地球表层环境中的元素循环是由多种复杂的生物和化学过程共同驱动的,其中硫和铁的相互作用尤为重要。硫循环自生命初期便由微生物主导,而铁则作为环境中最丰富的氧化剂之一,对硫的转化过程产生显著影响。传统观点认为,硫化物与铁(III)氧化物之间的反应主要是非生物化学过程,生成元素硫和铁硫化物。然而,最新的研究发现,微生物能够利用铁氧化物作为电子受体,通过代谢反应促进硫化物的氧化,这种耦合代谢模式为理解环境中硫与铁的交互提供了全新视角。微生物铁氧化物呼吸(Microbial Iron Oxide Respiration)是指某些细菌利用固体铁(III)氧化物作为电子受体,将其还原为铁(II)的过程。在涵盖海洋沉积物、湿地、地下水含水层等多种无氧环境中,固体铁氧化物广泛存在且活跃。
硫化物作为含硫还原物,经微生物介导的氧化反应转变为硫酸盐或其他氧化态硫化合物,是硫循环中能量代谢的关键环节。将铁氧化物呼吸与硫化物氧化耦合,不仅微生物可以获得能量合成生命物质,还桥接了铁和硫两个元素的循环,深刻影响环境中元素的动态平衡。全面的基因组分析已揭示出多种细菌和古菌门类具备硫氧化和铁氧化物呼吸的代谢潜力。通过对比研究,科学家们发现这些微生物编码有用于硫化物氧化和闻名的铁还原系统相关基因,例如多血红蛋白细胞色素,以及外膜电传导蛋白,这说明它们可以实现电子从硫化物途径传输至固态铁氧化物表面。这一电子转移的多级通路包括细胞内部的氧化还原酶以及细胞外的细胞色素电输运复合物,形成一条贯穿细胞膜和外膜、跨越围绕细菌的界面的有效导电链路。这一机制不仅支持了细菌利用铁氧化物呼吸获取能量,还可能促进更加复杂的电子流动,如微生物共生或电化学催化过程。
具体来说,代表性培养菌Desulfurivibrio alkaliphilus通过逆转硫酸盐还原途径,氧化溶解态硫化物或铁单硫化物(FeS)至硫酸盐,同时通过外膜多血红蛋白细胞色素将电子传输给固体相铁(III)氧化物(如铁氧化铁)还原为铁(II)。该过程可在缺氧条件下进行,且其氧化速率远快于传统的无生命化学反应,表明微生物作用在自然环境中具有显著优势。实验数据表明,D. alkaliphilus能够利用含硫化合物和铁氧化物为能源,进行自养生长,碳固定能力被稳定维持,展现了其在无氧环境中代谢的多样性和适应性。代谢路径的多样性反映在多种微生物门类中。例如部分变形菌通过硫化物:酮醌氧化还原酶(Sqr)和其他辅助酶将硫化物氧化成元素硫,同时通过多血红蛋白复合体将电子分别传递至铁氧化物。还有微生物能将硫代硫酸盐氧化成硫酸盐,借助外膜细胞色素将电子向外传递,完成铁氧化物的还原。
所有这些途径的生化反应都具有负的自由能变化,足以驱动微生物生长和代谢活动,即便在中性或略微碱性环境中,也表现出较好的环境适应性。微生物硫化物氧化与铁氧化物呼吸的盟合不仅扩展了硫循环的生物学路径,也更新了我们对自然圈层中无氧硫代谢的认知。长期以来,科学界认为固体铁氧化物驱动的硫化物氧化主要归功于化学反应,且大多产生中间产物如元素硫与铁硫化合物。但研究确认,在低浓度硫化物及FeS存在条件下,微生物的生物氧化作用能够超越化学氧化,主导硫氧化过程,促成硫酸盐还原代谢的快速循环。此独特的生物化学路线为解释环境中硫酸盐重新生成的现象提供了合理依据,并在全球范围内的沉积物、湿地及地下水含水层中具有广泛的生物地球化学意义。硫与铁元素循环的相互作用具有全球生态系统功能的深远影响。
一方面硫化物是广泛存在的还原性物质,是微生物能量代谢的主要驱动力;另一方面,铁氧化物作为环境中最大量的氧化剂,为无氧生物反应提供了电子受体。此外,微生物驱动的硫化物氧化与铁氧化物还原过程能够促进矿物风化、土壤形成与重金属迁移,对环境修复和污染控制具有潜在应用价值。多血红蛋白细胞色素在电子传递链中扮演桥梁角色,其结构特征支持长距离的电子传递,促进电子从内膜通过细胞周质体到达外膜外的固体电子受体。类似于铁还原细菌Geobacter和Shewanella的电传导机制,为铁氧化物还原提供了分子基础。同时,特定类型的菌毛或紧密附着的细胞结构(如Tad型第四类菌毛)也可能在微生物与固体铁氧化物的物理接触及外排电子过程中发挥关键作用。这些结构特征强化了微生物电子传导与固体矿物反应的界面耦合,增强了代谢效率。
随着基因组测序和元基因组分析技术的进步,大量未培养微生物在不同环境中被鉴定出具备硫氧化和铁还原的基因组潜力,提示此类耦合代谢可能比目前了解的更为广泛,涵盖众多微生物门类。这为未来研究提供了重要方向,即利用基因组信息结合培养和生理实验,深入揭示这类新兴代谢机制的生态分布和功能。综上所述,微生物驱动的铁氧化物呼吸耦合硫化物氧化,不仅为传统的硫循环添加了生物学新环节,也为铁循环提供了额外能量流动路径。此类代谢明显促进了无氧生态系统中硫的回转,提高元素循环的复杂性与效率。对该过程的深入理解将极大推进环境微生物学、地球化学及生态系统模型的建设,有助于精准描绘地球元素周期变化及其对环境与气候的作用。同时,此类代谢机理可能为未来的环境修复和能源转化提供创新策略,展现出广阔的科研和应用前景。
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