清華新聞網(wǎng)1月23日電（通訊員 賈體沛）硫氧化和硫酸鹽還原是微生物硫循環(huán)中兩個(gè)方向相反的核心過(guò)程，傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為它們通常由不同物種承擔(dān)，或在單細(xì)胞內(nèi)受氧氣調(diào)節(jié)分階段進(jìn)行，以避免產(chǎn)生“無(wú)效循環(huán)”。自然界中是否存在這兩個(gè)過(guò)程在同一物種細(xì)胞內(nèi)同時(shí)發(fā)生的情況，以及其發(fā)生的機(jī)制和存在的意義是什么，成為值得關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題。近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院席勁瑛教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究證實(shí)，單一細(xì)胞內(nèi)可同步發(fā)生硫化物氧化與同化型硫酸鹽還原過(guò)程（圖1），并揭示了這種看似“浪費(fèi)能量”的雙向代謝路徑實(shí)際上是微生物應(yīng)對(duì)高濃度H2S壓力、緩解氧化應(yīng)激的關(guān)鍵生存策略。
圖1.MAG-M116硫代謝途徑的重建
研究團(tuán)隊(duì)在一個(gè)高H2S負(fù)荷、高硫酸鹽和低pH的自養(yǎng)生物脫硫系統(tǒng)中，識(shí)別出一類(lèi)獨(dú)特的雙向硫代謝微生物——Mycobacterium sp. MAG-M116。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，隨著H2S負(fù)荷從40g/(m3·h)提升至100g/(m3·h)以上，原本占據(jù)優(yōu)勢(shì)的Acidithiobacillus因無(wú)法有效應(yīng)對(duì)高負(fù)荷下產(chǎn)生的活性氧（ROS）而豐度驟減；與之形成鮮明對(duì)比的是，Mycobacterium的相對(duì)豐度從3.5%激增至99%，成為系統(tǒng)中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌群（圖2）。
圖2.反應(yīng)器運(yùn)行235天期間的性能表現(xiàn)與微生物群落演替。（a）H2S去除效率與進(jìn)氣H2S濃度的動(dòng)態(tài)相關(guān)性；（b）H2S負(fù)荷與去除速率的時(shí)間變化；（c）運(yùn)行各階段屬水平分類(lèi)群的演變；（d）第235天物種解析水平的群落結(jié)構(gòu)；（e）基于A(yíng)SV的第235天系統(tǒng)發(fā)育分析
通過(guò)宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組及宏蛋白質(zhì)組的多組學(xué)整合分析，發(fā)現(xiàn)MAG-M116細(xì)胞內(nèi)發(fā)生了獨(dú)特的與硫氧化還原代謝相關(guān)的電子傳遞過(guò)程：硫化物氧化為單質(zhì)硫過(guò)程所釋放的電子不僅通過(guò)正向傳遞驅(qū)動(dòng)ATP合成，還通過(guò)逆向電子傳遞（RET）產(chǎn)生高還原力的NADPH，而RET過(guò)程泄漏的電子產(chǎn)生了高水平ROS。MAG-M116同步啟動(dòng)了ASR路徑，作為“氧化還原穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)器”主動(dòng)捕獲RET過(guò)程中泄漏的電子，從而將ROS的產(chǎn)生量降低了57.5%（圖3）。電子通量分析顯示，ASR動(dòng)態(tài)捕獲了硫氧化釋放總電子的10.6%–14.3%。通過(guò)“在周質(zhì)空間執(zhí)行硫氧化脫毒，在胞質(zhì)空間進(jìn)行ASR調(diào)控ROS”的分區(qū)代謝策略，MAG-M116有效避免了高H2S和高ROS的雙重壓力，實(shí)現(xiàn)了能量盈余與氧化還原穩(wěn)態(tài)的協(xié)同匹配。
圖3.MAG-M116的多維ROS調(diào)控策略：通過(guò)活性氧清除酶與同化型硫酸鹽還原途徑的電子分流作用相結(jié)合，防止ROS過(guò)度積累
這一研究不僅發(fā)現(xiàn)了一種全新的細(xì)胞內(nèi)硫代謝模式，還發(fā)現(xiàn)了一種新的ROS清除機(jī)制，即細(xì)胞可以通過(guò)耗散過(guò)載電子流從源頭上控制和減少ROS產(chǎn)生。由于A(yíng)SR途徑在Mycobacterium（包括結(jié)核分枝桿菌）屬內(nèi)廣泛存在，這一發(fā)現(xiàn)也為理解致病性分枝桿菌如何對(duì)抗宿主免疫產(chǎn)生的氧化應(yīng)激提供了全新的視角。
研究成果以“強(qiáng)酸性條件下硫化物氧化與硫酸鹽還原同時(shí)進(jìn)行以維持胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)”（Simultaneous sulfide oxidation and sulfate reduction for intracellular redox homeostasis under highly acidic conditions）為題，于1月19日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授席勁瑛為論文通訊作者，環(huán)境學(xué)院博士后賈體沛為論文第一作者。研究得到北京工業(yè)大學(xué)彭永臻院士團(tuán)隊(duì)的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-68508-y
供稿：環(huán)境學(xué)院
編輯：劉芳芳
審核：郭玲
