近海红树林硫化单胞菌Sulfurimonas sp.MCCC 1A17955等10株细菌具有化能自养固氮能力

相关菌株：

Sulfurimonas sp. HSL-1656=MCCC 1A17955

Sulfurimonas sp. HSL-1716=MCCC 1A17957

Sulfurimonas sp.HSL-3221=MCCC 1A18427

Sulfurimonas sp. HSL1-6=MCCC 1A18693

Sulfurimonas sp. HSL3-7=MCCC 1A18694

Sulfurimonas sp. HSL3-1=MCCC 1A18844

Sulfurimonas sp. HSL3-2=MCCC 1A19147

Sulfurimonas sp. HSL1-2=MCCC 1A19178

Sulfurimonas sp. HSL-C5=MCCC 1A19556

Sulfurovum sp. HSL1-3=MCCC M25234

背景：固氮（重氮营养型）细菌和古菌将大气中的二氮气体（N2）转化为氨（NH3）进行同化，这是由三种类型的固氮酶介导的，包括钼铁固氮酶Nif（Mo-Fe）、钒铁固氮酶Vnf（V-Fe）和纯铁固氮酶Anf（Fe-Fe）。海洋固氮菌提供了全球固定氮需求的近一半，它们的活动通常调节着海洋初级生产力。然而，只有少数细菌和古细菌种群被证明有可能固氮。在贫营养海洋环境中，化能自养生物被认为是重要的固氮剂，可以提高局部生境的生产力。据报道，假单胞菌门Pseudomonadota（包括α和γ变形菌纲）、绿弯菌门（Chloroflexota）、拟杆菌门（Bacteroidota）、脱硫杆菌门（Desulfobacterota）和螺旋体门（Spirochaetota）中的几个异养类群是沉积生态系统中的主要固氮菌。这些先前的研究表明，化能自养生物是贫营养环境中的主要固氮菌，而在富含有机物的环境中，生物固氮主要是由异养生物实现的。红树林沉积物通常被认为是富含有机物但氮有限的生态系统。早期的研究表明，红树林表层沉积物中的微生物介导了很高的生物固氮活性，一些化能自养细菌在红树林沉积物生态系统中占据了相对较高的丰度。

研究结果：

经物理化学分析表明红树林沉积物是典型的富碳、富硫缺氮和低氧化还原电位的海洋生态系统（团队的研究表明4 cm以下沉积物Eh < 0 mV）。沉积物中存在大范围遗传发育多样性的固氮基因。意外多样的化能自养分类单元，包括弯曲杆菌（Campylobacteria）、γ变形菌、Zeta变形菌和热脱硫弧菌（Thermodesulfovibrionia），是0-18 cm层沉积物优势活跃的固氮成员。相反，18-20 cm层沉积物的又是活跃固氮菌是脱硫杆菌和盐杆菌。宏基因组分析表明主要的化能自养菌可以通过耦合氢、还原硫和铁的氧化与氧、氮和硫的还原实现固氮。团队经活性测定确认了固氮菌优先从多样的还原无机物而非有机物获取能量。

前文“相关菌株”中Sulfurimonas sp. MCCC 1A17955等10株菌分离自红树林沉积物，均携带完整的固氮基因簇，编码NifHDKENB型固氮酶（图1）。基因邻域分析显示，这些菌株的nif基因簇不仅包含固氮酶结构基因，还编码电子传递蛋白、调控蛋白及固氮酶辅因子生物合成相关蛋白（图1），该特征与先前报道一致。生理特性分析表明，这10株菌均为专性化能无机自养菌，测试的所有有机化合物均无法作为碳源或能量来源支持其生长。实际上，固氮作用在化能自养型弯曲杆菌门（Campylobacterota）中并不常见。与异养型固氮细菌相比，至今仅有少数化能自养固氮菌被培养出来。在此研究之前，仅有假单胞菌门（Pseudomonadota）和产液菌门（Aquificota）成员能够化能无机型生长，利用硫化合物、氢分子、砷（As）或者锑（Sb）做为能量来源固氮。

图1. 弯曲杆菌10个菌株的固氮基因簇

Sulfurimonas sp. MCCC 1A17955等7株相对生长良好（“相关菌株”加粗部分），对它们进一步开展了胞内固氮能力研究。结果表明，均能利用¹⁵N₂做为唯一氮源固氮。阴性对照未缺乏固氮基因簇的模式菌株Sulfurimonas hydrogeniphila NW10^T和Sulfurovum indium ST-419^T，都不能固氮（图2）。研究还表明，所有这7株菌，在添加氨的情况下（1 – 40 mM NH₄Cl）¹⁵N₂固定被完全抑制，在添加1 mM NaNO₃和NaNO₂的情况下¹⁵N₂固定被抑制。

图2. 弯曲杆菌门代表菌株固氮活性

研究结果表明化能自养菌而非异养菌是红树林沉积物中的优势固氮菌。该研究强调了碳优势生态系统中无机化能自养菌的重要性。构建了红树林沉积物中深度相关的微生物氮固定理想模型（图3）。在上部0-18 cm层沉积物（Eh=~-117 mV），化能无机营养型是最优势的活性固氮菌，利用氢、还原态硫和铁作为电子供体，利用氧、硝酸盐和硫元素作为终端电子受体。此外，二氧化碳被化能无机营养型菌用于产生新的有机碳，供给微生物群体中的异养菌。大约18-20cm更深层的沉积物（Eh=-120 mV），与异化硫还原和产甲烷菌相关的固氮菌得到强烈富集。大量硫化物从硫酸盐还原菌通过有机物矿化或氢氧化生成，然后向上扩散，进一步被在上层中的化能无机营养型硫氧化菌利用产生硫代硫酸盐甚至硫酸盐。小分子化合物如甲酸、乙酸、丙酮酸、乳酸、氢和二氧化碳来自于更深层红树林沉积物中大分子的厌氧发酵。这项研究显著加强了对近岸富营养沉积物中生物固氮的认识。阐明了无机化能营养菌在氮代谢中的生态重要性。研究结果表明，意外多样的无机化能营养菌包括弯曲杆菌门、假单胞菌门和硝基螺菌门是红树林表层沉积物的优势活跃固氮菌。它们在碳和硫元素循环中起中枢作用，缓解富碳硫红树林沉积物中的缺氮状况。从代谢的角度，还原态的硫、氢和铁作为微生物化学合成的初级能量来源。这些化能无机自养固氮菌很关键，不仅在红树林沉积物，而且在其他碳氮丰度明显差异并且富含还原态无机物的生境中也是如此。

图3. 深度相关的微生物氮固定理想模型

相关论文：

Wang S, Jiang L, Zhao Z, Chen Z, Wang J, Alain K, Cui L, Zhong Y, Peng Y, Lai Q, Dong X, Shao Z. Chemolithoautotrophic diazotrophs dominate dark nitrogen fixation in mangrove sediments. ISME J. 2024 Jan 8;18(1):wrae119. doi: 10.1093/ismejo/wrae119. PMID: 38916247; PMCID: PMC11474244.

汇编：Li G. & Zhu Z.

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