A Novel Inorganic Sulfur Compound Metabolizing Ferroplasma-Like Population Is Suggested to Mediate Extracellular Electron Transfer.
Frontiers In Microbiology [IF&＃61;4.259]
Published 2018-12-5
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02945
一作兼通讯&＃xff1a;Gaofeng Ni
合作作者&＃xff1a;Domenico Simone, Daniela Palma, Elias Broman, Xiaofen Wu, Stephanie Turner, & Mark Dopson
单位&＃xff1a;林奈大学&＃xff08;卡尔马&＃xff0c;瑞典&＃xff09;
新兴的微生物燃料电池生物技术&＃xff08;MFCs&＃xff09;利用电化学活性微生物氧化底物并将释放的电子转移到阳极&＃xff0c;在极端酸性条件下可以利用MFC及极端微生物处理环境污染物。中间硫化物、硫单质、硫代硫酸盐和硫酸腺苷酸的氧化会释放出电子。在酸性自然环境中未被检测到已知的嗜中性微生物胞外电子转移&＃xff08;EET&＃xff09;相关基因&＃xff0c;这突出了研究嗜酸微生物中EET机制的必要性。本研究为利用嗜酸微生物燃料电池处理酸性矿山排水&＃xff08;AMD&＃xff09;的无机硫化合物提供了理论基础。
金属硫化矿的开采和加工会产生含有金属和无机硫化合物&＃xff08;ISC&＃xff0c;如四硫酸盐和硫代硫酸盐&＃xff09;的废水。如果不经处理就释放&＃xff0c;这些硫化物会被氧化&＃xff0c;产生高酸性的废水&＃xff0c;即酸性矿山排水&＃xff08;AMD&＃xff09;&＃xff0c;造成严重的环境污染。处理采矿废水的一种潜在方法是微生物燃料电池技术&＃xff08;MFCs&＃xff09;&＃xff0c;它可以在产生电流的同时&＃xff0c;持续去除产生无机硫化合物的酸性物质。微生物燃料电池利用细菌细胞在厌氧呼吸过程中将电子转移到矿物上的能力&＃xff0c;将矿物作为终端电子受体。通过用电极代替天然矿物&＃xff0c;微生物燃料电池也提供了一个很好的了解环境微生物与矿物的相互作用以及元素循环的平台。在此之前&＃xff0c;已经有研究证明了四硫酸盐分解可以与电流产生相耦合。在此文中&＃xff0c;作者报告了一个MFC微生物群落的宏基因组和宏转录组分析。无机硫化合物代谢重建分析表明底物四硫酸盐是由类Ferroplasma 和类Acidithiobacillus 通过多种途径代谢的&＃xff0c;Ferroplasma 物种不利用无机硫化合物。中间硫化物、硫单质、硫代硫酸盐和硫酸腺苷酸的氧化会释放出电子&＃xff0c;胞外电子转移到阳极的过程被认为是由Ferroplasma 产生的可溶性电子穿梭所主导。然而&＃xff0c;由于可溶性电子穿梭化合物在细胞内也具有其它功能&＃xff0c;因此不能排除嗜酸菌利用新颖的、未表征的机制来介导细胞外电子转移。群落内的几个种群可能通过多种途径代谢中间无机硫化合物&＃xff0c;有突出的互利共生潜力。本研究为利用嗜酸微生物燃料电池处理AMD的无机硫化合物提供了理论基础。
从硫化矿石中提取金属是世界上许多国家都在进行的工业过程。然而&＃xff0c;硫化物矿物加工的废弃物如果暴露在水中和氧气中&＃xff0c;就会氧化形成酸性矿山排水&＃xff08;AMD&＃xff09;&＃xff0c;其特点是酸度极高&＃xff0c;金属含量高。如果不经处理就释放&＃xff0c;AMD会对环境造成灾难性的破坏。生长在酸性环境催化AMD形成的细菌和古细菌是嗜酸生物&＃xff08;最佳生长pH值<5&＃xff09;和极端嗜酸生物&＃xff08;最佳生长pH值<3&＃xff09;&＃xff0c;它们经常参与氧化还原转换无机硫化合物和含铁矿物&＃xff0c;古菌群如Ferroplasma 在酸性极强的AMD环境中占主导地位&＃xff0c;已发表的Ferroplasma 菌株是兼性厌氧菌&＃xff0c;能够在酵母提取物上进行化学有机营养化生长&＃xff0c;同时伴有三价铁的还原能力。
