《Environmental Microbiology Reports》：Volatile Emissions From Diverse Estuarine Bacteria Share Core Compounds With a Subset of Strain-Specific, Low Abundance Compounds
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生物源挥发性有机化合物（biogenic volatile organic compounds，BVOCs）是能够影响大气化学、养分循环及物种相互作用的气体，然而异养海洋细菌对海洋BVOC排放的贡献仍缺乏定量约束。此外，挥发组（volatilom
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生物源挥发性有机化合物（biogenic volatile organic compounds，BVOCs）是能够影响大气化学、养分循环及物种相互作用的气体，然而异养海洋细菌对海洋BVOC排放的贡献仍缺乏定量约束。此外，挥发组（volatilome）与细菌系统发育之间的关联程度尚属未知。本研究利用质子转移反应飞行时间质谱（Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry，PTR-ToF-MS），在标准化生长条件下对分离自波罗的海表层水的16株异养细菌菌株（涵盖α变形菌纲Alphaproteobacteria、γ变形菌纲Gammaproteobacteria、β变形菌纲Betaproteobacteria、拟杆菌门Bacteroidota和放线菌纲Actinomycetes）的顶空BVOCs进行了定量分析。研究鉴定出一个广泛重叠的细菌挥发组，其化合物组成和相对丰度在众多菌株间高度相似，且与系统发育无关。具体而言，大多数菌株共享一组核心化合物，并伴随少量菌株特异性的低丰度化合物。丙酮（acetone）占多数挥发组排放量的50%以上，其余排放部分主要由其他低分子量含氧有机物构成。值得注意的是，有两株菌表现出菌株特异性的排放模式，其排放速率和化合物组成均显著偏离群体水平。综上，这些发现表明海洋异养细菌可能向海洋–大气界面贡献一套广泛保守的BVOC集合，凸显了它们作为海洋生态系统中痕量气体广谱来源的重要角色。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
生物源挥发性有机化合物（biogenic volatile organic compounds，BVOCs）是一类分子量小于300 Da、蒸气压较高、易于在水和空气中扩散的含碳化合物。BVOCs由多种生物合成途径产生，包括初级代谢、次级代谢、发酵、硫代谢、脂肪酸生物合成和萜烯合成等。BVOCs向大气的排放对碳循环以及区域和全球气候具有重要影响：其氧化可形成二次有机气溶胶，影响大气氧化能力，并改变温室气体的寿命。
以往研究已大量报道浮游植物产生碳氢化合物和有机硫化合物的能力，但异养细菌在这类化合物及其他BVOC产生中的作用了解甚少。细菌是海洋水体碳循环的主要驱动者，然而关于其所产生BVOCs的种类和丰度的信息十分匮乏。近期研究从日本沿岸水域的细菌群落中检测到乙醛、丙酮及包括二甲硫醚（dimethyl sulphide，DMS）和甲硫醇（methanethiol，MeSH）在内的四种含硫化合物。少数先前研究也确认了海洋异养细菌产生丙酮、DMS和MeSH以及甲基卤化物，但尚无研究报告海洋细菌产生的总BVOC组成，即挥发组（volatilome）。因此，细菌对海洋BVOC排放的整体贡献仍未得到充分认识。
此外，海洋细菌群落包含具有不同代谢特征和资源偏好的种群，它们以不同方式同化和转化有机物（包括BVOCs）。种群可能对特定化合物的循环产生不同影响，但海洋细菌种群是否排放特征性BVOCs以及挥发组是否与群落组成动态相关联仍属未知。两项先前研究表明微生物BVOC组成部分受系统发育结构影响，分类学可解释放线菌BVOC组成变异的34%–52%，以及约12%的细菌和真菌BVOCs表现出显著系统发育信号。然而，两项研究中微生物挥发组的大部分变异并不能归因于系统发育亲缘关系。在其他研究中，细菌挥发组是动态变化的，菌株特异性变异受环境条件强烈影响。因此，系统发育与挥发组之间的耦合关系尚不明确，尤其对海洋细菌而言。这一信息对于识别调控微生物BVOC排放的驱动因素以及对BVOC动态的生态学理解至关重要。
