研究簡介:反硝化作用是將硝酸鹽轉化為氮氣的過程，對生態系統中的氮含量調節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的產生，對氣候變暖有貢獻。在許多河口、沿海地區和海洋缺氧區域，硫循環對生物地球化學過程的調控起著關鍵作用，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。異養反硝化細菌在全球碳和氮循環中發揮著關鍵作用。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、同位素校正的DNA穩定同位素探針（DNA-SIP）和宏基因組學技術，對河口沉積物中一類異養反硝化細菌進行表征，發現它們通過化能異養代謝將硫氧化與反硝化耦合，從而得以生存。從富集培養物中進行的生態生理學實驗表明，這些異養菌能夠加速反硝化過程，并使用硫作為替代電子供體，在有機質豐富和貧乏的環境中顯著減少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、適應有機質波動以及減緩溫室氣體排放方面相較于傳統異養反硝化細菌更具競爭優勢。本研究揭示了這類異養反硝化細菌在微生物群落中的生態角色，并對硫循環和氣候變化的調控提供了新的認識。

Unisense微電極分析系統的應用

Unisense微電極被用于監測實驗過程中溶解態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，能夠連續記錄液體相中的N?O和H?S濃度變化。這些數據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）記錄的數據，發現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個高質量的微生物基因組，發現其中15個基因組代表了能夠進行硫氧化和反硝化的異養生物。異養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系統中具有競爭優勢。F-SOHDs的存在和活動可能對硫循環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反硝化細菌（F-SOHDs）的基因組的系統發育樹、相對豐度和基因內容。a 63個代表性MAGs的系統發育位置。這些基因組來自Planctomycetota門，并選擇作為外群。五個從公共數據庫中獲得的與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合，是否使用硫化物作為附加電子供體，因此培養基在有硫化物和無硫化物的條件下交替進行，經過67個循環，歷時460天。152天的分配培養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細胞數量的凈增加速率（雙尾未配對Student t檢驗，95%置信區間）。

圖3、F-SOHDs對生物地球化學循環和笑氣（N2O）排放的影響。a）在OM豐富和OM有限條件下，不同實驗培養物中的硫化物去除。HD是含有常規異養反硝化細菌的沉積物富集培養物，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）。灰色框表示在缺乏OM的情況下，反硝化的完成程度。d）在OM豐富和OM有限條件下，各實驗培養物的OM代謝情況。在假設每個實驗培養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，常規異養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，各實驗培養物的N2O排放。

結論與展望

本文主要研究內容是關于多功能硝酸鹽呼吸異養生物（F-SOHDs）在硫循環中的作用及其對環境的影響。論文研究的主要目的是揭示河口沉積物中異養反硝化生物在硫循環中的作用，特別是它們如何通過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異養代謝將硫的氧化與反硝化作用耦合起來，從而在硫循環和氮循環中發揮重要作用，并對全球碳循環和氣候變化產生影響。通過微宇宙培養、DNA穩定同位素探針（DNA-SIP）和宏基因組學等方法，揭示了這些異養生物在河口沉積物中的生態生理特性及其對環境的影響。unisense微電極可實時監測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據。這些數據不僅支持了實驗設計和數據分析，還幫助研究人員揭示了F-SOHDs在硫循環和氮循環中的獨特生態功能，為理解微生物群落的代謝多樣性和環境適應性提供了重要依據。文章不僅揭示了河口生態系統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。