新兴的微生物燃料电池生物技术&＃xff08;MFCs&＃xff09;利用电化学活性微生物氧化底物并将释放的电子转移到阳极&＃xff0c;电子从阳极流向阴极&＃xff0c;在还原反应中被消耗。这些电子流以电流的形式获取&＃xff0c;可用于为如生物需氧量传感器等低能耗设备供电&＃xff0c;或产生如氢气等有用产品。MFC技术利用微生物催化对废水进行处理&＃xff0c;不需要添加化学催化剂&＃xff0c;可以获取电能&＃xff0c;是可再生利用的&＃xff0c;十分环保。近年来&＃xff0c;MFC已经发展成为一种多功能的技术&＃xff0c;而与嗜极微生物的结合拓宽了电子供体的可用性&＃xff0c;如以无机硫化合物为电子供体。在极端条件下利用MFC及极端微生物处理环境污染物的大门已经被打开&＃xff0c;最近的研究表明&＃xff0c;可以通过在pH 2.5下降解四硫酸盐和硫化物矿物加工废水中的无机硫化物&＃xff08;ISC&＃xff09;而产生电流&＃xff08;最大433 mA&＃xff09;。这些数据表明&＃xff0c;嗜酸微生物整合型MFC有望用于处理与AMD相关的废水。
MFC技术基于微生物的代谢能力&＃xff0c;通过细胞外膜传递来自新陈代谢的电子来还原细胞外电子受体&＃xff0c;这一过程被称为胞外电子转移&＃xff08;EET&＃xff09;。这是一种广泛存在的现象&＃xff0c;例如通过异化的金属还原菌可以还原铁或锰等金属&＃xff0c;这些过程对全球铁和硫的循环也具有重要意义。目前&＃xff0c;EET机制的分子表征仅限于地杆菌&＃xff08;Geobacter&＃xff09;、施瓦氏菌&＃xff08;Shewanella&＃xff09;和假单胞菌&＃xff0c;并已揭示出三类EET&＃xff1a;
&＃xff08;i&＃xff09;外膜c 型细胞色素直接电子转移&＃xff0c;例如&＃xff0c;在Geobacter 和Shewanella 物种中&＃xff0c;由mtrAC、cymA、omcAESBZ 和gspG 等基因编码的多血红素c 型细胞色素被证明对金属氧化物或MFC电极的EET是至关重要的。
&＃xff08;ii&＃xff09;具有电子穿梭功能的氧化还原活性分子&＃xff0c;如甲基萘醌类&＃xff08;menaquinone&＃xff09;、核黄素和吩嗪&＃xff08;phenazines&＃xff09;。之前的研究结果表明&＃xff0c;menC基因参与醌类中间生物合成&＃xff0c;其缺失会严重影响Shewanella 的EET能力。也有报道称&＃xff0c;核黄素是Shewanella 分泌的关键成分&＃xff0c;它以电极作为电子受体&＃xff0c;此外&＃xff0c;吩嗪在矿物的还原溶解和电子转移到电极的过程中起电子穿梭的作用。
&＃xff08;iii&＃xff09;导电菌毛具有直接的电子转移能力&＃xff0c;研究表明&＃xff0c;缺乏II型分泌系统和IV型菌毛的Shewanella 菌的突变体的产电能力受到严重限制。
宏基因组学是微生物群落中无需纯培养的DNA测序和功能表征&＃xff0c;能够阐明整个群落的遗传潜力。宏转录组学是对整个微生物群落的基因转录本的分析&＃xff0c;可以进一步阐明该群落对特定实验或环境刺激的反应。虽然mRNA转录本的存在并不能证明存在代谢过程&＃xff0c;但这种方法提供了一种获得对感兴趣的过程的生物学见解的强大工具。例如&＃xff0c;宏转录组学可以通过比较不同EET速率下的基因表达来识别潜在的EET敏感性基因。为了阐明与电流产生相偶联的四硫酸盐降解的分子证据&＃xff0c;作者调查了来自先前报道的MFC的阳极微生物群&＃xff0c;即称为样品S1和S2的宏基因组和宏转录组。在宏基因组重组基因组&＃xff08;MAGs&＃xff09;的基础上&＃xff0c;分析阳极群落的分类学亲缘关系和代谢潜力。此外&＃xff0c;mRNA转录也为解析微生物参与ISC代谢、EET、无机碳代谢和适应MFC内部条件的过程提供线索。值得注意的是&＃xff0c;在酸性条件下&＃xff0c;在MFC技术中使用ISCs是非常新颖的&＃xff0c;而对于嗜酸微生物的分子EET机制作者仍知之甚少。
DNA, RNA Extraction and High Throughput Sequencing
从含有5 mM四硫酸盐的合成培养基的MFCs的阳极室中获得浮游细胞。当MFC电池S1和S2的电池电压值为109和50 mV&＃xff0c;分别收获了阳极电解液并通过0.2μm无菌过滤器&＃xff0c;对其生物质使用PowerWater DNA分离试剂盒进行DNA提取过滤。提取RNA的细胞分别取自S1和S2阳极室&＃xff0c;细胞电压值分别为41 mV和53 mV。立即在4℃&＃xff08;10000×g, 15min&＃xff09;条件下离心&＃xff0c;使用RNeasy midi试剂盒从细菌中分离群落总RNA。从提取的RNA样本中使用Turbo试剂盒清除DNA污染。核酸样品的质量和数量在Qubit 2.0和Nanodrop上测试。所有的DNA和RNA样本都在瑞典斯德哥尔摩的SciLifeLab实验室进行了测序。宏基因组测序在Illumina HiSeq 2500上进行&＃xff0c;在RapidRun模式下设置2×151 bp。在HiSeq 2500上进行宏转录组测序&＃xff0c;在RapidRun模式下设置2×126 bp&＃xff0c;不去除rRNA。
