Physiological and genomic evidence of cysteine degradation and aerobic hydrogen sulfide production in freshwater bacteria

淡水細(xì)菌中半胱氨酸降解和需氧硫化氫產(chǎn)生的生理和基因組證據(jù)

來源：10.1128/msystems.00201-23  May/June 2023 Volume 8 Issue 3

 

摘要核心內(nèi)容

 

摘要指出：在富氧淡水環(huán)境中，細(xì)菌可通過降解含硫氨基酸（如半胱氨酸）產(chǎn)生硫化氫（H?S）。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為H?S主要源自厭氧環(huán)境（如沉積物），但本研究通過分離菌株、生理實驗和基因組分析，證實了多種好氧淡水細(xì)菌（變形菌門、擬桿菌門、放線菌門）可在有氧條件下降解半胱氨酸并釋放H?S。結(jié)合5年宏基因組時間序列數(shù)據(jù)（威斯康星州門多塔湖），進(jìn)一步證明此類菌株及半胱氨酸降解基因在自然水體中廣泛存在，提示有氧H?S生產(chǎn)是淡水硫循環(huán)中被忽視的過程。

研究目的

 

挑戰(zhàn)傳統(tǒng)認(rèn)知：驗證有氧條件下H?S是否可通過半胱氨酸降解產(chǎn)生。

 

生態(tài)意義：闡明有機(jī)硫化合物（如半胱氨酸）對淡水硫循環(huán)的貢獻(xiàn)，尤其在富氧水層中的作用。

 

機(jī)制解析：揭示細(xì)菌降解半胱氨酸的基因組基礎(chǔ)及環(huán)境分布。

 

研究思路

 

采用“實驗室-環(huán)境”雙驗證框架：

 

菌株篩選：從門多塔湖富氧層分離60株細(xì)菌，通過添加半胱氨酸的培養(yǎng)基篩選產(chǎn)H?S菌株（定性檢測）。

 

深入表征：選擇3株代表性菌株（Stenotrophomonas maltophilia, S. bentonitica, Chryseobacterium piscium）進(jìn)行：

 

生長曲線監(jiān)測（OD???）

 

半胱氨酸消耗與H?S定量（HPLC與Unisense微電極）

 

全基因組測序（解析降解基因）

 

環(huán)境驗證：分析門多塔湖5年宏基因組數(shù)據(jù)（97個時間點），追蹤分離菌株的16S rRNA序列及半胱氨酸降解基因的分布。

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

1. 生理數(shù)據(jù)（實驗室尺度）

 

數(shù)據(jù)來源：

 

H?S定量：Unisense微電極測量液相H?S濃度（圖2A）

半胱氨酸濃度：HPLC檢測（轉(zhuǎn)化為胱氨酸測定，圖2B-D）

 

生長曲線：OD???監(jiān)測

 

研究意義：

 

證實菌株在富氧條件下消耗半胱氨酸并同步積累H?S（圖2A），推翻“H?S僅產(chǎn)自厭氧環(huán)境”的固有認(rèn)知。

 

揭示菌株對L/D-半胱氨酸的差異利用（圖2B-D），提示底物特異性可能影響硫釋放效率。

 

2. 基因組數(shù)據(jù)

 

數(shù)據(jù)來源：

 

關(guān)鍵基因注釋（metC, cysK, malY, tnaA, dcyD等，圖3）

 

代謝通路重構(gòu)（圖4）

 

 

研究意義：

 

所有菌株均攜帶半胱氨酸降解基因（圖3），但基因組合存在差異（如Chryseobacterium依賴dcyD降解D-半胱氨酸）。

 

發(fā)現(xiàn)菌株兼具硫氧化能力（圖4B），提示其在硫循環(huán)中的多功能角色。

 

3. 環(huán)境宏基因組數(shù)據(jù)

 

數(shù)據(jù)來源：

 

5年時間序列（2008–2012年，97個樣本）中降解基因豐度（圖5A）

 

基因宿主分類（圖5B）

 

研究意義：

 

cysK、malY等基因廣泛分布于變形菌門、擬桿菌門等常見淡水類群（圖5B），證明該潛能在自然群落中普遍存在。

 

分離菌株的16S序列在環(huán)境數(shù)據(jù)中持續(xù)檢出，支持其生態(tài)相關(guān)性。

 

Unisense電極測量數(shù)據(jù)的專項解讀

技術(shù)意義

 

高精度動態(tài)監(jiān)測：Unisense H?S微電極直接定量液相H?S濃度（μM級），克服了傳統(tǒng)顯色法（如鉛乙酸試紙）的定性局限。

 

排除假陽性：證實H?S積累與細(xì)菌生長同步（圖2A），排除非生物氧化干擾（對照組無變化）。

 

科學(xué)意義

 

驗證有氧產(chǎn)H?S機(jī)制：

 

測得H?S產(chǎn)量與半胱氨酸消耗呈負(fù)相關(guān)（圖2A），直接證實“半胱氨酸→H?S”的生理途徑。

 

在Chryseobacterium piscium中檢測到H?S（圖2A），而此前基于SIM培養(yǎng)基的研究未報道該能力，凸顯微電極的靈敏度優(yōu)勢。

 

量化生態(tài)貢獻(xiàn)：

 

H?S濃度達(dá)微摩爾級（如S. maltophilia累積~40μM），證明其在富氧水體可能具有毒性與生物地球化學(xué)效應(yīng)（如促進(jìn)金屬硫化物沉淀）。

 

修正硫循環(huán)模型：

 

數(shù)據(jù)支持有氧層全年存在H?S源（圖6），需重新評估湖泊混合期硫通量。

 

結(jié)論

 

核心發(fā)現(xiàn)：

 

29株淡水好氧細(xì)菌可通過半胱氨酸降解產(chǎn)H?S，三株代表菌株（S. maltophilia, S. bentonitica, C. piscium）的基因組均攜帶降解基因。

 

門多塔湖宏基因組中降解基因持續(xù)存在，表明該過程在自然水體中普遍發(fā)生。

 

理論革新：

 

有氧H?S生產(chǎn)是淡水硫循環(huán)的重要組成部分，需整合有機(jī)硫代謝以完善模型（圖6）。

 

應(yīng)用提示：

 

半胱氨酸降解貢獻(xiàn)的H?S可能在富氧期導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險（如魚類毒害），需納入湖泊管理考量。

 

總結(jié)：本研究通過多尺度數(shù)據(jù)（生理→基因組→環(huán)境）證實了淡水細(xì)菌在有氧條件下降解半胱氨酸產(chǎn)H?S的潛能，修正了硫循環(huán)的傳統(tǒng)框架，并凸顯Unisense微電極在量化微生物硫代謝中的關(guān)鍵作用。