化能自养硫氧化细菌介导的硫氧化–固氮耦合反应驱动机制及生态效应研究

The biogeochemical cycles of each element in the nature are not exist solely, but coupled with other elements and pushed together. As one of the most energy-demanding bioreaction, the biological nitrogen fixation demanded energy and electron come mainly from organic carbon oxidation or photosynthesis. Though some chemotrophic sulfur-oxidizing bacteria have been found to own complete nitrogenase genes in their genomes, only a few strains have been reported to be able to fix nitrogen under microaerobic conditions. Chemoautotrophic sulfur-oxidizing bacterium Halothiobacillus sp. LS2 that we isolated from Pearl River water not only owns a complete nif regulon in genome but also is capable of fixing nitrogen under aerobic and anaerobic conditions, suggesting a coupling bioreaction between sulfur oxidation and nitrogen fixation. In this project, we will study the driving mechanisms, regulating strategies and ecological effects of the coupled bioreaction that mediated by chemoautotrophic sulfur-oxidizing bacteria. Based on these studies, we will reveal a new microbial-mediated process of N-S coupled biogeochemical cycle and discover the prevalence of this process in hydrosphere. This study is very meaningful for enriching the theory of element biogeochemical cycles in hydrosphere, promoting the water environment management and hydrosphere protection, and developing new research fields.

自然界中各元素的生物地球化学循环并非孤立存在，而是与其它元素循环相互耦合并且相互推动。作为地球上最耗能的生化反应之一，生物固氮所需的能量和电子主要来源于有机碳氧化和光合作用；尽管全基因组分析表明一些化能硫氧化细菌也含有完整的固氮酶基因，但只有极少数菌株被报道在微氧条件下具有固氮能力。我们从珠江水体中分离的一株化能自养硫氧化细菌Halothiobacillus sp. LS2，不仅基因组中含有完整固氮酶基因，还能在有氧和厌氧条件下进行固氮作用，预示着一种硫氧化–固氮耦合的生化反应。本项目将通过化能自养硫氧化细菌驱动的硫氧化－固氮反应的耦合机制、调控策略、生态效应等研究，揭示一种新的微生物介导的N–S耦合生物地球化学循环过程，并探讨该过程在水圈中存在的普遍性。本项目对丰富水圈中元素的生物地球化学循环理论、推动水环境治理和水圈生态保护、开拓新的研究领域等有重要意义。

自然界中，元素生物地球化学循环并非孤立存在，而是与其它元素循环相互耦合并且相互推动。硫氧化-固氮耦合生化反应此前仅在极少数化能自养硫氧化菌中有报道，但对于该反应的表现形式、驱动机制、存在意义，以及驱动该反应的微生物多样性等，目前尚不清楚。本项目基于化能自养硫氧化细菌Halothiobacillus diazotrophicus LS2，对菌株在不同氧浓度下的生长代谢情况、以不同气体为电子受体时的生长代谢及硫氧化动力学、以氧气或氮气为电子受体时的转录组等进行了分析，主要研究结论如下：1）菌株LS2可在有氧、微氧、缺氧和厌氧条件下驱动硫氧化-固氮耦合反应，并通过该耦合反应获得能量和氮源进行生长代谢；2）硫氧化动力学分析表明，菌株LS2以氧气为电子受体时的底物亲和力高于氮气为电子受体时，但与乙炔为电子受体时相近；3）缺氧条件或厌氧条件下以乙炔为电子受体时，菌株LS2的细胞生长量均高于有氧条件；4）比较转录组分析表明，菌株LS2以氧气为电子受体时，硫氧化酶复合体SOX的相关基因表达均高于以氮气为电子受体时，而固氮酶基因在缺氮条件下显著上调。同时，基于优化的富集培养策略，从污泥、水体、沉积物等环境分离了32株不同类型的化能自养硫氧化细菌，其中与Halothiobacillus, Thermithiobacillus, Thiobacillus和Thiomonas同源的11株细菌也发现了可在化能自养条件下驱动硫氧化-固氮耦合反应。尽管数据链尚不完整，但现有研究结果仍证实了：1）作为一种热力学不可能反应(ΔG´>0)，完全耦合的硫氧化-固氮反应可能在自然界中真实存在；2）硫氧化-固氮耦合生化反应的能量代谢方式可能优于以氧气为电子受体的呼吸作用；3）固氮作用可为环境中常见电子受体缺乏时提供电子受体，从而驱动硫氧化作用；4）介导硫氧化-固氮耦合反应的化能自养硫氧化菌在自然界中普遍存在。待后续数据(如：化能自养固氮的生物学意义、基于电子流向分析的生长代谢规律、多组学分析等)补充完整，本项目将揭示一种全新的N-S元素耦合生物地球化学循环过程及其在自然界中的生态效应，为丰富元素的生物地球化学循环及在废水治理中的应用提供更多理论依据。