代谢建模揭示Dehalobacter菌株在串联氯仿和二氯甲烷代谢中的竞争机制及其生物修复意义

本研究通过基因组尺度代谢模型（GSMM）揭示了两株Dehalobacter（SAD与DAD）在氯仿（CF）和二氯甲烷（DCM）降解中的代谢差异，阐明了氢循环（H2 cycling）和氨基酸交换对菌株竞争的影响，为卤代甲烷污染的生物修复（bioremediation）提供了理论依据。

　　

代谢差异驱动Dehalobacter菌株的生态位分化

研究聚焦两株Dehalobacter（SAD与DAD）在氯仿（CF）和二氯甲烷（DCM）污染修复中的竞争机制。通过基因组尺度代谢模型（iOB638和iOB649）分析发现，尽管两菌株均携带还原性脱卤酶（RDase）和DCM代谢（mec）基因盒，但代谢效率差异显著：SAD在CF脱氯（?G=?97.8 kJ/e^?）中占优，而DAD因独特的延胡索酸还原酶（FRD2）和天冬氨酸氨裂解酶（ASPT）在DCM矿化中更具适应性。

氢循环与电子传递的独特策略

模型预测两菌株通过不同机制解决DCM矿化中的氧化还原失衡：

1. 1.

   跨膜氢循环：SAD依赖胞外氢化酶（H2CYTBr）将H₂氧化与CF还原偶联，形成质子梯度驱动ATP合成（H⁺/e^?=2）。

2. 2.

   胞内电子分流：DAD利用[FeFe]氢酶（Hyd-3/6）直接氧化NADH产H₂，其非分叉特性在低H_{2分压（<2 μM）下尤为关键。实验显示，DAD在DCM矿化时细胞产率（2.3×10¹² cells/eeq）显著高于SAD，印证其代谢灵活性。}

氨基酸交换的生态意义

DCM矿化导致NADH积累，需外源氨基酸（如谷氨酸、丝氨酸）平衡氧化还原。DAD通过ASPT将天冬氨酸转化为延胡索酸，减少对共生菌的依赖，而SAD需更高氨基酸输入（5 mmol/gdw/day）。这一差异解释了DAD在DCM富集培养物（DCME）中的优势。

与产甲烷菌的竞争与合作

CF脱氯抑制产甲烷菌，但DCM矿化产生的过量H₂需产甲烷菌消耗以维持低H₂浓度（<6 μmol/瓶）。这种动态互作凸显了微生物群落对污染修复的协同调控。

应用前景与未解之谜

研究为卤代烃污染场地的菌剂设计提供指导，如优先投加DAD菌株处理DCM主导污染。但RDase酶动力学（K_s和μ_max）差异、RdhC亚基功能等仍需进一步解析。