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大气微量气体的微生物氧化 精选

已有 4029 次阅读 2023-3-12 08:40 |系统分类:科研笔记

  这是一篇关于利用氧化大气微量气体存活的微生物相关的综述。我们重点需要学习掌握的知识是,依靠空气中痕量氢气生存的细菌是地球整个生态系统的最基础部分,可以说没有这种靠吃氢气续命的大量细菌,无法维持微生态系统,没有微生态就不会有健康的生态系统,也就意味着地球生物难以维持生存。地球大气中氢气含量为531ppb,或0.531ppm,这是及其稀少的浓度,许多检测方法都无法检测到。但是整个地球上微生物每年竟然消耗Tg级别,T是万亿数量级,这是不能忽视的规模,意味着能产生大量能量和更大量的有机物。

我们一般对氧气二氧化碳的生命地位比较重视,但是可能空气中及其稀少的还原性气体对于地球生态环境的地位更重要。氢气是地球生命进化的基础,可以说没有氢气就没有地球生命。而根据最新研究发现,目前地球大气中的痕量氢气仍然一直维持着地球生态系统的基础,是地球生命维持的根本。所以可以说,没有氢气就没有生态系统。氢气对生命来说,是全方位呵护。

如果一定要人类感谢一个物质,氢气就是我们首先要选择的。

阅读本文让我们自己了解几个概念,关于代谢氢气等空气中痕量气体的细菌,是一个非常新的研究领域,过去人们对这些细菌很不了解,甚至今天都不清楚这些细菌如何利用这些含量非常低的气体存活。但是有一些信息很重要,这些细菌可能是地球生态系统的最底层,也是最基础的组成。也就是说,没有这些代谢氢气的细菌,我们今天的地球生态系统可能会走向崩溃。这并不是危言耸听。因此了解这方面信息是每个对生物医学相关领域有兴趣的读者都应该了解的新进展。

大气还原气体是地球生态的基础因素综述.pdf

Greening C, Grinter R. Microbial oxidation of atmospheric trace gases. Nat Rev Microbiol. 2022 Sep;20(9):513-528. doi: 10.1038/s41579-022-00724-x. Epub 2022 Apr 12. PMID: 35414013.

大气最近被认为是维持生命的主要能源。多种需氧细菌氧化大气中三种最丰富的还原痕量气体,即氢(H2)、一氧化碳 CO) 和甲烷 (CH4).本文综述了这些大气痕量气体微生物氧化的分类分布、生理作用和生化基础,以及这一过程在生态、环境、医学和天体生物学方面的重要性。大多数土壤细菌和一些古菌可以通过使用大气中的H2和一氧化碳作为替代能源,如分枝杆菌细胞和链霉菌孢子的遗传研究所示。某些专业细菌也可以仅在空气中生长,正如Methylocapsa gorgona的标志性特征所证实的那样,Methylocapsa gorgona通过同时消耗大气CH来生长4 H2细菌使用金属酶的高亲和力谱系,即氢化酶、一氧化碳脱氢酶和甲烷单加氧酶,利用大气中的痕量气体进行有氧呼吸和固碳。更广泛地说,痕量气体氧化菌增强了土壤和海洋生态系统的生物多样性和复原力,在南极沙漠土壤等极端环境中推动了初级生产力,并通过减少温室气体和有毒污染物的人为排放来提供关键的监管服务。

大气作为氧气的主要来源对生命至关重要(O2) 用于有氧呼吸,氮气 (N2) 用于固氮和二氧化碳 (CO2) 用于初级生产。然而,直到过去十年,大气才被认为是支持不同生态系统的重要能源。由于自然资源和人为排放,大气中存在各种痕量气体这些气体中最丰富的是氢气(H2)、一氧化碳 CO) 和甲烷 (CH4),其全球平均混合比例分别为十亿分之 531、90 和 1,857各种土壤微生物已经进化出高亲和力酶来消耗这些气体以支持有氧呼吸,有时还支持碳固定。它们加起来占大约 75%  的H2净消耗量, 15% 一氧化碳和 4% CH4每年都从大气中消失。因此,它们通过减少气候活性和有毒气体的排放,执行一项主要但经常被忽视的生态系统调节服务。表1总结了控制这三种气体全球生物地球化学循环的各种来源和汇。

 

虽然大气痕量气体氧化的生物地球化学重要性已得到广泛认可,但直到最近才重视这一过程的生态重要性。这反映了介导痕量气体氧化的微生物和酶以及该过程的生理作用仍然难以捉摸。人们错误地认为无细胞(“abiontic”)酶主要介导大气中的H2氧化,而氨和甲烷单加氧酶联合作用是大气中CO氧化的原因大多数传统的寻找痕量气体氧化代谢微生物,一般是通过使用含有高水平H2(能源)的选择性培养基来分离(含二氧化碳)和CO(碳源)这种方法只能获得低亲和力的氢营养菌和羧酸碳营养菌因为这种培养环境适合这些细菌的生长,由于地质或生物过程,这些微生物能在高浓度的环境中生长。这一错误导致人们一直认为微生物在自然大气浓度下无法有效地使用这些痕量气体。 

不过,近年来研究发现许多细菌可以消耗大气中的痕量气体这种细菌的高亲和力吸收动力学与整个土壤在体外和原位上相当,这表明它们解释了这些气体的土壤消耗与此同时,在识别和表征氧化大气CH4嗜甲烷菌方面也取得了很大进展。

