研究簡介:反硝化作用是將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣的過程，對生態(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。反硝化不完全會導致溫室氣體N2O的產(chǎn)生，對氣候變暖有貢獻。在許多河口、沿海地區(qū)和海洋缺氧區(qū)域，硫循環(huán)對生物地球化學過程的調(diào)控起著關鍵作用，主要是因為硫酸鹽作為最終電子受體的主導地位和硫化氫（H2S）從底質(zhì)沉積物中的釋放。硫化氫是一種有毒的螯合劑，能夠強烈抑制依賴銅的金屬酶，如亞硝酸鹽還原酶（NirK）和N2O還原酶（NosZ），從而影響反硝化活性，可能導致N2O排放增加。異養(yǎng)反硝化細菌在全球碳和氮循環(huán)中發(fā)揮著關鍵作用。然而它們無法氧化硫化物，這使它們易受這種有毒分子的影響，硫化物會抑制關鍵的酶促反應，從而阻礙一氧化二氮（N?O）的還原，導致溫室氣體排放增加。

本論文研究通過微觀培養(yǎng)、同位素校正的DNA穩(wěn)定同位素探針（DNA-SIP）和宏基因組學技術，對河口沉積物中一類異養(yǎng)反硝化細菌進行表征，發(fā)現(xiàn)它們通過化能異養(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)物中進行的生態(tài)生理學實驗表明，這些異養(yǎng)菌能夠加速反硝化過程，并使用硫作為替代電子供體，在有機質(zhì)豐富和貧乏的環(huán)境中顯著減少N?O排放。它們靈活的、非硫依賴的生理特性，可能使其在解毒硫化物、適應有機質(zhì)波動以及減緩溫室氣體排放方面相較于傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化細菌更具競爭優(yōu)勢。本研究揭示了這類異養(yǎng)反硝化細菌在微生物群落中的生態(tài)角色，并對硫循環(huán)和氣候變化的調(diào)控提供了新的認識。

Unisense微電極分析系統(tǒng)的應用

Unisense微電極被用于監(jiān)測實驗過程中溶解態(tài)N?O和H?S的濃度變化。使用了兩種類型的Unisense微電極：N?O-100和SULF-100。uunisense微電極通過自動采樣針連接到實驗裝置，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)被用于評估微生物群落的代謝活動和對不同處理的響應。通過分析微電極（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，從而促進完整的反硝化過程。

實驗結(jié)果

硫化氫和有機物的添加都能促進河口沉積物中硝酸鹽的還原。DNA-SIP實驗表明異養(yǎng)生物（如Azoarcus和Pseudomonas）能夠利用硫化氫作為電子供體進行反硝化。通過宏基因組測序，重建了63個高質(zhì)量的微生物基因組，發(fā)現(xiàn)其中15個基因組代表了能夠進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行反硝化，減少了N2O的排放，這可能使它們在自然生態(tài)系統(tǒng)中具有競爭優(yōu)勢。F-SOHDs的存在和活動可能對硫循環(huán)和氣候變化有重要影響，因為它們能夠減少溫室氣體N2O的排放。

圖1、作為兼性硫化物氧化異養(yǎng)反硝化細菌（F-SOHDs）的基因組的系統(tǒng)發(fā)育樹、相對豐度和基因內(nèi)容。a 63個代表性MAGs的系統(tǒng)發(fā)育位置。這些基因組來自Planctomycetota門，并選擇作為外群。五個從公共數(shù)據(jù)庫中獲得的與F-SOHDs密切相關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、短期同位素標記沉積物、DNA-SIP實驗的重DNA分餾和富集培養(yǎng)物中的相對豐度。ENRC代表ENR_C4富集體的基因組。c碳、氮和硫代謝相關基因的有無情況。實心/空心圓圈表示目標路徑的存在/缺失。碳固定列中的灰色圓圈表示DNA-SIP實驗和豐度變化確認該基因組盡管存在rbcL基因，卻無法固定碳。

圖2、基于同位素和基因組信息的F-SOHDs的富集和生理反應動力學。a）長期富集F-SOHDs的定制策略。河口沉積物（稱為START）作為接種物。考慮到F-SOHDs可以將反硝化與有機物氧化結(jié)合，是否使用硫化物作為附加電子供體，因此培養(yǎng)基在有硫化物和無硫化物的條件下交替進行，經(jīng)過67個循環(huán)，歷時460天。152天的分配培養(yǎng)槽操作用于預富集沉積物，得到較高的生物量。CMD表示提供無機碳、硝酸鹽和硫化物的孵育條件。在每個稀釋轉(zhuǎn)移周期中，從HED孵育中獲得的富集物被引入CMD孵育中，以測試化學自養(yǎng)潛力。對CMD條件做出積極反應的富集物被丟棄，而對其做出不利反應的則接種到下一個循環(huán)中。ENR代表最終的富集體（ENR_C4和ENR_U2），由F-SOHDs主導。b，c）在不同底物提供下，ENR_C4富集體的反應動力學。在Co+N和Co+N+S處理下，有機物作為唯一的碳源，而Ci+N+S處理則依賴無機碳提供。在63小時后，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細胞數(shù)量的凈增加速率（雙尾未配對Student t檢驗，95%置信區(qū)間）。

圖3、F-SOHDs對生物地球化學循環(huán)和笑氣（N2O）排放的影響。a）在OM豐富和OM有限條件下，不同實驗培養(yǎng)物中的硫化物去除。HD是含有常規(guī)異養(yǎng)反硝化細菌的沉積物富集培養(yǎng)物，這些細菌不參與硫氧化。CD是硫氧化反硝化細菌Thiobacillus denitrificans ATCC 25259的純培養(yǎng)物。ENR_U2和ENR_C4是兩種F-SOHDs主導的富集物，分別具有不完全和完全的硫氧化能力。通過將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實驗重復三次，最終硫化物濃度始終低于檢測限。b）在OM豐富培養(yǎng)物中，來自硫化物（綠色框）和OM（虛線）的電子對反硝化過程的貢獻。在假設硝酸鹽被完全還原為氮氣的情況下進行計算。c）在OM有限培養(yǎng)物中，來自硫化物（綠色框）和OM（虛線）的電子對反硝化過程的貢獻。淺藍色框表示反硝化的完成程度（即將硝酸鹽還原為氮氣所需的電子的百分比）?；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，各實驗培養(yǎng)物的OM代謝情況。在假設每個實驗培養(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)反硝化細菌富集物在有無硫化物的情況下的N2O和N2排放。通過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，各實驗培養(yǎng)物的N2O排放。

結(jié)論與展望

本文主要研究內(nèi)容是關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^耦合硫氧化和反硝化來減少溫室氣體N2O的排放這些生物能夠通過化學自養(yǎng)異養(yǎng)代謝將硫的氧化與反硝化作用耦合起來，從而在硫循環(huán)和氮循環(huán)中發(fā)揮重要作用，并對全球碳循環(huán)和氣候變化產(chǎn)生影響。通過微宇宙培養(yǎng)、DNA穩(wěn)定同位素探針（DNA-SIP）和宏基因組學等方法，揭示了這些異養(yǎng)生物在河口沉積物中的生態(tài)生理特性及其對環(huán)境的影響。unisense微電極可實時監(jiān)測N2O和H2S的濃度變化，為評估微生物群落的代謝活動提供了關鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅支持了實驗設計和數(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)中一個之前未被充分認識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解決方案。