本研究说明了氢气在生态系统中的地位，大豆根瘤菌是自然氮固定的主要方式，人类掌握了氨合成技术，实质是突破了自然界氮气固定的限速过程，让全球农业产量实现了本质上的飞跃。固氮过程也需要氢气的参与，这种氢气来自天然菌群的代谢产物，但是氢气在植物生长中的地位并没有受到足够重视，近年来的研究越来越有利于这一问题的解决。氢气在自然生态环境中具有重要地位，如果人工干预，既人为补充氢气水平，也可能如氮肥一样对农业生产产生革命性影响。当然随后带来的问题也如化肥使用一样，任何事都存在两面性。我们不需要过于害怕风险，但必需敬畏自然。

本研究亮点

1. 摄取氢化酶影响豆科植物-根瘤菌共生中的生物氢循环。

2. 生物氢回收加速豆科植物-根瘤菌共生中的四氯联苯转化。

3. 证实了大豆根瘤中四氯联苯转化的两种介质。

4. 提出了生物氢循环对四氯联苯转化的影响机理。

以大豆（Glycine max）和慢生根瘤杆菌（Bradyrhizobium diazoefficiens）的共生系统为模型，研究了生物氢利用是否促进四氯联苯PCB77的转化。将一个H2摄取阳性（Hup+）菌株（野生型）和一个Hup-菌株（hupL缺失突变体）接种到大豆根瘤中。与Hup-根瘤相比，Hup+根瘤显著增加了脱氯作用61.1%，并减少了根瘤中PCB77的积累量37.7%（p < 0.05）。暴露于镍后，一种增强氢化酶摄取的物质，脱氯作用显著增加了2.2倍，根瘤中PCB77的积累量减少了54.4%（p < 0.05）。此外，大豆根瘤中的四氯联苯转化主要通过硝酸还原酶（由基因NR编码）介导四氯联苯脱氯和联苯-2,3-二醇1,2-双加氧酶（bphC）介导联苯降解。本研究首次证明，生物氢利用对豆类-根瘤菌共生关系中的四氯联苯生物转化有积极作用。

作者来自中国科学院土壤科学研究所土壤环境与污染修复重点实验室。

氢分子（H2）是一种被忽视的绿色能源；H2主要由地球化学和人为活动产生，可能会影响生态系统中其他元素的循环。豆类-根瘤菌共生是全球陆地生态系统中H2的主要生产者，通过共生固氮过程产生H2。这种H2通过一个活跃的镍（Ni）依赖性氢化酶系统循环利用，可能对从微生物到植物的广泛物种有益。多样的微生物能够利用H2作为电子来源，以促进污染物的还原，包括有机卤化物、偶氮化合物和潜在有毒元素。此外，生物H2可以作为植物的肥料，增加植物生物量15%-48%。总之，H2是一种普遍存在的分子，具有独特的生物活性特性，可以提高植物对非生物环境因素的抵抗力，如污染物引起的压力。

豆类-根瘤菌共生不仅是陆地生态系统中H2的主要生产者，也是原位生物降解环境污染物的重要资源。H2是在豆科植物和根瘤细菌之间的互利固氮过程中产生的副产品，发生在微好氧的类菌体中。一些根瘤菌株（通常称为Hup+类型）具有摄取氢化酶，有助于在根瘤内循环利用H2，而根瘤菌株（Hup-类型）则将H2释放到周围土壤中。同时，豆类-根瘤菌共生已被用于高效且生态可持续地原位修复有机污染土壤。特别有趣的是豆类-根瘤菌共生对多氯联苯（PCBs）的影响，PCBs是土壤、河流和空气中发现的具有高毒性、诱变性和致癌性的持久性有机污染物。豆类有能力从土壤中隔离和积累PCBs（通过一种称为植物提取的过程），然后由根瘤内生菌（根瘤修复）降解。通过根瘤定居的根瘤菌快速生物转化和降解PCBs，缓解了植物细胞的氧化应激，并增强了根际中污染物的生物可利用性。此外，最近报道的大豆幼苗通过脱氯解毒短链氯化石蜡。尽管缺乏还原脱氯酶，但苜蓿-根瘤菌的共生结节促进了固氮与四氯联苯脱氯之间的联系。在苜蓿-根瘤菌共生根际中，内源性H2选择土壤中的细菌，这些细菌携带PCB降解基因，驱动这些富集的氢营养菌群进行PCB生物降解。最近的一项研究表明，内源性和外源性H2都能加速植物中氯硝基残渣的降解。然而，是否利用固氮过程中产生的H2对豆类-根瘤菌共生结节中的PCB转化有益，以及其背后的机制仍不清楚。

关于根瘤菌在植物组织内，尤其是结节中PCB转化的介导因子，人们关注不足。考虑到宿主与微生物之间复杂的共生相互作用，PCBs和其他污染物的微生物降解可能会受到植物代谢过程和信号通路的影响。某些植物酶，如硝酸还原酶（由NR基因编码）、谷胱甘肽S-转移酶（GST）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和细胞色素P-450单加氧酶（CYP78A71基因），被认为在植物中通过还原脱氯初步分解PCBs的过程中起着重要作用。先前的研究表明，携带bph基因的慢生根瘤杆菌USDA110能够进行PCBs的好氧生物降解。豆类-根瘤菌共生中的微好氧结节是污染物转化潜力的重要场所，所有结节似乎都参与了H2循环。这就提出了一个问题，即在生物氢利用条件下，微好氧结节中PCB转化的介导因子是什么。

二恶英类共平面PCB77（3,3′，4,4′-四氯联苯）在环境中很常见，并已被选为过去研究中的代表同系物。在这项研究中，假设根瘤中的生物氢循环通过摄取氢化酶对PCB转化有益。使用Hup+和Hup-菌株B. diazoefficiens USDA110与大豆共生，研究了生物氢摄取对根瘤中PCB77转化的影响。通过两种不同的方法操纵结节内摄取氢化酶的活性。首先，用NO2–处理具有成熟结节的PCB77喂养植物（接种USDA110），以抑制结节摄取氢化酶活性，或用Ni2+增强结节摄取氢化酶活性。其次，通过接种USDA110的hupL缺失突变体构建Hup-结节。根据结果，提出了一种在生物氢利用条件下介导大豆根瘤中四氯联苯转化的新机制。更广泛地说，这些发现为利用豆类-根瘤菌共生中的内源性H2代谢来改善卤代有机化合物的植物修复开辟了新的可能性。