该领域的突破是认识到高亲和力痕量气体氧化菌采用混合营养(杂食性微生物?)的生活方式。大多数不是在单一气体上生长,而是在生长或生存过程中将大气痕量气体与其他有机和/或无机能源共同氧化。主要研究表明,经过充分研究的有机异养分离株,如包皮分枝杆菌 芸香属 阿维米蒂利链霉菌热微生物玫瑰,都使用大气H2/或 CO 存活当仅限于有机生长基质时。如前所述,这些痕量气体是微生物长期生存的高度可靠的能源,因为它们在大气或高浓度下无处不在,无需主动运输即可轻松扩散到细胞中,可以被专门的金属酶氧化,过电位最小,当用作电子供体时会产生大量能量用于有氧呼吸。最近,某些细菌已被证明是通过与其他化合物共同氧化痕量气体而生长的。这在新的分离物Methylocapsa gorgona中得到了最好的反映,它通过同时共氧化大气CH4 H2和一氧化碳在空气中生长

微生物可以“生活在空气中”的发现重新定义了对生命的最低要求,并具有广泛的影响。越来越多的证据表明,微量气体氧化菌在全球土壤中丰富、多样且活跃,并且是极地和沙漠土壤等极端环境中的主要初级生产者此外,这些细菌存在于曝气水生生态系统中、与动植物相关的社区和建筑环境本文综述了目前对大气微量气体氧化微生物介质、生化基础、生理作用和生态系统后果的认识,并确定了这一新领域的前瞻性研究方向。我们专注于三种最丰富的还原大气气体,H2CO 和 CH4,尽管如方框1所述,微生物也可以氧化各种其他大气中的痕量气体和挥发性有机化合物(例如异戊二烯和羰基硫化物(COS))。

 

专栏1 其他被微生物氧化的痕量气体

本文主要研究大气氢(H2)、一氧化碳 CO) 和甲烷 (CH4),因为这些是迄今为止大气中最丰富的还原气体。然而,微生物可以使用各种其他大气痕量气体和挥发性有机化合物作为电子供体这种气体通常只有微量(通常为万亿分之一),尽管由于生物来源(例如,沿海海水中的有机硫化合物,如二甲基硫醚),它们可能会局部升高。或人为生产(例如,城市环境中的卤烃,如氯甲烷)异戊二烯作为最丰富的生物挥发性化合物和与气候相关的气体尤其引人注目。它每年主要通过植被大量排放到大气中(约500 Tg),并且通常达到十亿分之一的体积水平,尽管其高反应性意味着它被迅速化学氧化。土壤微生物还充当异戊二烯的净汇,每年始终如一地消耗大气中损失的异戊二烯的约4%异戊二烯降解细菌似乎广泛存在于土壤、河口和叶层中。已经分离出各种放线杆菌和变形杆菌,它们以高浓度的异戊二烯作为其唯一的能量和碳源生长这取决于异戊二烯单加氧酶的活性,其激活异戊二烯为1,2-环氧异戊二烯,以及几种下游酶然而,迄今为止,还没有微生物报告使用大气中这种气体的水平。最近的一篇综述详细介绍了目前对异戊二烯循环的生物化学、生理学和生态学的理解微生物也调节其他气体的水平。例如,土壤是羰基硫化物(COS)的主要汇,并且已经分离出分枝杆菌,即使在环境浓度(体积为万亿分之530)下也会消耗这种气体同样,越来越多的证据表明氯甲烷的土壤汇然而,我们缺乏对哪些微生物使用这些气体以及它们如何以及为什么这样做的系统了解。鉴于这些浓度如此之低,这些痕量气体可能与许多其他化合物一起消耗,作为混合营养生长和生存策略的一部分。

 

一、微量气体氧化

痕量气体氧化在分类学、生理学和生态学上具有高度多样性。大气H2CO氧化的遗传决定因素分别由至少22个和17个不同的门编码,包括全球土壤和海洋中的主要门如补充表1所示,实验证明来自9门和17属的细菌分离株消耗大气H2它们包括曾经被认为仅限于氧化亚硝酸盐CH4复杂有机化合物的各种细菌大气中的一氧化碳氧化菌至少隶属于4个门和18个属,包括来自土壤、海洋和地热地区的各种细菌分离物(见补充表1)。重要的是,这种性状还延伸到从盐湖中分离出的多种嗜盐古菌相比之下,大气CH4氧化似乎具有狭窄的分类分布。这种性状已经在几个变形杆菌属中实验观察到,特别是Methylocapsa(高地土壤簇-α(USCα)),未栽培的伽马细菌谱系UBA7966(USCγ)和甲基孢子虫,也由甲基球藻介导和甲基微生物在高甲醇浓度下。最近确定的候选属Methylotropicum(热带高地土壤簇(TUSC))在Gemmatimonadota门内也可能使用大气CH4通过调动相对排他性的基质,大气CH4氧化菌是广泛的社区成员,发挥着关键的生物地球化学和生态作用如方框2所述,一些人类、动物和植物病原体也可消耗H2以及潜在的大气浓度下的一氧化碳

三种酶([NiFe]氢化酶、钼依赖性一氧化碳脱氢酶(Mo-CODH)和颗粒甲烷单加氧酶(pMMO)的高亲和力谱系催化大气H2CO 和 CH4的氧化基因组、遗传和生化证据表明,这些酶负责不同分离物中的痕量气体氧化,共同维持土壤元素的沉积。这三种酶都是多亚基金属蛋白,需要几个结构、辅助和成熟基因才能组装和成熟。这些高亲和力酶(KM 应用程序< 150 nM)也有低亲和力亲属(KM 应用程序> 500 nM),在微量气体水平升高时维持氢营养菌,羧养菌和嗜甲烷菌的生长这些酶的高亲和力和低亲和力谱系之间的系统发育关系在图中可视化。虽然这种描述很有帮助,但应注意两个注意事项。首先,迄今为止还没有成功纯化出可以氧化大气浓度级别H2CO 或 CH4的酶相反,大多数动力学测量来自纯培养物或整个环境样品(能够测量表观但不是真正的酶亲和力)。其次,基于培养和生态系统规模的研究越来越多的证据表明,事实上,对大气痕量气体的亲和力是连续的。

