研究簡(jiǎn)介:反硝化作用是將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的氮含量調(diào)節(jié)和生物圈的氮平衡有重要意義。反硝化不完全會(huì)導(dǎo)致溫室氣體N2O的產(chǎn)生，對(duì)氣候變暖有貢獻(xiàn)。在許多河口、沿海地區(qū)和海洋缺氧區(qū)域，硫循環(huán)對(duì)生物地球化學(xué)過(guò)程的調(diào)控起著關(guān)鍵作用，主要是因?yàn)榱蛩猁}作為最終電子受體的主導(dǎo)地位和硫化氫（H2S）從底質(zhì)沉積物中的釋放。硫化氫是一種有毒的螯合劑，能夠強(qiáng)烈抑制依賴(lài)銅的金屬酶，如亞硝酸鹽還原酶（NirK）和N2O還原酶（NosZ），從而影響反硝化活性，可能導(dǎo)致N2O排放增加。異養(yǎng)反硝化細(xì)菌在全球碳和氮循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而它們無(wú)法氧化硫化物，這使它們易受這種有毒分子的影響，硫化物會(huì)抑制關(guān)鍵的酶促反應(yīng)，從而阻礙一氧化二氮（N?O）的還原，導(dǎo)致溫室氣體排放增加。

本論文研究通過(guò)微觀培養(yǎng)、同位素校正的DNA穩(wěn)定同位素探針（DNA-SIP）和宏基因組學(xué)技術(shù)，對(duì)河口沉積物中一類(lèi)異養(yǎng)反硝化細(xì)菌進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)它們通過(guò)化能異養(yǎng)代謝將硫氧化與反硝化耦合，從而得以生存。從富集培養(yǎng)物中進(jìn)行的生態(tài)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，這些異養(yǎng)菌能夠加速反硝化過(guò)程，并使用硫作為替代電子供體，在有機(jī)質(zhì)豐富和貧乏的環(huán)境中顯著減少N?O排放。它們靈活的、非硫依賴(lài)的生理特性，可能使其在解毒硫化物、適應(yīng)有機(jī)質(zhì)波動(dòng)以及減緩溫室氣體排放方面相較于傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化細(xì)菌更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本研究揭示了這類(lèi)異養(yǎng)反硝化細(xì)菌在微生物群落中的生態(tài)角色，并對(duì)硫循環(huán)和氣候變化的調(diào)控提供了新的認(rèn)識(shí)。

Unisense微電極分析系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極被用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溶解態(tài)N?O和H?S的濃度變化。使用了兩種類(lèi)型的Unisense微電極：N?O-100和SULF-100。uunisense微電極通過(guò)自動(dòng)采樣針連接到實(shí)驗(yàn)裝置，能夠連續(xù)記錄液體相中的N?O和H?S濃度變化。這些數(shù)據(jù)被用于評(píng)估微生物群落的代謝活動(dòng)和對(duì)不同處理的響應(yīng)。通過(guò)分析微電極（N2O,H2S）記錄的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)F-SOHDs能夠在硫化氫存在的情況下進(jìn)行反硝化，減少N?O的排放，硫化氫的氧化不僅能夠解毒硫化氫，還能為反硝化提供額外的電子供體，從而促進(jìn)完整的反硝化過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

硫化氫和有機(jī)物的添加都能促進(jìn)河口沉積物中硝酸鹽的還原。DNA-SIP實(shí)驗(yàn)表明異養(yǎng)生物（如Azoarcus和Pseudomonas）能夠利用硫化氫作為電子供體進(jìn)行反硝化。通過(guò)宏基因組測(cè)序，重建了63個(gè)高質(zhì)量的微生物基因組，發(fā)現(xiàn)其中15個(gè)基因組代表了能夠進(jìn)行硫氧化和反硝化的異養(yǎng)生物。異養(yǎng)生物能夠在硫化氫存在的情況下進(jìn)行反硝化，減少了N2O的排放，這可能使它們?cè)谧匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。F-SOHDs的存在和活動(dòng)可能對(duì)硫循環(huán)和氣候變化有重要影響，因?yàn)樗鼈兡軌驕p少溫室氣體N2O的排放。

圖1、作為兼性硫化物氧化異養(yǎng)反硝化細(xì)菌（F-SOHDs）的基因組的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)、相對(duì)豐度和基因內(nèi)容。a 63個(gè)代表性MAGs的系統(tǒng)發(fā)育位置。這些基因組來(lái)自Planctomycetota門(mén)，并選擇作為外群。五個(gè)從公共數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得的與F-SOHDs密切相關(guān)且具有相似推斷功能的完整基因組作為參考基因組。b組裝的MAGs在天然沉積物、短期同位素標(biāo)記沉積物、DNA-SIP實(shí)驗(yàn)的重DNA分餾和富集培養(yǎng)物中的相對(duì)豐度。ENRC代表ENR_C4富集體的基因組。c碳、氮和硫代謝相關(guān)基因的有無(wú)情況。實(shí)心/空心圓圈表示目標(biāo)路徑的存在/缺失。碳固定列中的灰色圓圈表示DNA-SIP實(shí)驗(yàn)和豐度變化確認(rèn)該基因組盡管存在rbcL基因，卻無(wú)法固定碳。

