化学自养型固氮微生物代谢模型构建及其在氮循环中的生态意义

（推荐语）本研究创新性地构建了9种化学自养型固氮菌（CFM-CNF）的生化代谢模型，通过平衡电子传递（Rd/Ra）与能量流动（Rn/Rc），首次系统量化了硫氧化菌（SO）、产甲烷菌（MG）和甲烷氧化菌（MT）等微生物的固氮（N2 fixation）效率与生物量产出，揭示了O2作为电子受体时最高效的固氮机制，为理解沉积物中氮循环的微生物驱动机制提供了理论框架。

　　

代谢生化模型构建背景

氮气（N₂）固定是全球氮循环的关键环节，但针对化学自养型固氮微生物（如硫氧化菌、产甲烷菌和甲烷氧化菌）的代谢模型研究长期缺失。传统模型多聚焦于异养型和光自养型固氮菌，而沉积物等复杂环境中化学自养菌的固氮机制尚不明确。本研究通过构建细胞通量模型（CFM-CNF），填补了这一空白。

模型设计与反应体系

研究整合了四类核心生化反应：电子供体反应（Rd）、电子受体反应（Ra）、固氮反应（Rn）和生物合成反应（Rc）。以硫化氢氧化为例（方程2），其与O₂、NO₃^?或Fe³⁺的还原耦合，形成不同代谢路径。产甲烷菌则通过乙酸（方程3）或H₂（方程4）氧化驱动固氮。甲烷氧化菌的模型特别关注了四种电子受体（O₂、NO₃^?、Fe³⁺、SO₄^2?）对固氮效率的影响。

电子分配与能量权衡

模型显示，好氧甲烷氧化菌（MT-O₂）将45.6%的电子用于生物合成（Rc），9.1%用于固氮（Rn），其固氮效率达11.41 mmol N₂/mol e^?，显著高于硫酸盐还原型甲烷氧化菌（MT-SO₄^2?，仅0.638 mmol N₂/mol e^?）。这种差异源于O₂还原释放的能量（ΔG^0′=-78.72 kJ/e^? eq）远高于SO₄^2?还原（ΔG^0′=20.85 kJ/e^? eq）。

环境因子调控

pH和温度显著影响固氮效率。多数模型中，碱性环境（高pH）促进反应正向进行，而MT-SO₄^2?在低pH下活性更高。温度升高通过降低活化能普遍提升固氮速率，这与Le Chatelier原理一致。

生态意义与验证

模型预测与野外观察高度吻合：如冷泉沉积物中硫酸盐还原菌的固氮活性，以及湿地好氧甲烷氧化菌的¹⁵N同位素证据。研究还指出，产甲烷菌（H₂型）的固氮效率（4.631 mmol N₂/mol e^?）是乙酸型（1.027 mmol N₂/mol e^?）的4.5倍，解释了为何H₂添加能显著提升湿地氮酶活性。

模型比较与创新

相较于传统Monod动力学或全基因组代谢网络，CFM-CNF模型在机制性与实用性间取得平衡。其通过电子分配系数（f_e/f_s）量化能量流向，避免了复杂参数约束，为预测不同氧化还原条件下的微生物固氮潜力提供了普适工具。

未来方向

研究建议结合深度分辨的宏转录组数据验证模型预测的微生物分层分布，例如硝酸盐还原菌在沉积物表层的优势。此外，动态模型开发将有助于解析季节性环境波动对固氮菌群落的影响。