图片4.png 1:负责微量气体氧化的酶谱系。

 

催化第1组和第2组[NiFe]-氢化酶(包括HhyL,HucL,HyoL和HylL)的大亚基的系统发育树(a部分),钼依赖性一氧化碳脱氢酶的催化大亚基(Mo-CODH;CoxL)(b部分)和颗粒甲烷单加氧酶(pMMO;PmoA)(c部分)。推断阴影分支可氧化大气中的痕量气体以获取氢气(H2)、一氧化碳 CO) 和甲烷 (CH4)(即,通常为高亲和力或中等亲和力),本文中未着色的进化枝适于使用来自生物、地质或人为来源的这些气体的升高水平(即,通常为低亲和力)。通过最大似然法构建的树是中点根的,并且通过 50 个重复进行自举。按亚组(1a-1k,2a,2e)标记的氢化酶,亚组1f(Hyo),1h(Hhy),1l(Hyl)和2a(Huc)显示介导大气H2氧化。尽管这些氢化酶谱系通常具有高亲和力,但对于Cupravidus necator中表征良好的Hhy酶来说,情况并非如此。Mo-CODHs按分支划分,即放线菌(A)、盐杆菌(H)、变形杆菌(P)、混合1(M1)和混合2(M2)分支。pMMO的高亲和力高亲和力高地土壤簇α(USCα)、USCγ和甲基孢子虫谱系也得到了强调。TUSC,热带高地土壤簇。

 

大气H2氧化似乎在几个场合独立进化。系统发育分析一致地表明,适应环境条件的 [NiFe]-氢化酶的至少四个高亲和力、对氧不敏感的氢化酶亚群是从介导缺氧生长的更深分支的低亲和力、氧敏感氢化酶祖先进化而来的,H 2-丰富的环境(图。这些1h,1a,2f和1l [NiFe]-氢化酶组,分别命名为Hhy,Huc,Hyo和Hyl,每个都非常遥远(大约1-25%的序列同一性),并且在遗传组织上存在显着差异。虽然为什么高亲和力氢化酶多次进化还有待解决,但这些酶似乎在细菌生长和存活方面具有不同的功能。例如,如下所述,包皮分枝杆菌编码的Hhy和Huc酶在动力学特征,表达谱和整合到呼吸链中有所不同高亲和力氢化酶的四个亚群似乎已广泛水平播散到不同的细菌门相比之下,大气中的一氧化碳似乎是Mo-CODH的一般和祖先特征。编码Mo-CODHs的大气CO氧化菌跨越所有五个主要的系统发育分支(图1b;见补充表1)。此外,即使是羧酸菌,如Afipia carboxidovorans(以前称为Oligotropha carboxidovorans)和Carbonactinospora thermoautoautotrophica(以前称为Streptomyces thermoautotrophicus)也可以氧化大气中的CO然而,细菌似乎已经通过尚未解决的机制调节了其Mo-CODH的动力学,这取决于它们所接触的一氧化碳水平例如,土壤异养菌Aminobacter sp. COX1表达高得多的亲和力酶(KM 应用程序= 12 nM)比废水自养菌A.碳氧化物KM 应用程序= 640 nM)关于大气CH4氧化、高亲和力的pMMO谱系已经在α变形杆菌和γ马细菌嗜甲烷菌中进化,可能来自低亲和力的祖先。与Mo-CODH类似,pMMO的高亲和力和低亲和力变体之间存在相对较小的序列差异

专栏2 病原体中的痕量气体氧化

需要深入研究才能充分了解最近发现的微生物清除大气痕量气体的医学重要性。虽然大多数痕量气体氧化菌介导重要的生态系统服务,但一些人类、动物和植物病原体也可能在其生命周期中使用痕量气体。例如,牲畜病原体霍格红球菌(以前称为马刺红球菌)和植物病原体疥疮链霉菌(马铃薯黑星病)都消耗氢气这一过程可能有助于发病机制,但更有可能使机会性病原体在环境库中持续存在正如最近审查的那样,许多其他病原体需要 H2维持毒力,例如幽门螺杆菌和肠道沙门氏菌血清沙门氏菌鼠伤寒亚种,尽管它们使用适应胃肠道发酵过程中产生水平 H2 的低亲和力氢化酶

毁灭性的人类病原体结核分枝杆菌保留了其环境祖先的钼依赖性一氧化碳脱氢酶(Mo-CODH),但失去了氢化酶这里强度失去说明结核杆菌本来有氢化酶。人们很容易推测,一氧化碳(CO)可能是一种关键的能量来源,使这种臭名昭著的持久性细菌能够逃避营养免疫。这种病原体持续暴露于来自三个主要来源的一氧化碳:环境和污染的空气、香烟烟雾和宿主巨噬细胞血红素加氧酶 1有一些证据表明这种细菌消耗一氧化碳,包括在痕量浓度下,尽管这种酶的生化活性和生理作用仍有待明确证明

 

