硫酸盐还原菌N47的化能有机自养代谢新机制：基于萘降解与CO2 固定双途径的突破性发现

本研究揭示了硫酸盐还原菌N47在厌氧条件下通过同时激活完整TCA循环和Wood-Ljungdahl途径(WLP)，实现萘降解产能与CO2 固定生物合成的独特代谢模式。研究人员通过13 C标记实验结合酶活性测定，首次证实复杂多环芳烃(PAHs)降解菌中存在化学能有机自养(chemoorganoautotrophic)代谢，为环境污染物生物修复和微生物能量代谢研究开辟了新视角。

　　

在环境污染治理和微生物能量代谢研究领域，多环芳烃(PAHs)的厌氧降解机制一直是科学家们关注的焦点。传统认知中，微生物降解有机污染物时通常直接将底物转化为生物量，但德国杜伊斯堡-埃森大学Rainer U. Meckenstock团队在《Communications Biology》发表的研究，彻底颠覆了这一认知。他们发现硫酸盐还原菌N47培养物能通过独特的"双轨制"代谢策略——既降解萘获取能量，又通过CO₂
固定合成生物量，这种被称为"化能有机自养"(chemoorganoautotrophic)的代谢模式此前仅在降解简单C1化合物的甲基营养菌中发现。

为揭示这一特殊现象，研究人员采用了多学科技术方法：通过分光光度法测定TCA循环和WLP关键酶活性；利用¹³
C标记的萘和碳酸氢盐进行同位素示踪实验；采用GC-MS分析氨基酸和脂肪酸同位素分布；结合拉曼光谱检测细胞内储存物质；并通过基因组分析验证代谢通路完整性。所有实验均使用从德国斯图加特附近污染含水层富集的N47培养物（99.6%为候选脱硫杆菌N47菌株）。

酶活性证实双代谢通路共存
研究首先通过酶活性测定发现N47同时具备完整的氧化型TCA循环（ citrate synthase活性2.0±0.7 nmol min^-1
mg^-1
）和WLP（formate dehydrogenase活性440±83 nmol min^-1
mg^-1
）。值得注意的是，检测到2-oxoglutarate:ferredoxin oxidoreductase（1.1±0.20 nmol min^-1
mg^-1
）证实了TCA循环的可逆性，这为CO₂
固定提供了酶学基础。

同位素示踪揭示碳流向
¹³
C标记实验显示：使用[U-¹³
C₁₀
]萘时，氨基酸中M+2同位素体（如谷氨酸仅2.0±0.4%）远低于理论值，表明萘衍生的乙酰辅酶A(acetyl-CoA)主要被WLP氧化为CO₂
；而使用¹³
CO₂
时，M+1标记显著增加（如丙氨酸达7.8±0.3%），证明生物合成主要依赖CO_{2
固定。脂肪酸C16:1的McLafferty片段分析同样显示11.0% M+1标记，进一步验证该代谢模式。}

储存物质与基因组证据
拉曼光谱在854 cm^-1
处检测到糖原特征峰，其¹³
C标记后红移至849 cm^-1
，证实CO₂
固定产物转化为储存物质。基因组分析发现N47同时编码TCA循环（KEGG M00009）和WLP（M00377）全部基因，且KEGG数据库筛选发现10种类似微生物（包括5种烃类降解硫酸盐还原菌和2种厌氧氨氧化菌）具有相同遗传特征。

这项研究首次证明复杂有机底物降解菌中存在化学能有机自养代谢，其通过WLP氧化乙酰辅酶A获取能量，同时利用反向TCA循环(rTCA)固定CO₂
构建生物量。这种代谢策略可能是微生物在寡营养环境中的生存适应，为理解碳循环和开发污染物生物修复技术提供了新思路。特别值得注意的是，该机制可能普遍存在于硫酸盐还原菌和厌氧氨氧化菌中，为环境微生物能量代谢研究开辟了新方向。