现有海洋BVOC研究主要集中于异戊二烯、DMS及其前体以及甲醇、乙醛和丙酮等特定含氧BVOC。超过3500种微生物BVOC已在多样化的陆地和人为环境中以及实验室培养条件下被直接测量，反映了微生物排放的广泛多样性，但针对海洋微生物BVOC化学多样性的研究甚少。此外，群落水平与个体水平排放的解耦仍是原位BVOC测量的重大挑战，群落平均测量可能掩盖菌株特异性对BVOC通量的贡献。大多数研究也未区分浮游植物与异养细菌的BVOC排放。总体而言，仅有少数研究单独调查了海洋细菌的BVOC排放，且所有研究均聚焦于单一化合物或少数系统发育相近的菌株。迄今为止，尚无研究跨不同系统发育谱系表征海洋细菌挥发组，或使用针对低分子量含氧有机物优化的高灵敏度方法（如PTR-ToF-MS）。
基于上述空白，本研究旨在通过表征波罗的海16株系统发育多样的异养细菌的挥发组，探究菌株系统发育与其挥发组之间的模式关联。研究人员在保持除基因组变异外的所有因素（营养条件、生长阶段、与其他物种的邻近性）恒定的条件下，比较近缘和远缘菌株的挥发组，以研究排放模式是否沿进化谱系保守，抑或挥发组反映菌株特异性适应。
二、研究设计与技术方法
研究人员从波罗的海Landsort Deep站（BY31；58°35′N，18°14′E）3米深度表层水样中分离获得16株细菌菌株，涵盖α变形菌纲、γ变形菌纲、β变形菌纲、拟杆菌门和放线菌纲。菌株在Zobell海洋培养基（盐度16–17）中培养后，转移至以葡萄糖为唯一碳源的M9最小培养基中生长至指数中期进行BVOC采样。BVOC测量采用质子转移反应飞行时间质谱（PTR-ToF-MS，IONICON Analytik 1000 ultra），以H3O+为试剂离子，在m/z 17–239范围内以0.25 Hz频率实时监测。原始数据经PTRwid软件处理，离子计数转换为体积混合比（ppbv），进而计算排放速率（nmol cell?1 h?1）。系统发育分析基于16S rRNA基因序列比对和BIONJ算法构建距离系统发育树。核心挥发组分析依据m/z在≥80%菌株中的检出频率及丰度阈值进行界定。统计分析采用Kruskal–Wallis检验、Dunn检验、方差分析（ANOVA）、主成分分析（PCA）及线性混合效应模型（LMM）等方法。
三、研究结果
3.1 总BVOC排放速率存在显著菌株间差异，但与系统发育无关
16株菌共鉴定出268个独特m/z。菌株间总BVOC排放速率（nmol cell?1 h?1）存在显著差异（p < 0.001；Kruskal–Wallis检验）。BAL129排放速率最高（4.7 ± 1.2 × 10?6 nmol cell?1 h?1），BAL96次之（2.5 ± 0.4 × 10?6 nmol cell?1 h?1），而BAL167和BAL268排放最低（分别为5.5 ± 0.5 × 10?8和5.6 ± 0.5 × 10?8 nmol cell?1 h?1）。按门/纲分组后，总排放速率无显著差异（p = 0.682；Kruskal–Wallis检验）。16S rRNA核苷酸序列完全相同的菌株BAL228和BAL217在总排放速率上无显著差异（p = 0.509；Dunn检验）。
3.2 丙酮是多数菌株最丰富的排放物，核心挥发组由共同且高丰度化合物构成
各菌株10种最丰富m/z的相对丰度分析显示，丙酮占多数菌株总丰度的30.5%–76.2%，平均占比50.2%。其他普遍存在的化合物包括甲醛（平均3.2%）、甲醇（平均6.9%）和烯基片段（平均5.9%）。BAL129和BAL79以乙醛和乙醇贡献最高（BAL129中乙醛占36.5%、乙醇占37.2%），BAL65以乙醛占比最高（64.6%），而BAL213的排放分散在多个低丰度m/z信号中。全挥发组中，26个m/z在≥80%菌株中被检出，被归类为共同挥发组。其中仅5个共同m/z位列排放前5%：丙酮、甲醇、烯基片段、m/z 87.078（C5H10O）和m/z 101.092（C6H12O）。乙醛和乙醇因总排放速率位列第99百分位也被归为核心化合物。