二、生理作用和整合

2.1 在生存中的作用

在自然界中,大气H2一氧化碳似乎主要由休眠细菌清除,以满足长期生存期间的维持能量需求。当限制其生长基质时各种需氧有机异养细菌的培养物表达和利用其[NiFe]-氢化酶Mo-CODH。这表明这些细菌从在有机化合物上生长转变为使用痕量气体存活,通常与其他外源基质和碳储备一起生存。荧光显微镜显示, S. avermitilis氧化菌Hhy转录本仅在大气H2的孢子中表达缺乏编码这种氢化酶的结构基因的突变菌株的孢子活力降低了76%在非孢子放线杆菌包皮分枝杆菌中也取得了类似的发现(图2a. 在饥饿期间,这种细菌表达编码Hhy,Huc和Mo-CODH的基因以消耗大气中的H2 CO 作为有氧呼吸的电子供体缺乏这些基因的菌株在批量培养和连续培养中的活力都严重降低理论计算一致表明,大气H2CO氧化可以一起维持每克土壤107–108细胞数的维护要求鉴于维持能量计算偏向于适应复制营养环境的快速生长细菌,这可能被低估

图片5.png 

图2:微量气体氧化对细菌生长和存活过程中节能和碳同化过程的贡献。

包皮分枝杆菌的简化呼吸链,显示大气氢(H2)和Huc,Hhy和钼依赖性一氧化碳脱氢酶(Mo-CODH)的一氧化碳(CO)支持饥饿和缺氧期间的存活。在从生长到持久性的过渡过程中,Huc产生甲萘喹醇,其仅被细胞色素bcc-aa氧化3氧化酶复合物,产生质子动力。在长时间的有机碳饥饿期间,Hhy和Mo-CODH产生喹醇,其被细胞色素bcc-aa氧化3氧化酶复合物或细胞色素BD氧化酶。在缺氧期间,Hyh通过产生H2通过氧化NADH。缺氧时,内源性或外源性产生 H2可被Huc或Hhy氧化,生成甲萘喹醇,甲萘喹醇被高亲和力细胞色素bd氧化酶利用痕量氧氧化(O2)、使用富马酸盐的琥珀酸脱氢酶/富马酸还原酶,以及使用NO的硝酸盐还原酶3−取决于每个电子受体的可用性。为简单起见,未显示几种呼吸还原酶。莫斯科亚硝基螺旋体呼吸链的简化表示,显示了大气H的氧化过程2Huc 支持亚硝酸盐充满条件下的生长和亚硝酸盐消耗条件下的存活。被Huc还原的甲萘醌被I型NADH脱氢酶利用,通过反向电子流产生NADH,从而通过反向三羧酸(rTCA)循环实现碳固定。c |Methylocapsa gorgona呼吸链的简化表示,显示了大气H如何同时氧化2、一氧化碳和甲烷(CH4 支持增长。大气H的氧化2Hhy和Mo-CODH的一氧化碳可能会减少醌,然后被质子易位细胞色素bc氧化1复合物和细胞色素 AA3氧化酶。O2-CH的依赖性和喹诺依赖性氧化4通过颗粒甲烷单加氧酶(pMMO)产生甲醇。甲醇被周质甲醇脱氢酶氧化为甲醛,还原可被细胞色素aa再氧化的细胞色素c3氧化酶。甲醛被转运到细胞中并依次氧化成甲酸盐,然后氧化成二氧化碳,产生两个NAD(P)H分子。 或者,甲酸盐通过还原甘氨酸途径和丝氨酸循环掺入生物质中。甲醛活化酶(1)、NAD(P)依赖性亚甲基四氢甲蝶呤脱氢酶(2)、亚甲基四氢甲蝶呤环水解酶(3)和甲酰转移酶/水解酶(4)由于篇幅限制而未抽出。H4MPT,四氢甲蝶呤。TCA,三羧酸。

 

使用变形杆菌对持久性相关的痕量气体氧化进行了类似的观察, 酸杆菌, 绿芥属, 拟杆菌和硝基螺旋体从各种环境中分离出来。例如,在非孢子细菌玫瑰锥虫和远亲孢子虫Thermogemmatispora sp. T2中,Hhy和Mo-CODH仅在有机碳饥饿期间表达和活跃。此外,尽管这两种细菌都隶属于Chloroflexota门,但系统发育分析表明,它们各自的类别独立地水平获得了痕量气体氧化的基因。(图1 尽管甲烷单加氧酶似乎仅限于可以在CH 4上生长的细菌(即嗜甲烷菌),大气CH4可能维持具有足够高亲和力的甲烷单加氧酶的细菌的存活以消耗它。例如,基于全细胞动力学,Methylocystis sp. SC2 组成型表达明显的高亲和力 pMMO 以氧化大气 CH4用于维持并诱导明显的低亲和力 pMMO 在 CH 4升高的环境中生长可用性(图1c. 类似地,羧酸羧激素(如A. carboxidovorans)氧化大气CO的能力意味着即使底物的可用性不足以维持生长,它们也具有恒定的能量供应。总体而言,这些一致的观察结果和痕量气体氧化基因的快速传播表明,痕量气体氧化是一种通用且高度可靠的长期生存策略。

控制大气痕量气体氧化的调节剂仅在包皮分枝杆菌中进行了研究。这种细菌在限制生长所需的有机碳或氧时表达Huc,Hhy和Mo-CODH;Huc在生长和持久性之间的过渡期间产生并活跃,而Hhy活性在长期持久性期间达到峰值.这取决于错综复杂的监管机构网络,其中两个已经确定。包皮分枝杆菌使用传感器(例如甘油诱导的GylR)直接感应有机碳水平,导致分解代谢抑制编码Huc的操纵子在生长过程中由尚未确定的响应调节剂抑制此外,细菌感知O2以及使用组氨酸激酶DosS和DosT的氧化还原水平;当低电平时,响应调节因子DosR被激活,它上调大约50个基因的表达,包括编码Hhy和H2的操纵子产生发酵氢化酶通过这些优雅的机制,分枝杆菌将生长底物的可用性与长期生存所需的酶的生产直接联系起来(图2a其他分解代谢物传感和氧化还原传感系统可能控制其他物种中的痕量气体氧化,并且已知控制低亲和力氢营养生物(例如,Cupravidus necator;以前称为Ralstonia eutropha)