圖2、基于同位素和基因組信息的F-SOHDs的富集和生理反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。a）長(zhǎng)期富集F-SOHDs的定制策略。河口沉積物（稱(chēng)為START）作為接種物。考慮到F-SOHDs可以將反硝化與有機(jī)物氧化結(jié)合，是否使用硫化物作為附加電子供體，因此培養(yǎng)基在有硫化物和無(wú)硫化物的條件下交替進(jìn)行，經(jīng)過(guò)67個(gè)循環(huán)，歷時(shí)460天。152天的分配培養(yǎng)槽操作用于預(yù)富集沉積物，得到較高的生物量。CMD表示提供無(wú)機(jī)碳、硝酸鹽和硫化物的孵育條件。在每個(gè)稀釋轉(zhuǎn)移周期中，從HED孵育中獲得的富集物被引入CMD孵育中，以測(cè)試化學(xué)自養(yǎng)潛力。對(duì)CMD條件做出積極反應(yīng)的富集物被丟棄，而對(duì)其做出不利反應(yīng)的則接種到下一個(gè)循環(huán)中。ENR代表最終的富集體（ENR_C4和ENR_U2），由F-SOHDs主導(dǎo)。b，c）在不同底物提供下，ENR_C4富集體的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在Co+N和Co+N+S處理下，有機(jī)物作為唯一的碳源，而Ci+N+S處理則依賴(lài)無(wú)機(jī)碳提供。在63小時(shí)后，提供溶解的硫化物和新鮮的硝酸鹽。d，e）在不同孵育條件下ENR_C4和ENR_U2細(xì)胞數(shù)量的凈增加速率（雙尾未配對(duì)Student t檢驗(yàn)，95%置信區(qū)間）。

圖3、F-SOHDs對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)和笑氣（N2O）排放的影響。a）在OM豐富和OM有限條件下，不同實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)物中的硫化物去除。HD是含有常規(guī)異養(yǎng)反硝化細(xì)菌的沉積物富集培養(yǎng)物，這些細(xì)菌不參與硫氧化。CD是硫氧化反硝化細(xì)菌Thiobacillus denitrificans ATCC 25259的純培養(yǎng)物。ENR_U2和ENR_C4是兩種F-SOHDs主導(dǎo)的富集物，分別具有不完全和完全的硫氧化能力。通過(guò)將HD培養(yǎng)物與CD T.denitrificans以3:1（CE_H，高比例）、1:1（CE_E，等比例）和1:3（CE_L，低比例）混合的方式建立了三種不同的微生物群落。在OM有限條件下，ENR_U2和ENR_C4實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，最終硫化物濃度始終低于檢測(cè)限。b）在OM豐富培養(yǎng)物中，來(lái)自硫化物（綠色框）和OM（虛線(xiàn)）的電子對(duì)反硝化過(guò)程的貢獻(xiàn)。在假設(shè)硝酸鹽被完全還原為氮?dú)獾那闆r下進(jìn)行計(jì)算。c）在OM有限培養(yǎng)物中，來(lái)自硫化物（綠色框）和OM（虛線(xiàn)）的電子對(duì)反硝化過(guò)程的貢獻(xiàn)。淺藍(lán)色框表示反硝化的完成程度（即將硝酸鹽還原為氮?dú)馑璧碾娮拥陌俜直龋??；疑虮硎驹谌狈M的情況下，反硝化的完成程度。d）在OM豐富和OM有限條件下，各實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)物的OM代謝情況。在假設(shè)每個(gè)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)物中的電子供體足以支持完全反硝化的情況下，比較OM的消耗。e，f）在OM豐富條件下，常規(guī)異養(yǎng)反硝化細(xì)菌富集物在有無(wú)硫化物的情況下的N2O和N2排放。通過(guò)將氮原子歸一化為初始硝酸鹽濃度，顯示出百分比。g在OM豐富和OM有限條件下，各實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)物的N2O排放。

結(jié)論與展望

本文主要研究?jī)?nèi)容是關(guān)于多功能硝酸鹽呼吸異養(yǎng)生物（F-SOHDs）在硫循環(huán)中的作用及其對(duì)環(huán)境的影響。論文研究的主要目的是揭示河口沉積物中異養(yǎng)反硝化生物在硫循環(huán)中的作用，特別是它們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)耦合硫氧化和反硝化來(lái)減少溫室氣體N2O的排放這些生物能夠通過(guò)化學(xué)自養(yǎng)異養(yǎng)代謝將硫的氧化與反硝化作用耦合起來(lái)，從而在硫循環(huán)和氮循環(huán)中發(fā)揮重要作用，并對(duì)全球碳循環(huán)和氣候變化產(chǎn)生影響。通過(guò)微宇宙培養(yǎng)、DNA穩(wěn)定同位素探針（DNA-SIP）和宏基因組學(xué)等方法，揭示了這些異養(yǎng)生物在河口沉積物中的生態(tài)生理特性及其對(duì)環(huán)境的影響。unisense微電極可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)N2O和H2S的濃度變化，為評(píng)估微生物群落的代謝活動(dòng)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅支持了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，還幫助研究人員揭示了F-SOHDs在硫循環(huán)和氮循環(huán)中的獨(dú)特生態(tài)功能，為理解微生物群落的代謝多樣性和環(huán)境適應(yīng)性提供了重要依據(jù)。文章不僅揭示了河口生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)之前未被充分認(rèn)識(shí)的微生物群落的功能，還為理解全球碳、氮、硫循環(huán)提供了新的視角，并為減少溫室氣體排放提供了潛在的生物技術(shù)解決方案。