硫酸盐依赖型厌氧甲烷氧化菌群的代谢建模揭示能量守恒机制及其对甲烷减排的启示

这篇综述通过构建热力学约束的动力学代谢模型，首次量化了硫酸盐依赖型厌氧甲烷氧化（AOM-SR）菌群的能量通量。研究揭示了厌氧甲烷氧化古菌（ANME）和硫酸盐还原菌（SRB）通过逆向甲基转移（RMT）和逆向电子传递（RET）协同克服甲烷活化能垒，实现高达60%的热力学效率，其ATP产量（YATP）达0.23-0.24 mol/mol底物，为理解极端热力学条件下微生物甲烷代谢调控提供了新范式。

　　

能量守恒机制解析

硫酸盐依赖型厌氧甲烷氧化（AOM-SR）是海洋沉积物中关键的甲烷汇，每年可消耗382 Tg甲烷。该过程由厌氧甲烷氧化古菌（ANME）与硫酸盐还原菌（SRB）的互作驱动，但其能量守恒机制长期存疑。最新代谢模型整合酶级热力学与动力学参数，揭示ANME通过甲基辅酶M还原酶（MCR）活化甲烷需消耗1.44 kJ/mol，而SRB的硫酸盐活化耗能达8.6 kJ/mol，两者均接近热力学极限。

逆向代谢的分子开关

ANME采用双重策略突破能量壁垒：

1. 逆向甲基转移（RMT）：甲基转移酶（MTR）每转移1个甲基组同步内运2个Na⁺，耗散膜电位（Δψ=206 mV）驱动ΔG达-39.4 kJ/mol的吸能反应；

2. 逆向电子传递（RET）：异二硫化物还原酶（HDR）以质子动力势推动电子逆电位梯度（ΔE=206 mV）传递，维持CoMS-SCoB浓度（1.6 mM）比HSCoB（31.1 μM）高50倍。模拟显示，缺失任一路径将导致ATP净消耗。

能量分配与效率革命

菌群将AOM-SR释放的38.6 kJ/mol能量近乎均分：ANME获20.4 kJ/mol，SRB获18.2 kJ/mol。通过动态调节离子转运化学计量比（如FPO每电子外排0.68 H⁺），ANME实现62.7%的热力学效率（η），其ATP产量（0.234 mol/mol CH₄）与SRB（0.235 mol/mol SO₄^2-）相当。值得注意的是，ANME的投资回报率（ROI=18%）显著高于SRB（11%），归因于更高效的底物活化策略。

热力学限制的定量表征

代谢控制分析（MCA）显示：

• 限速酶支配：MCR和FPO控制ANME 80%的通量（FCC=0.44/0.36），APR和PPA支配SRB 79%的通量（FCC=0.40/0.39）；

• 热力学势因子：逆向甲烷化（F_T=0.51）比硫酸盐还原（F_T=0.84）受更强热力学限制，与Black海实测数据（F_T=0.37）吻合。

生态与工程启示

该模型预测的生物量产量（0.6 g/mol底物）与实验数据一致，为深海甲烷通量估算提供参数。工程应用上，调控膜电位或电子穿梭体（如TpIc3）可优化能量分配，而MCR/APR等关键酶成为代谢工程靶点。未来需拓展至低底物浓度（<1 mM）环境模拟，并整合中间硫物种（如S⁰）代谢路径。

这项研究首次从酶分子尺度解析了极端能量限制下的微生物生存策略，为开发甲烷生物减排技术奠定了理论基础。