2.2 在混合营养生长中的作用

很明显,很多细菌可以使用痕量气体混合营养生长。痕量气体氧化的细胞特异性速率通常太低,细菌无法在 H2 和一氧化碳CO 或 CH4作为唯一的能源和碳来源上生长理论上讲,对于栖息在森林土壤中的高活性产甲烷菌以及极地沙漠中一些能量需求低的细菌来说,大气痕量气体的生长是可能非常缓慢的然而,这种推断是基于生态系统规模的观察,迄今为止还没有关于可以在纯培养物中大气浓度的单一痕量气体上生长的细菌的报告。2019年,能够“在空气中生长”的细菌被首次报道。Methylocapsa属中的三种细菌,包括来自USCα分支的新型土壤分离M. gorgona,在暴露在空气中的聚碳酸酯过滤器上生长了一年以上M. gorgona显然是通过同时氧化大气CH4H2和一氧化碳来实现这一点的 ,以满足其相对较低的增长能源需求(图2c然而,应该注意的是,所有三种菌株最初都是在升高的CH4上分离的。迄今为止,还没有任何仅使用大气浓度能量源分离出细菌适应土壤环境其他各种嗜甲烷菌很可能通过使用复杂有机物(如醋酸盐)大气痕量气体混合营养。

大气H2可以补充各种其他有机异养生物和岩石自养生物的生长。金黄色单胞菌、绿弹性聚集体和阿拉斯加鞘膜单胞菌分别表达Huc并氧化大气H2在有机异养生长期间这种策略可能会提高它们在碳枯竭环境中的碳利用效率:使用H2合成ATP可以将更多的有机碳分配给合成代谢(生物质形成)而不是分解代谢ATP产生)缺乏Huc的包皮分枝杆菌突变体在氧化碳源乙酸盐和丙酸盐上的生长速度比野生型慢,这两种碳源都需要能量吸收这种特性也延伸到在高潜力基质(如亚硝酸盐、硫化物或亚铁)上岩石自养生长的细菌例如,在充满亚硝酸盐的条件下Nitrospira moscoviensis组成性地氧化大气中的H2促进生长并在亚硝酸盐消耗条件下继续存活通过使用这种无处不在的低电位气体,这种细菌可以主要使用亚硝酸盐衍生电子来支持分解代谢而不是合成代谢,由于需要反向电子流,合成代谢成本很高(图2b 从废水处理厂、温泉、北冰洋和酸性尾矿等不同环境中分离出上述细菌,表明大气痕量气体上的混合营养生长是一种环境广泛的策略。

2.3节能与碳同化过程

源自大气H2CO 和 CH4氧化产生的电子主要用于有氧呼吸。由H2氧化产生的低电位电子(H2→ 2H + 2e+–; Eo= –414 mV) Z和一氧化碳 CO + H2O →二氧化碳+ 2H + 2e+–; Eo= –524 mV)被认为直接转移到呼吸链中。一致地,分馏细胞上的活性测定和蛋白质印迹显示Huc和Hhy与膜的胞质侧相关Mo-CODH也与膜的胞质侧松散地结合,可能是通过预测的跨膜锚CoxG。使用不同抑制剂的呼吸测定研究表明,H2-衍生和CO衍生的电子被转移到甲萘醌池,然后转移到O2;然而,电子是如何从H2中继的尚未解决的和甲萘醌的一氧化碳,以及是否涉及其他氧化还原蛋白这些过程对呼吸解耦器敏感,与产生膜电位的电子转移一致,从而驱动ATP合成

常压痕量气体氧化通常需要O2作为末端电子受体.在分枝杆菌中,Huc仅与质子易位偶联细胞色素基底细胞癌-AA3氧化酶复合物,可能通过形成超配合物,从而最大化每个H2分子易位的质子数量氧化.相比之下,Hhy和Mo-CODH与细胞色素bcc-aa3偶联氧化酶复合物和非质子易位细胞色素BD氧化酶.然而,据报道细菌会氧化H2在亚大气压水平上,使用硝酸盐和富马酸盐作为电子受体包皮分枝杆菌在缺氧下维持氧化还原平衡的主要方法是平衡发酵H2的过程生产,厌氧 H2氧化和好氧H2氧化取决于电子受体的可用性(图)2a CO氧化也可以与硝酸盐和高氯酸盐等电子受体的还原耦合,尽管鉴于氧化发生在较高的阈值浓度下,但大气中的CO是否可能与厌氧电子受体氧化仍有待确定。

一些大气H2预计CO氧化菌会产生CO2还原剂固定。这取决于在消耗质子动力的过程中向复合物I的反向电子流转移(图2b. 由此产生的NADH已被证明支持二氧化碳通过加尔文-本森-巴舍姆循环或反向三羧酸循环固定虽然H2中的一些细菌-丰富的壁龛可以直接耦合H2通过可溶性胞质氢化酶氧化为NAD(P)还原+109,这些酶在大多数大气H2中不存在氧化菌5163— 可能反映了该反应在低 H2下在热力学上不可行浓度。然而,应该指出的是,H2或大气水平下的一氧化碳可以驱动二氧化碳固定在培养物或环境样品中。代谢水是大气H2的胞质副产物氧化(H2+ 1/2O2→ H2O) 并且可以在低水势的环境中维持水合作用通过这种简约的过程,细菌可以同时从“稀薄的空气”中制造细胞能量,碳和水。

