硫化矿物风化环境中多样Sulfuriferula菌种的铁硫氧化代谢机制与生态意义

这篇综述揭示了Sulfuriferula属细菌在硫化矿物（如黄铁矿、磁黄铁矿）风化过程中的核心作用，通过基因组和生理实验证实其兼具氧化亚铁（Fe2+ ）和还原性无机硫化合物（RISC）的能力，并解析了不同菌株在硫代谢通路（Sox、Dsr、Sqr）、氮循环（nifDKH、narGHIJ）及生物膜形成（Wsp系统）的多样性，为矿山废弃物生物修复和生物冶金提供了理论依据。

　　

Diverse Sulfuriferula spp. from sulfide mineral weathering environments oxidize ferrous iron and reduced inorganic sulfur compounds

ABSTRACT
微生物是还原性无机硫化合物（RISC）氧化的关键催化剂。金属硫化矿物（如黄铁矿、磁黄铁矿）是硫循环的重要来源。研究发现，Sulfuriferula spp.在美国明尼苏达州Duluth Complex矿区的长期风化实验中丰度较高且活跃。本研究从这些实验中分离出多株Sulfuriferula菌株，通过代谢和基因组分析揭示了其在中性至弱酸性环境中的矿物-微生物互作机制。所有菌株均为专性化能自养菌，可氧化无机硫化合物和亚铁（Fe²⁺
），生长pH范围为4.5–7，与矿区岩石风化条件匹配。菌株能以磁黄铁矿（Fe_1?x
S）为唯一能源，并利用硫化氢（H₂
S）和硫代硫酸盐（S₂
O₃
^2?
）——硫化矿物分解的产物。尽管代谢相似，但各菌株的硫氧化通路和氮代谢能力存在显著差异，体现了该属在硫化矿物富集环境中的适应性优势。

IMPORTANCE
金属硫化矿物是全球硫循环中还原性硫的主要来源。化能自养微生物在自然和工程环境中催化硫化矿物的分解，推动硫的生物地球化学循环，并在生物冶金和生物修复中具有应用潜力。Sulfuriferula作为新命名的硫氧化细菌属，在矿山废弃物中作为初级生产者广泛存在。本研究通过新菌株的基因组和代谢特性，探讨了其在经济矿物矿床废弃物中的生态生理学和生物技术潜力。

INTRODUCTION
还原性无机硫化合物的氧化是硫循环的关键步骤。硫来源包括沉积岩、火成岩和变质岩中的金属硫化矿物，以及缺氧环境中的溶解态和气态硫化氢。Sulfuriferula是近年命名的硫氧化细菌属，其模式菌株S. multivorans可从淡水湖中分离，而S. plumbiphila最初以方铅矿（PbS）为能源。本研究的菌株分离自Duluth Complex铜镍矿床的风化实验材料，该矿区以磁黄铁矿为主，其低硫含量和硅酸盐缓冲能力使风化产物pH维持在4以上，与极端酸性环境不同。

RESULTS

Isolation and identification of Sulfuriferula
从Duluth Complex矿区风化12年的尾矿中分离出AH1、GW1、GW6和HF6a四株菌。16S rRNA基因系统发育分析显示，GW1和HF6a与S. multivorans亲缘最近，GW6与S. plumbiphila相近，而AH1位于Sulfuriferula进化树的基部。菌株含2–3个rrn操纵子，16S相似性为92.9%–99%。

Growth characteristics
所有菌株在硫代硫酸盐（S₂
O₃
^2?
）为唯一能源的培养基中生长，但未检测到对连四硫酸盐（S₄
O₆
^2?
）、亚硫酸盐（SO₃
^2?
）或单质硫（S⁰
）的利用。梯度管实验证实菌株可氧化H₂
S和Fe²⁺
，但未观察到以硝酸盐（NO₃
^?
）为电子受体的厌氧生长。菌株为专性自养菌，添加酵母提取物可促进生长。AH1的pH适应范围最广（4.5–8），而HF6a耐酸性最强（pH 4–7）。

Whole-genome sequencing and assembly
基因组大小为2.92–3.33 Mb，GC含量55%–58.7%。AH1含1个质粒，GW6含2个质粒。通过KEGG和HMM分析揭示了硫、氮、碳和铁代谢相关基因的多样性：

Carbon metabolism
所有菌株编码完整的卡尔文循环（Calvin cycle），含I型和/或II型RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶），具备羧酶体和碳酸酐酶基因，但碳水化合物分解能力有限。

Nitrogen metabolism
AH1、GW1和GW6含固氮酶基因（nifDKH），GW1和HF6a含硝酸盐还原酶（narGHIJ）和一氧化氮还原酶（norBC）。GW1还具备完整反硝化通路（nirK、nosZ），而AH1和GW6含尿素水解酶（ureABC）。

Sulfur metabolism
菌株编码多样硫氧化途径：

• SQR：所有菌株含I型硫代醌氧化还原酶（SQR type I），GW6另含III型SQR和 flavocytochrome c（fcc）。
• Sox系统：GW6含完整SoxAXYZBCD通路，其余菌株缺失soxCD，可能导致单质硫积累。
• Sdo：菌株含两类硫双加氧酶（sdo），一类与线粒体ETHE1同源，另一类与Acidithiobacillus的sdoS相似。
• 其他基因：所有菌株含连四硫酸盐水解酶（tth）和亚硫酸盐脱氢酶（soeABC），GW1还含硫代硫酸盐脱氢酶（doxDA）和连四硫酸盐还原酶（ttrABC）。

Iron oxidation
所有菌株含铁氧化细胞色素Cyc1和Cyc2基因，与嗜酸菌（如Acidithiobacillus ferrooxidans）的Cyc2聚类，支持其亚铁氧化能力。

Biofilm formation
菌株均含Wsp系统基因（缺wspE），可能与矿物表面生物膜形成相关。

DISCUSSION
菌株代谢多样性反映了其在硫化矿物风化中的生态位分化。AH1虽硫氧化通路简单，但生长最快，可能因其高效碳固定（含II型RuBisCO）。GW6含完整Sox系统但生长缓慢，或因缺乏II型RuBisCO。菌株的铁氧化能力（Cyc2）和氮代谢差异（如GW1的完全反硝化能力）可能影响其在自然风化与工程环境中的分布。在Duluth Complex矿区，Sulfuriferula可能通过产生Fe³⁺
（氧化剂）和硫酸（酸源）双重角色促进矿物溶解。研究为调控矿山废弃物微生物群落（如通过有机碳添加抑制其活性）提供了理论依据。

MATERIALS AND METHODS
菌株分离自pH 4–8的硫代硫酸盐培养基，通过梯度管验证H₂
S和Fe²⁺
氧化能力。基因组用PacBio