Bioenergetics of aerobic and anaerobic growth of Shewanella putrefaciens CN32

腐臭希瓦氏菌 CN32 好氧和厭氧生長的生物能量學

來源：Front. Microbiol. 14:1234598.

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

研究對象：希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens CN32），一種典型的好氧/厭氧兼性鐵還原菌（DIRB），可利用O?或Fe(III)作為電子受體氧化乳酸。

核心發(fā)現(xiàn)：

通過量熱法（isothermal calorimetry）和培養(yǎng)基化學分析，量化了O?/Fe(III)還原耦合乳酸氧化的生物能量學參數(shù)（ΔG, ΔH）。

溫度影響：Fe(III)還原生長具有顯著溫度依賴性（25–36°C），30°C以下能量利用效率最高；O?還原生長則對溫度不敏感。

能量分配：Fe(III)還原在>30°C時，維持能（NGAM）顯著增加，導致生長效率下降（圖3C）。

 

熱力學效率：微生物生長熱力學效率（η）符合冪律關系（η ∝ μ ED^-0.5），但在高溫脅迫下偏離模型（圖5）。

 

 

2. 研究目的

 

量化兼性厭氧菌（S. putrefaciens CN32）在好氧（O?）和厭氧（Fe(III)）條件下的生長能效。

揭示溫度對兩種代謝路徑的能量分配機制（生長能GAC vs. 維持能NGAM）。

建立微生物生長的熱力學預測模型，提升地下水系統(tǒng)的生物地球化學模擬精度。

 

3. 研究思路

 

graph TD

A[培養(yǎng)菌株] --> B[量熱實驗]

B --> C[化學分析]

C --> D[能量計算]

D --> E[模型構(gòu)建]

E --> F[溫度效應驗證]

 

實驗設計：

培養(yǎng)系統(tǒng)：好氧（O?為電子受體）vs. 厭氧（Fe(III)-檸檬酸鹽為電子受體）。

溫度梯度：25–36°C（覆蓋最適生長溫度）。

檢測手段：

量熱法：直接測量生長焓變（ΔH inc）。

化學分析：乳酸、O?、Fe(III)/Fe(II)、pH、生物量（細胞計數(shù)）。

熱力學計算：吉布斯自由能變（ΔG inc ）。

 

4. 測量數(shù)據(jù)及研究意義

關鍵數(shù)據(jù)來源與意義

檢測指標 數(shù)據(jù)來源 研究意義 圖表位置

**ΔH inc ** 等溫量熱儀（TAM III） 直接反映代謝熱釋放，量化能量轉(zhuǎn)化效率 圖1

 

**ΔG inc ** 培養(yǎng)基化學分析 + PHREEQC計算 計算可用化學能，揭示能量利用效率 圖1, 圖6

 

**f cat** 宏觀化學方程模型 表征單位生物量合成所需的分解代謝循環(huán)次數(shù)（↑f cat = ↓生長效率） 圖2

 

O?消耗量 Unisense微電極 精準監(jiān)測密閉系統(tǒng)中溶解氧動態(tài)，驗證好氧代謝化學計量比（O?:乳酸=1.20±0.23） 方法2.4節(jié), 圖1

Fe(III):乳酸比 Ferrozine法 確定厭氧代謝化學計量比（1.46±0.15），修正傳統(tǒng)模型（式21）的預測偏差 結(jié)果3.3節(jié), 式16

 

 

 

生物量產(chǎn)率 SYBR Green I熒光計數(shù) 計算能量分配（GAC vs. NGAM），揭示溫度脅迫下維持能↑ 圖3B, 圖4

 

 

5. 結(jié)論

 

代謝路徑差異：

好氧生長：溫度不敏感，ΔG inc ≈ ΔH inc

（熵變極小），能量效率穩(wěn)定。

厭氧生長：>30°C時維持能（NGAM）顯著增加，生長效率驟降（f cat 從3升至15）（圖2, 圖3C）。

化學計量比修正：

實驗測得Fe(III):乳酸=1.46±0.15，推翻傳統(tǒng)模型（Fe(III):乳酸=4）（式21），避免地化預測偏差（圖6）。

熱力學模型適用性：

非脅迫條件下η與μ ED

符合冪律關系（η = 0.03μED^-0.5），高溫脅迫時失效（圖5）。

 

6. Unisense電極數(shù)據(jù)的科研意義詳解

檢測原理與參數(shù)

 

電極型號：Clark型氧微電極（OX-NP-006340），配合pH電極（Orion 8103BN）。

檢測指標：溶解氧（DO）、pH（方法2.4節(jié)）。

關鍵參數(shù)：

精度：μM級DO監(jiān)測（密閉系統(tǒng)初始O?≈10 μmol）。

實時性：動態(tài)跟蹤O?消耗過程。

 

研究意義

 

精準量化好氧代謝：

測得O?:乳酸=1.20±0.23（理論值1.0），驗證了式15的分解代謝路徑（C3H5O3-O2→ C2H3O2-CO2）。

為ΔGinc

計算提供關鍵輸入（式7-9），支撐圖1的ΔG inc與ΔH inc 關聯(lián)分析。

 

 

 

 

熱力學計算的基礎：

DO與pH數(shù)據(jù)輸入PHREEQC軟件，計算離子活度（Q值）和反應吉布斯自由能（ΔG r ）。

揭示實際環(huán)境與標準態(tài)的偏差：圖6顯示ΔGinc

實測值比標準態(tài)預測更負（e.g., 30°C時-4800 vs. -3500 kJ/C-mol），凸顯原位監(jiān)測必要性。

 

方法學優(yōu)勢：

微尺度監(jiān)測：適用于低體積樣品（3 mL），避免傳統(tǒng)Winkler法對樣品的破壞。

厭氧環(huán)境兼容：與Fe(II)/Fe(III)檢測無縫銜接，全流程控制氧化還原干擾。

 

對地化模型的貢獻

 

提供原位電子受體消耗數(shù)據(jù)，修正了傳統(tǒng)地化模型中O?:乳酸的假設比例（1.0→1.2），提升地下水系統(tǒng)氧化還原狀態(tài)的預測精度（討論4.2節(jié)）。

 

總結(jié)

 

本研究通過整合量熱法、化學分析與Unisense微電極技術，揭示了S. putrefaciens CN32在好氧/厭氧條件下的能量分配機制及溫度敏感性。Unisense電極的關鍵作用在于精準量化電子受體（O?）動態(tài)消耗，為熱力學計算提供不可替代的原位數(shù)據(jù)，推動生物地球化學模型從理論向?qū)嶋H環(huán)境的跨越。