微生物硫酸盐还原过程中呼吸速率与硫同位素分馏效应的动态关系分子机制研究

《Applied and Environmental Microbiology》：Molecular insights into the dynamic relationship between respiration rate and sulfur isotope effect

　　本研究通过调控硫酸盐还原菌DMSS-1的碳氮源，结合基因表达谱、ATP/AMP比值和三重硫同位素分馏分析，揭示了细胞特异性硫酸盐还原速率（csSRR）与硫同位素分馏（34ε）动态关系的生化基础。研究发现固氮条件下苹果酸代谢通过提升代谢通量和增加硫酸盐活化/还原可逆性导致csSRR与34ε同步升高，而果糖代谢则因碳氮代谢解耦呈现经典负相关，为自然环境中硫同位素记录的解读提供了分子层面的新认知。

　　

微生物硫酸盐还原及其硫同位素分馏效应

微生物硫酸盐还原（MSR）在硫和碳的生物地球化学循环中具有关键作用。该过程产生的硫化物中轻硫同位素相对富集，形成特定的同位素指纹，成为追溯古代和现代硫循环及微生物代谢活动的重要指标。长期以来，细胞特异性硫酸盐还原速率（csSRR）与硫同位素分馏（³⁴ε）之间的负相关关系被广泛接受为主要控制因素，但固氮生长等例外情况表明这一关系存在更复杂的调控机制。

实验设计与方法

本研究选用硫酸盐还原菌DMSS-1（Desulfovibrio sp.）为模式菌株，通过控制电子供体（乳酸、苹果酸、果糖）和氮源（铵盐/固氮）条件进行批次培养。监测指标包括生长曲线、硫化物/硫酸盐浓度、细胞密度，并采用RT-qPCR技术分析关键基因（aprA, dsrA, pyk, pfk, gap）表达水平，通过酶联法测定细胞内ATP/AMP比值，利用CoF₃高温水解结合质谱法完成三重硫同位素（³²S, ³³S, ³⁴S）分析。

电子供体类型对代谢通路的调控

不同电子供体显著影响硫还原相关基因的表达模式。乳酸作为易降解底物诱导最高水平的aprA（腺苷酰硫酸还原酶基因）表达，伴随最快的csSRR（31.3–148.3 fmol/cell/day）和最小的同位素分馏（³⁴ε = 5.7‰–8.2‰）。随着底物降解难度增加（苹果酸→果糖），aprA表达水平逐步降低，csSRR减慢（果糖实验：1.8–3.5 fmol/cell/day），而³⁴ε显著增大（最高达37.0‰）。值得注意的是，异化型亚硫酸还原酶基因dsrA的表达在所有条件下保持稳定，说明硫酸盐还原路径中上游的APS还原步骤（由Apr催化）对分馏效应的贡献占主导地位。

固氮作用对能量代谢的重编程

在铵盐匮乏条件下，DMSS-1启动固氮作用，显著改变细胞的能量状态。以苹果酸为电子供体时，固氮细胞表现出：1）aprA和dsrA表达量分别提升1.8倍和1.5倍；2）ATP/AMP比值从8.8降至3.2（P < 0.05）；3）csSRR增大的同时³⁴ε从18.1‰升至20.2‰。这一"双高"现象说明固氮所需的高ATP消耗增强了硫酸盐活化（消耗ATP）和APS还原的可逆性，从而在提升代谢通量时仍维持较大的同位素分馏。

果糖代谢中的特殊响应机制

当以果糖为电子供体时，固氮条件引发截然不同的响应：虽然csSRR从2.8增至3.3 fmol/cell/day，但³⁴ε反而从31.2‰降至20.1‰。基因表达和能量分析显示：1）aprA/dsrA表达无显著变化；2）ATP/AMP比值保持稳定（约0.6）；3）糖酵解关键酶基因gap（甘油醛-3-磷酸脱氢酶）表达上调约2倍。结合硫同位素模型反演，表明果糖代谢中固氮作用通过提升NADH供应（由GAPDH催化生成），降低了硫酸盐还原路径的整体可逆性，导致分馏效应减弱。

代谢通量模型的环境意义

通过整合ATP/AMP实验数据修正Wing-Halevy模型发现，在csSRR > 1 fmol/cell/day的高通量区间，细胞内能荷状态可显著改变csSRR-³⁴ε关系曲线（如固氮引发的"双高"现象）。然而在自然沉积环境（csSRR多< 1 fmol/cell/day）中，模型预测³⁴ε对能荷变化不敏感，csSRR仍为分馏效应的主控因素。这解释了为何实验室观测到的复杂动态关系在自然硫同位素记录中仍表现为稳健的负相关。

结论与展望

本研究从分子生物学和生物化学层面揭示了csSRR与硫同位素分馏关系的动态本质：电子供体类型通过调控aprA表达影响代谢通量，而固氮作用则通过改变ATP/AMP比值或NADH/NAD⁺平衡调控酶反应可逆性。尽管细胞内存在多重调控网络，但自然环境中较低的代谢速率维持了经典负相关关系的普适性。未来研究需聚焦于细胞内氧化还原状态的直接测量（如NAD⁺/NADH），并结合脂类氢同位素（²H/¹H）等新型指标，进一步揭示微生物代谢与同位素分馏的耦合机制。