多步途径可通过大气CH4实现节能和碳同化作为基材(图2c. 而细菌直接使用大气中的 H2CO作为电子供体,相对惰性的CH4首先在需要还原剂和O2的反应中由pMMO激活然后,衍生的甲醇逐渐氧化成甲醛、甲酸盐和二氧化碳,产生六个可用于有氧呼吸、固碳或 pMMO 反应的电子。大气CH4预计氧化菌还会通过α变形杆菌丝氨酸循环或γ马细菌核酮糖单磷酸途径从甲醛中吸收生物质混合营养的生活方式可能对大气CH4有益氧化菌以平衡CH4的过程基质和氧化菌供应变化中的活化、节能和碳同化

三、生化基础

3.1大气H2氧化

氧化H2[NiFe]氢化酶四种高亲和力氢化酶(Hhy,Huc,Hyl,Hyo)的催化模块包括两个蛋白质亚基(图 3a-i)。大亚基包含[NiFe(CN)2CO]负责H2的催化簇氧化和小亚基包含三个铁硫(FeS)簇,它们依次转移H2-电子受体的衍生电子唯一具有结构特征代表谱系的Hhy中,其中两个原型形成二聚体,并且每个小亚基的末端FeS簇紧密相关,使得每个原型之间的电子转移在理论上是可能的(图3a-iia-iii)。催化簇埋在大型亚单元的内部,由H2通过连接到蛋白质表面的疏水气体通道 H2结合在铁和镍原子之间,进行杂解催化循环,其中质子可能转移到镍配位半胱氨酸之一的硫中,剩余的氢化物在金属原子之间形成桥梁(图 3a-IV )。这种异解循环可以由均解循环补充

 

图片6.png

3:大气氢气、一氧化碳和甲烷氧化的H生化基础

A-I |来自Cupriavidus necator的氧不敏感基团1h [NiFe]-氢化酶Hhy的催化原型结构,显示辅因子和大(HhyL)和小(HhyS)亚基[PDB:5AA5].A-II |由来自C. necator的两个Hhy原型体形成的生理二聚体。指示远端铁硫 (FeS) 原构体簇之间的距离。A-III |[NiFe]催化簇和Hhy的FeS簇与C. necator的相对位置和距离。氢期间的电子流(H2)氧化用箭头表示,未知电子受体底物表示(?A-IV |H的催化机理2Siegbahn和Liao提出的[NiFe]-氢化酶的氧化H2通过异质循环和均解循环进入,分别以绿色和蓝色突出显示。B-I |来自Afipia carboxidovorans的钼依赖性一氧化碳脱氢酶(Mo-CODH)的催化原型结构,显示辅因子和CoxL,CoxM和CoxL亚基[PDB:1N63]B-II |由来自A. carboxidovorans的两种Mo-CODH原型体形成的生理二聚体。B-III |铜-钼蝶呤催化辅因子、两个[2Fe-2S]簇和来自碳苜蓿Mo-CODH分子的相对位置和距离。一氧化碳(CO)氧化过程中的电子流用箭头表示,未知电子受体底物用箭头表示(?B-IV |徐和平雄提出的Mo-CODH催化机理.C-I |来自Methylocystis sp. ATCC 49242的颗粒甲烷单加氧酶(pMMO)的结构,显示PmoA,PmoB和PmoC亚基以及铜结合Cu的位置B和铜C网络 [PDB:4PI0]C-II |生理三聚体由来自甲基孢子虫ATCC 49242的三个pMMO原型体形成。C-III |铜处单个铜离子的配位B和铜C来自甲基孢子虫ATCC 49242的网站。C-IV |彭等人提出的pMMO催化机理综述黄色框箭头缩写了几个催化步骤(有关所提出的机制的完整描述,请参阅Peng等人)。

 

在催化毒物O2的环境水平下这些酶的四个高亲和力谱系如何发挥作用,目前一无所知大多数[NiFe]-氢化酶对氧高度敏感,因为H2与催化中心结合并还原为紧密结合的化学物质(OH−或OOH)耐氧氢化酶的一个亚组,即1d组[NiFe]-氢化酶(Hya),可以在微氧条件下发挥作用,从而支持低亲和力氢营养菌的有氧生长虽然被O2抑制,这些酶已经进化出独特的近端6Cys[4Fe-3S]簇,通过四个电子的反向转移将主要与水结合的物质减少,从而将氢化酶恢复到催化就绪状态相比之下,Hhy,Huc,Hyl和Hyo似乎对氧气不敏感,因为它们在一系列物种的环境条件下发挥最佳功能。和 O2最小抑制纯化的Hhy与Hya等效的再激活机制不太可能,因为它太慢且能量昂贵,无法在环境条件下有效,并且所有四种酶谱系都缺乏结合6Cys[4Fe-3S]簇所需的半胱氨酸残基。一种可能性是这些酶含有较窄的气体通道,阻止O2进入,尽管也会降低 H 2扩散速率,进而减少催化活性与此一致敏感氢化酶气体通道缩小会降低 O2灵敏度和 H2的氧化速率

区分高亲和力和低亲和力[NiFe]-氢化酶的结构特征也仍未解决。这反映了尚未对高亲和力氢化酶进行结构或生化表征。尽管来自C. necatorHhy已在结构上表征,但该酶似乎对H2无论是在整个细胞中还是纯化时,与所有其他特征物种中的Hhy相反(表1)。来自富马里利酸甲酸菌的Hhy是唯一能够氧化大气H2的酶已分离这种酶在全细胞和膜提取物中氧化亚大气压浓度的H2,但研究表明它需要耦合到电子传递链才能以高亲和力运行其他可以增加亲和力的修饰包括重塑催化中心,FeS簇或其配位环境以增强H2捆绑。

