化学自养硫氧化细菌的氧限/微氧/缺氧生长代谢模型构建及能量通量平衡分析

本研究针对工业含硫废弃物处理难题，构建了化学自养硫氧化细菌(SOB)的核心代谢网络模型，通过通量平衡分析(FBA)揭示了硫化氢(S2-)、硫代硫酸盐等不同硫源在好氧/缺氧条件下的能量代谢差异。研究发现硫化氢作为电子供体时产生最高ATP(4mmol/gDw·h)和生物量(0.0618h-1)，而四硫酸盐代谢效率最低；微氧条件下80%氧限制可触发完全反硝化，元素硫(S0)生成率最高达46%。该研究为硫污染生物修复及硫资源回收提供了理论依据。

　　

含硫工业废水处理正面临严峻挑战。纺织、造纸、煤炭加工等行业排放的还原性无机硫化合物(RISCs)不仅腐蚀设备，更会转化为剧毒硫化氢威胁生态环境。传统物理化学处理法成本高昂，而利用硫氧化细菌(SOB)的生物处理技术虽具成本优势，却因微生物代谢路径复杂难以优化。尤其当处理含多种硫化合物的废水时，微生物在不同氧环境下如何分配代谢通量？哪些硫源能最大化能量产出？这些问题长期困扰着研究者。

针对这一难题，国内研究人员在《Environmental Research》发表研究，通过重建化学自养SOB的核心代谢模型，首次系统比较了硫化氢、单质硫、硫代硫酸盐和四硫酸盐在好氧、微氧和缺氧条件下的代谢差异。研究采用通量平衡分析(FBA)这一约束性代谢网络分析方法，整合了硫氧化、反硝化、碳固定等关键路径，特别关注了元素硫(S⁰)这一具有商业价值的中间产物的形成机制。

关键技术包括：1)基于COBRA工具箱构建包含21种硫代谢反应的 stoichiometric 模型；2)设置不同电子受体(氧/硝酸盐)比例模拟微氧条件；3)应用表型相平面分析(Phenotype Phase Plane)解析代谢通量迁移；4)以生物量最大化为目标函数优化代谢网络。研究还参考了酸性硫杆菌(Acidithiobacillus)等模式菌的基因组数据验证模型可靠性。

【材料与方法】
研究团队首先整合了SOB代谢的四大模块：硫氧化途径(涉及硫代硫酸盐氧化酶等关键酶)、电子传递链(含细胞色素c氧化酶等)、碳固定(Calvin循环)和氮代谢(硝酸盐还原酶等)。模型特别纳入了硫歧化反应——这一在电子受体受限时激活的特殊路径。

【结果与讨论】
能量代谢分析显示，硫化氢作为电子供体时能量产出显著领先：ATP生成达4mmol/gDw·h，NADH产出2mmol/gDw·h，分别是四硫酸盐代谢的2.3倍和2倍。相应地，其比生长速率最高(0.0618h^-1)。缺氧条件下，硫氧化与反硝化耦合时，亚硝酸盐(NO₂^-)和氮气(N₂)成为主要氮产物。

元素硫(S⁰)作为理想副产品，其形成高度依赖环境条件：硫代硫酸盐氧化时无论是否存在硫化氢氧化反应(SR)，S⁰产率均稳定在45%；但四硫酸盐代谢中，SR的存在使S⁰产率从25%跃升至46%。表型相平面分析揭示，当氧限制超过80%时，代谢流完全转向反硝化路径。

【结论】
该研究首次通过代谢模型量化了SOB在不同氧环境下的代谢重构机制：1)硫化氢是最优电子供体，但需注意其毒性；2)微氧条件(20%氧饱和度)可同步实现硫氧化与完全反硝化；3)硫歧化反应是电子受体受限时的关键备用路径。这些发现为设计分级硫处理系统提供了理论支撑——前段采用好氧工艺处理高浓度硫化氢，后段通过微氧控制实现硫回收与脱氮的协同。研究建立的模型框架还可拓展至其他化能自养菌的代谢工程研究。

值得注意的是，作者Fereshteh Naeimpoor和Panteha Pirieh特别强调，模型中包含的硫氧化反应特异性(如硫氰酸酶途径)是准确预测S⁰形成的关键，这一发现为后续通过酶工程优化硫产物分布指明了方向。该成果不仅推进了对硫循环微生物的基础认知，更为工业硫污染治理提供了可量化的设计工具。