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

淡水細菌中半胱氨酸降解和需氧硫化氫產生的生理和基因組證據

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

 

摘要核心內容

 

摘要指出：在富氧淡水環境中，細菌可通過降解含硫氨基酸（如半胱氨酸）產生硫化氫（H?S）。傳統觀點認為H?S主要源自厭氧環境（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。結合5年宏基因組時間序列數據（威斯康星州門多塔湖），進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生產是淡水硫循環中被忽視的過程。

研究目的

 

挑戰傳統認知：驗證有氧條件下H?S是否可通過半胱氨酸降解產生。

 

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

 

機制解析：揭示細菌降解半胱氨酸的基因組基礎及環境分布。

 

研究思路

 

采用“實驗室-環境”雙驗證框架：

 

菌株篩選：從門多塔湖富氧層分離60株細菌，通過添加半胱氨酸的培養基篩選產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）進行：

 

生長曲線監測（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）

 

環境驗證：分析門多塔湖5年宏基因組數據（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。

 

 

測量數據及研究意義

1. 生理數據（實驗室尺度）

 

數據來源：

 

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（轉化為胱氨酸測定，圖2B-D）

 

生長曲線：OD???監測

 

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僅產自厭氧環境”的固有認知。

 

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. 基因組數據

 

數據來源：

 

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

 

代謝通路重構（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）。

 

發現菌株兼具硫氧化能力（圖4B），提示其在硫循環中的多功能角色。

 

3. 環境宏基因組數據

 

數據來源：

 

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序列在環境數據中持續檢出，支持其生態相關性。

 

Unisense電極測量數據的專項解讀

技術意義

 

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

 

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

 

科學意義

 

驗證有氧產H?S機制：

 

測得H?S產量與半胱氨酸消耗呈負相關（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培養基的研究未報道該能力，凸顯微電極的靈敏度優勢。

 

量化生態貢獻：

 

H?S濃度達微摩爾級（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效應（如促進金屬硫化物沉淀）。

 

修正硫循環模型：

 

數據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。

 

結論

 

核心發現：

 

29株淡水好氧細菌可通過半胱氨酸降解產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存在，表明該過程在自然水體中普遍發生。

 

理論革新：

 

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

 

應用提示：

 

半胱氨酸降解貢獻的H?S可能在富氧期導致生態風險（如魚類毒害），需納入湖泊管理考量。

 

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