3.2大气一氧化碳氧化省略

3.3大气CH4氧化省略

四、痕量大气氧化微生物的生态重要性

4.1土壤生态系统

尽管微生物微量气体氧化的生物地球化学作用已得到充分认可,但这一过程的生态重要性才刚刚开始得到解决。这反映了痕量气体氧化长期以来一直被认为是非生产性过程或局限于稀有生物圈然而,最近对不同土壤的宏基因组调查表明,大多数细菌可以清除痕量气体:摄取氢气的氢化酶主要是HhyMo-CODHs和pMMO的基因编码这些基因存在于每个主要土壤门的宏基因组组装基因组中,但也存在于未培养的候选门中,例如Dormibacterota,Eremiobacterota和Methylomirabilota(图4. 同样,它们涵盖了丰富的通才,如缓根瘤菌属和分枝杆菌属,以及稀有生物圈的众多成员这表明大气H2CO氧化是一种广泛的特征,使细菌能够占据广泛的生态位,而大气CH4氧化是一种狭窄的氧化,使细菌能够在更丰富但相对惰性的底物上茁壮成长。这种推论得到了其他最近的宏基因组研究和培养细菌的基因组调查的支持(图1)。

图片7.png 

4:大气H2CO 和 CH4氧化的中介因素和生态系统重要性。

微量气体的主要来源森林土壤、海水和南极土壤。还显示了门水平的隶属关系和消耗大气氢的细菌的相对丰度(H2)、一氧化碳 CO) 和甲烷 (CH4)在这些基于已发表的宏基因组的生态系统中照片显示了我们工作中具有代表性的野外地点,即马来西亚的热带雨林,新西兰海岸的Munida微生物观测站时间序列和南极洲米尔斯河谷地区的无冰土壤。森林土壤图片由R.G.海洋水域图片提供,由S. Lockwood提供。南极土壤图片由D. Cowan提供。DOC,溶解有机碳;ppbv,十亿分之一(按体积计算)。

 

那么,痕量气体氧化提供了哪些选择性优势呢?土壤中的大多数细菌生活在一系列休眠状态中,有机碳限制被认为是限制它们的主要因素从理论上讲,大多数可以通过持续氧化大气中的痕量气体来无限期地生存。热力学模型表明,大气H2土壤中发生的一氧化碳氧化,从0到30厘米的深度,足以维持所有携带基因的细菌来氧化这些气体一致地,大气H2的相对丰度和细胞特异性速率氧化菌随着养分可用性的降低而增加,例如在干旱梯度上应该注意的是,痕量气体氧化速率可能因细胞而异,尽管单细胞方法不能轻易区分活性,因为H2并且,通常,CO不直接被同化到生物质中(与CH4).大多数休眠细菌可能通过消耗痕量气体以及能量储备和其他外源性化合物来混合生活,这也得到了基于培养的研究的支持。然而,痕量气体氧化是长期维持细菌的最可靠机制。细菌在休眠状态下生存的能力被认为通过增加土壤群落的丰富度但减少更来塑造土壤群落的生物多样性,从而增强关键生态系统功能和服务的复原力。例如,亚硝酸盐氧化细菌和碳、氮和硫循环中的许多其他关键介质在痕量气体中存活的能力可能使它们能够在环境变化的情况下执行关键的调节功能。因此,痕量气体氧化菌的重要性远远超出了它们在调解土壤汇中的作用。

微量气体氧化也有助于土壤生态系统中的细菌生长和初级生产。这在大气CH4中得到了最好的反映氧化菌。通过使用独特的大气基质并采用混合营养生长策略,包含M. gorgonaUSCα分支已成为生境多面手;它已经殖民了世界各地多样化的陆地生态系统,从温带草甸到热带白蚁丘再到永久冻土其他土壤细菌可能通过消耗大气中的H2来介导混合营养生长和有机碳的一氧化碳。根据宏基因组学调查,大约12%的土壤细菌可以使用H2-衍生或CO衍生的电子以同化CO2使用RuBisCO化学合成分支.这些细菌的一个子集可能是岩石自养生物,它们使用低亲和力氢化酶或Mo-CODHs,由于氮固定和光化学反应提供H2,使用某些环境(例如根际)中可用的高气体供应来生长和一氧化碳(图4;表 1)。低亲和力和高亲和力H2的共存土壤中的氧化菌从宏基因组图谱中很明显,H2双相动力学在有机土壤中观察到氧化以及比较升高和环境 H2影响的微观研究的观察结果需要进一步的研究来解决H2的内源性产生和内部循环量一氧化碳发生在土壤生态系统中。

4.2水生生态系统

微量气体氧化菌也存在于海洋水域、海洋沉积物和淡水生态系统中并活跃在海洋表层水中,大约四分之一的细菌细胞含有氧化大气一氧化碳的基因,包括红杆菌科(海洋玫瑰杆菌进化枝)中的丰富多面手(图4. 这些细菌通常暴露于高浓度的 CO,因为有机物的光化学降解会在 DIEL 循环中产生 CO,尽管它们也可以消耗低于大气水平的一氧化碳与土壤生态系统一样,一氧化碳氧化可能主要支持细菌在低营养开阔海洋中的长期生存。基于培养的研究表明,CO不影响R. pomeroyi的生长,尽管这种细菌和近亲在饥饿期间都强烈上调Mo-CODH海洋一氧化碳水平随深度迅速下降,从纳摩尔浓度到皮摩尔浓度,这是由于光产量减少和潜在的消耗增加然而,Mo-CODH基因在深海和冰架以下水域等光性水域中含量丰富并转录,这表明CO仍然是一种重要的能源来源

