异养原核生物在硫氧化中的关键作用：揭示渤海沉积物高效清除硫化氢的微生物机制

本研究通过宏基因组学、宏转录组学和硫化物氧化实验，首次系统揭示了渤海沉积物中硫氧化的主导微生物类群及代谢途径。研究发现超过67.1%的微生物群落（覆盖44个门）参与硫氧化，以变形菌门（Proteobacteria）为主的异养原核生物通过SQR-FCSD-PDO-rDsrAB-sHdr-AprAB/SAT通路将H2S高效转化为SO42?，而传统化能自养硫氧化菌（chemolithotrophs）罕见。该发现革新了对海洋硫循环的认知，为近海硫化氢污染治理提供理论依据。

　　

渤海沉积物硫氧化的微生物机制解析

硫循环的生态意义
硫循环与碳、氮、铁等元素循环紧密耦合，是海洋沉积物关键生物地球化学过程。硫酸盐作为海洋沉积物中最丰富的电子受体，其还原产生的硫化氢（H₂S）80%以上会被重新氧化为硫酸盐。渤海作为典型陆架海，高有机质输入使其沉积物成为硫转化的热点区域，但长期以来对主导该过程的微生物类群和代谢途径认知有限。

研究方法与技术路线
研究团队采集渤海3个站点（M3、M8、BHB10）15个层位的沉积物样本，整合运用：

1. 宏基因组测序（平均9.32亿reads/样本）组装5,233个MAGs（基因组完整度>50%）
2. 硫化物（NaHS）、硫代硫酸盐和亚硫酸盐氧化速率测定
3. 原位硫形态分析（H₂S、S⁰、S₂O₃^2?、SO₃^2?）
4. NaHS刺激下的宏转录组分析

微生物群落参与特征
宏基因组数据显示：

• 67.1%的MAGs（3,511个）携带硫氧化基因，覆盖44个细菌门和5个古菌门
• 优势类群为变形菌门（Proteobacteria，占67.6%）、脱硫杆菌门（Desulfobacterota）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）
• 仅755个MAGs具有自养代谢途径，85.57%为异养/混合营养型

关键代谢通路解析

1. 硫化氢氧化：

• 膜结合型III类SQR（1,814个基因）为主导酶，显著多于周质FCSD（880个）
• 最大氧化速率达140.3 μmol/h/g（生物贡献64.1 μmol）

1. 元素硫（S⁰）氧化：

• 以PDO（3,055个基因）为核心，辅以rDsrAB（624个）和sHdr（406个）
• S⁰浓度层间差异显著（0.02-4.3 μmol/g）
• 估算最大氧化速率48.2 μmol/h/g

1. 亚硫酸盐氧化：

• AprAB-SAT途径占主导（567个完整通路MAGs）
• 最大氧化速率12.8 μmol/h/g

1. 硫代硫酸盐代谢：

• 缺乏完整SOX系统（缺失SoxD）
• 氧化速率仅0.06 μmol/h/g，非主要中间体

代谢网络与生态功能
宏转录组揭示NaHS刺激下：

• sqr基因表达上调76倍（主要来自变形菌门）
• pdo转录本在浮霉菌门（Planctomycetota）增长76倍
• aprAB/sat在变形菌门和黏球菌门（Myxococcota）显著激活

环境意义

1. 异养微生物主导的硫氧化形成高效"硫化氢过滤层"，阻止H₂S向水体释放
2. 硫代谢"接力"现象普遍，单个微生物罕有完整氧化通路
3. 提出渤海沉积物硫氧化新模型：H₂S→S⁰（SQR）→SO₃^2?（PDO/rDsrAB）→SO₄^2?（AprAB-SAT）

该研究为近海富营养化治理和硫循环模型构建提供了微生物学基础，揭示了异养微生物在元素循环中被低估的生态功能。