最丰富的生物源挥发性有机化合物（Biogenic volatile organic compounds），排放量占植物碳氢化合物总排放量的一半，且其每年温室气体排放量贡献与甲烷的碳当量相似。但是，对异戊二烯在环境中的降解转化仍缺乏全面认识，这影响了全球碳循环通量模型评估及对异戊二烯相关碳源的环境归趋认知。
污染环境微生物生态研究团队多年来从事厌氧微生物参与的地球化学元素生物循环（例如，碳、氮、硫、铁、卤素等）机制探索。近期，基于国家需求及院、所“双碳”研究部署，开展了“减污降碳协同效益”机制研究。团队成员以沈阳市细河底泥为初始接种源，建立了异戊二烯厌氧转化微宇宙培养体系。研究发现，细河底泥中的微生物能将异戊二烯完全转化为2-甲基-1-丁烯（97%）和3-甲基-1-丁烯（3%）（图1）。微生物群落结构分析表明同型产乙酸菌Acetobacterium可能是富集培养体系中介导异戊二烯厌氧转化的功能菌株。通过厌氧微生物培养与分离技术，成功获得了一株新型Acetobacterium菌株，并将其命名为Acetobacterium wieringae strain Y（图2）。对乙酸产量及细胞产率的进一步分析表明菌株Y利用Wood-Ljungdahl Pathway（WLP）还原CO2并生成乙酸，同时通过共代谢的加氢机制转化异戊二烯（图3）。研究还发现异戊二烯的还原加氢过程会促进CO2还原产乙酸过程（acetogenesis）和相关WLP途径蛋白表达。此外，通过比较蛋白质组和比较基因组数据分析，挖掘出可能参与转化异戊二烯的烯烃还原酶（ene-reductase）。该酶可作为生物催化剂，有较强工业应用前途，如用于高效生物燃料、医药品及农用化学品等的生产。本研究揭示了产乙酸菌Acetobacterium wieringae参与的异戊二烯厌氧微生物转化机制，表明在厌氧环境下特殊功能的产乙酸菌深度参与到异戊二烯和CO2等化合物的碳循环过程（图4），同时生物源异戊二烯对不同微生物的生理生态影响（如产乙酸菌的生长促进，甲烷菌的生长抑制）表明其尚未完全揭示的微生物生态效应。
该研究成果以“Anaerobic biohydrogenation of isoprene by Acetobacterium wieringae strain Y”为题，2022年11月8日正式发表于微生物领域TOP期刊mBio。中国科学院沈阳生态研究所博士研究生金慧娟为第一作者，杨毅研究员为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点研究计划项目及中国科学院沈阳生态所“双碳”重大项目等基金支持。
图1 异戊二烯在底泥和富集培养物中的厌氧转化
图2 介导异戊二烯厌氧还原的菌株Y的16S rRNA基因系统发育分析和电镜图
图3 异戊二烯的厌氧还原加氢与乙酸产量和细胞产率的分析
图4 产乙酸菌参与的异戊二烯、二氧化碳等碳循环过程
