异养细菌Sox系统氧化H2S机制的研究

H2S (hydrogen sulfide) is an important environmental pollutant, and biological oxidation is an important way to remove H2S. Sox is a set of enzyme system widely found in bacteria. It is found that in addition to the ability to oxidize thiosulfate, the Sox system also has the ability of oxidizing H2S, but there are many doubts and deficiencies in the understanding of its oxidation mechanism. Especially, there were a few studies in heterotrophic bacteria which existed widely in the environment. This project intends to use the heterotrophic bacteria Cupriavidus pinatubonensis JMP134 as a model strain, focusing on the way of H2S fed into the Sox system and the function of key enzymes such as SoxCD to elucidate the oxidation mechanism of H2S by Sox system. The main contents include: overexpressed and purified all the enzymes of Sox system, and characterized the enzymes such as kinetic parameters; generated the mutants by markless deletion method, products and intermediates analysis of H2S oxidation by the mutant strains and compared with control strain; heterologous expression of the Sox system in another heterotrophic bacteria Pseudomonas aeruginosa PAO1 to verify function of the Sox system. The implementation of this project will clarify the mechanism of H2S oxidation by the Sox system in heterotrophic bacteria, enrich the diversity of H2S biological oxidation pathway and provide a theoretical basis for removal of H2S pollution in the environment.

H2S是重要的环境污染物，生物氧化是去除H2S的重要途径。Sox系统是在细菌中广泛存在的酶系统，研究发现，除氧化硫代硫酸盐以外，Sox系统还具有氧化H2S的能力，但对其氧化机制的研究中存在着许多疑点和不足，而且在数量众多的异养细菌中很少有研究。本项目拟以异养细菌Cupriavidus pinatubonensis JMP134作为研究菌株，重点研究H2S进入Sox系统的方式，及其中关键酶SoxCD的功能，以阐明Sox系统氧化H2S的机制。主要内容有：体外表达纯化Sox系统中的酶，并研究酶的基本性质如动力学参数等；通过敲除获得突变株，分析菌株代谢H2S的产物及中间产物；在Pseudomonas aeruginosa PAO1菌中异源表达Sox系统，以验证Sox系统的功能等。本项目的实施将阐明异养细菌中Sox系统氧化H2S的机制，丰富H2S氧化途径的多样性，为解决H2S环境污染提供理论依据。

H2S是重要的环境污染物，生物氧化是去除H2S的重要途径。Sox系统是在细菌中广泛存在的酶系统，具有氧化H2S的能力，但对其氧化机制的研究中存在着许多疑点和不足，而且在数量众多的异养细菌中很少有研究。本项目以异养细菌Cupriavidus pinatubonensis JMP134作为研究对象，通过体外表达纯化各种酶、无痕敲除及分析菌株代谢产物等方法理清了H2S在异养细菌中被氧化的两条途径及其代谢产物，其中，重要的途径之一是SoxF与Sox系统联合氧化H2S，另一条途径是由SQR/PDO系统与Sox系统联合氧化H2S，其产物均为硫酸盐，硫代硫酸盐和零价硫作为其中重要的中间代谢产物；我们对于之前报道中有争议的关键酶SoxF及SoxCD的功能进行了重点研究，研究结果弄清了SoxF在Sox系统氧化H2S过程中的关键作用，SoxF是活化H2S为S0而作为Sox系统氧化的重要的前提条件；我们还通过转录组学等方法，找到了在异养细菌中SoxCD的替代系统，该系统为PDO的氧化以及GSH/GSSG参与的H2S释放，这为研究一些天然不含SoxCD的Sox系统的H2S氧化机制提供了重要的理论依据。综上，这些结果阐明了异养细菌Sox系统氧化H2S的分子机制。除了以上研究以外，我们还在此基础上扩展了研究范围，在土壤环境中对Sox系统氧化H2S的生态功能进行了初步研究，结果发现Sox系统积极参与土壤硫循环及其中H2S的氧化过程，并与土壤环境条件例如电导率（EC）等密切相关。本项目的研究结果阐明了异养细菌Sox系统的重要功能，丰富了H2S氧化途径的多样性，为解决H2S环境污染提供了重要的理论依据。