相比之下,高亲和力 H2氧化是海洋细菌的限制性状。已经报道了编码与混合营养生长(主要是Huc)和长期持续性(主要是Hyl)相关的氢化酶的细菌,尽管由于未知原因,它们仅占地表水群落的1%。然而,这些细菌介导高细胞特异性的H2氧化,表明它们受益于相对排他性的底物。类似于土壤生态系统的发现,H2在更寡营养的地表水中,氧化率更高,例如在沿海到亚南极样带上增加。反过来,这些细菌可能是H2在极地水域与大气的比较寡营养极性细菌阿拉斯加链球菌的纯培养物共氧化大气H2生长过程中的有机化合物同样,一项宏基因组研究发现,在深海H2中,细菌携带低亲和力生长支持氢化酶的转变。富含热液羽流,在相对低营养的周围水域中具有高亲和力的持久性支持酶

4.3大气驱动的生态系统

在大多数生态系统中,通过痕量气体氧化固定的碳可能只占植物和其他光自养生物产生的碳的一小部分。然而,某些极端环境可能主要由大气能量驱动,特别是那些物理化学条件排除光自养生物和地质能源稀缺的环境。预计南极洲冷冻,干燥,季节性黑暗土壤中的主要初级生产者是微量气体氧化菌.在麦基冰川地区,90%、32%和27%的细菌分别编码氢化酶(主要是Hyl),Mo-CODH和RuBisCO。(图4). 最丰富的单一细菌是来自UBA7966分支(USCγ)的预测嗜甲烷菌,进一步强调了CH的益处4作为专用基材51.始终如一地,这些土壤中的细菌群落会迅速消耗大气中的H2CO 和 CH4和化学合成固定二氧化碳在与环境相关的温度下,以足以维持的速度,以及一些社区成员的潜在缓慢增长然而,需要更灵敏的方法来确定细菌是否固定二氧化碳在环境气体浓度下,进而介导细胞分裂。值得注意的是,大气中产生的代谢水H2氧化足以在 15 天内替换所有细胞水.这些假定的初级生产者可能与存在的其他生物体建立共生和营养关系。

基于这一概念,可能存在各种其他大气驱动的生态系统。由于物理化学条件限制,将大多数光合初级生产者排除在超干旱沙漠、磷溶洞穴、高盐湖泊和高海拔山区之外,但可能维持使用大气痕量气体的初级生产者。与这一观点相一致,阿塔卡马、戈壁、内盖夫和纳米布沙漠以及青藏高原等超干旱地区的大多数细菌也能够清除大气中的痕量气体。同样,盐田中有许多大气中的一氧化碳氧化细菌和古细菌,而USCγ甲烷营养菌在喀斯特洞穴系统中茁壮成长.然而,需要结合宏基因组学、生物地球化学和建模方法的广泛采样活动,以系统地了解痕量气体氧化与这些生态系统中其他节能和初级生产过程相比的相对贡献。

最后,痕量气体氧化菌在生态系统扩散和定植中的作用值得探讨。鉴于它们对无处不在的基质的依赖,这些细菌可能会在新环境中迅速定植并促进初级演替,例如火山沉积物、冰川前场、尾矿甚至陨石。研究表明,夏威夷的火山沉积物相对较快地被CO和H2氧化的各种微生物群落定殖。嗜甲烷菌和一氧化碳氧化菌都可以支持植物群落的发展此外,细菌在空气中生存的能力可能在大气中传播过程中发挥以前未被认识到的作用。

4.4天体生物学意义

微生物也可以氧化系外行星上的大气痕量气体,这是合理的。关于行星保护,可以想象,如果将某些痕量气体氧化菌引入系外行星,例如火星,这里有稀薄的富含一氧化碳的大气层和富含高氯酸盐的土壤,微生物也可能幸存下来。此外,许多系外行星上已检测到有不同浓度的H2生命就有可能存在这些星球。H2可能推动了地球上的生物发生并且是一种理想的能源,在其他星球上氢气也可能很丰富这些概念在最近一些文献综述中得到了具体探讨

五、结论和展望

大气痕量气体的微生物氧化是微生物学和生物地球化学领域的重要新前沿。尽管资源稀缺,许多细菌和一些古菌已经进化出一种简单而优雅的生活方式:利用空气中微量气体为能量维持生存。研究人员现在对这一过程的微生物介质酶决定因素和生理作用有了相对深刻的理解。

大气痕量气体的微生物氧化的生态重要性也越来越被理解:痕量气体氧化维持了多数休眠的微生物,使极端生态系统的生物生产力成为可能,这些环境下光自养生物难以参与,并减轻了大气污染物的人为排放。

这一领域仍然存在许多知识需要进一步探索完善。在机理层面,有必要确定区分低亲和力和高亲和力气体氧化酶的结构差异,并更好地解决这些酶释放的电子如何用于有氧呼吸和固碳。同样,如何从细胞和生态系统水平上调节痕量气体氧化,以及环境因素如何影响这些过程,还有待全面了解。还需要复杂的方法来获得原位痕量气体氧化的单细胞视角,以及土壤和海洋生态系统中区分内源和外源痕量气体。还需要进一步的研究来更好地了解大气痕量气体如何控制植物动物微生物之间的交互作用,包括其农业和医学重要性。微生物可以“生活在空气中”的重要发现有可能改变我们对地球甚至宇宙生命的理解。




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