3.3 菌株特异性m/z均为低丰度化合物
各菌株检出42至182个不同m/z，菌株产生的m/z数量与系统发育无关（p > 0.5；ANOVA）。8株菌（BAL96、BAL267、BAL129、BAL207、BAL228、BAL217、BAL248、BAL213）排放菌株特异性m/z，这些m/z均处于总排放量的最低0.01%以下。唯一例外是m/z 83.085（C6H10H+），它占BAL213排放量的0.9%，是该菌株第21丰富的化合物。
3.4 挥发组不随系统发育聚类，但菌株间差异显著
主成分分析（PCA）显示前两个主成分（PC1和PC2）共解释42.0%的总方差。菌株在PC1（p = 0.636）或PC2（p = 0.740）上均不按系统发育聚类（LMM检验），但PC1和PC2均随菌株显著变化（p < 0.001；LM检验）。拟杆菌门和γ变形菌纲菌株占据得分图中心，与部分α变形菌纲和放线菌纲菌株的挥发组相似；BAL129（α变形菌纲）和BAL213（放线菌纲）明显偏离。序列完全相同的BAL228和BAL217在PC1（p = 0.080）和PC2（p = 0.161）上无显著差异。载荷分析表明，最丰富m/z与其余m/z对PC1和PC2的贡献无显著差异（p = 0.075；置换检验）。
3.5 菌株间共享m/z数量与系统发育关联有限
菌株间共享m/z数量的成对比较显示，序列完全相同的γ变形菌纲菌株BAL228和BAL217共享最多m/z（127个）。BAL129、BAL235和BAL115与所有其他菌株的共享m/z数量持续偏低，而BAL213、BAL96、BAL167和BAL217与多个其他菌株共享较多m/z特征。
四、讨论与结论
讨论部分总结： 本研究表明16株系统发育多样的波罗的海菌株排放丰富的BVOC混合物，包含一组核心化合物，但大多数检出的m/z为菌株特异性低丰度化合物。排放模式不反映系统发育关系（除序列相同菌株外），表明进化亲缘关系并非挥发组结构的主要驱动因素。丙酮作为最丰富的细菌BVOC，其高排放速率在本研究及他人研究中均被观察到，提示细菌丙酮产生应纳入海洋丙酮循环模型和气候系统考量。乙醛、乙醇和甲醇等低分子量含氧有机物在海洋生态系统中广泛存在，可源自细菌代谢。研究中未检出含硫化合物（如DMS和MeSH），可能归因于最小培养基缺乏含硫前体和指数期采样的时间限制。共同挥发组的存在表明，细菌在活跃生长阶段通过糖酵解及丙酮酸和乙酰辅酶A下游保守代谢途径排放共同代谢终产物。BAL129（与土壤细菌Sphingomonas ginsenosidimutans 16S rRNA一致）和BAL213（与Williamsia sp. strain A155一致）表现出显著偏离的挥发组，提示特定属可能对生态系统尺度BVOC排放产生不成比例的影响。序列相同菌株BAL228和BAL217的挥发组并不完全相同，与先前研究中相同Streptomyces分离株排放不同菌株特异性挥发组的发现一致，表明挥发组分析可能提供比16S rRNA测序更精细的菌株水平分辨率。
结论翻译： 利用实时PTR-ToF-MS挥发组学技术，研究人员证明来自波罗的海表层水的系统发育多样的异养细菌排放化学复杂的BVOC混合物，其中包含核心挥发组并伴随菌株特异性分化。研究结果支持一种基于性状的观点，即菌株水平生理学和底物可利用性对挥发组结构的贡献大于系统发育亲缘关系。这对海洋BVOC预算中细菌贡献的表征具有启示意义，因为异养细菌排放仍被极大忽视于海洋BVOC循环建模中。后续研究应超越指数生长期和单一底物条件，测试不同生长阶段、多样化碳源以及可研究相互作用的混合群落。此外，未来研究菌株特异性BVOC消耗是量化细菌对海水BVOC排放净效应的前提。尽管如此，研究结果表明海洋异养细菌排放具有共享核心化合物的菌株特异性挥发组，支持将丰富化合物和细菌性状变异纳入海洋微生物模型、BVOC预算和通量估算的必要性。