Bioinformatic Analysis of the Metagenome Data
原始reads被过滤&＃xff0c;低质量reads和Illumina接头序列被除去&＃xff0c;reads使用Ray v 2.3.1以不同k-mer组装成contigs&＃xff0c;并使用Newbler v2.6进行组装。因为高通量序列宏基因组通过分箱&＃xff08;binning&＃xff09;的组装基因组&＃xff08;MAG&＃xff09;是决定下游分析的关键一步&＃xff0c;本研究采用了包括CONCOCT v0.3.0, MetaBAT和MyCC&＃xff0c;以及基因组评估质量的软件checkM v1.0.5六种策略。基于MAG完整性、污染程度评估、菌株异质性和微生物多样性&＃xff0c;通过对输入scaffolds长度控制的控制&＃xff0c;通过单个装配实现了MAG结构的优化。提取MAGs内的分类学信息&＃xff0c;使用PhyloPhlAn v0.99构建MAGs的系统基因组树&＃xff0c;并使用Archaeopteryx进行可视化。使用Prokka对每个MAG进行功能注释&＃xff0c;并使用京都基因和基因组百科全书&＃xff08;KEGG&＃xff09;和MetaCyc数据库进行分析。
Bioinformatic Analysis of the Metatranscriptome Data
使用FastQC&＃xff08;Andrews, 2010&＃xff09;检查阳极微生物组的宏转录组数据集的质量&＃xff0c;并使用Trimmomatic v0.32进行修理。对于每个样本&＃xff0c;使用SortMeRNA v 2.1b提取rRNA和mRNA read数据集。使用Trinity v2.4.0&＃xff08;默认参数&＃xff09;&＃xff0c;对两个样本的mRNA reads进行联合组装&＃xff0c;得到转录本。采用Trinotate pipeline对宏转录组的装配质量进行了评价。简而言之&＃xff0c;通过使用BlastX 2.6.0&＃43;将组装好的转录本与SwissProt数据库&＃xff08;2018&＃xff09;进行比对&＃xff0c;检测蛋白编码基因全长重建后的表达情况。Trinotate pipeline也被用来对组装的转录本进行下游分析&＃xff0c;包括使用RSEM v1.2.29估计转录的丰度&＃xff0c;以及使用基因本体论&＃xff08;GO&＃xff09;数据库进行转录功能注释。样品中的物种活度通过三个步骤进行评估:&＃xff08;i&＃xff09;用Bowtie2版本2.2.9将mRNA reads映射到MAGs上。&＃xff08;ii&＃xff09;使用Kaiju v1.5.0对组装的转录本进行分类分配。&＃xff08;iii&＃xff09; RAxML v8.2.10建立rRNA reads的系统发育位置&＃xff0c;仅保留了似然权重比≥0.90的系统发育位置以供进一步分析。使用pplacer 1.1版本的guppy v1.1实用程序确定与每个树节点关联的reads的丰度。为了研究微生物群落中是否含有亚硫酸盐转化APS还原酶&＃xff08;由apr基因编码&＃xff09;&＃xff0c;作者使用已发表的和专门设计的针对aprA或aprB基因的引物&＃xff0c;从两个MFC的群落DNA中进行PCR扩增。原始宏基因组和宏转录组序列可在NCBI数据库中找到&＃xff0c;登录号为SRP1327634。
Metagenome Assembled Genomes and RNA Transcripts
在宏基因组测序中&＃xff0c;从MFC S1和S2分别获得了1.42和1.45亿个reads&＃xff0c;而在宏转录组测序中&＃xff0c;MFCs S1和S2分别获得了0.97和1.72亿个reads。所有进入本研究的MAGs&＃xff08;Ferroplasma&＃xff09;的基因组完整性水平均大于94.9%&＃xff0c;污染小于3.9%。通过不同的组装策略重建接近完整的MAGs&＃xff0c;发现优势种群与Ferroplasma spp.、A. caldus、A. ferrivorans、Sulfobacillus thermosulfidooxidans 和Cuniculiplasma gatum 最为相近&＃xff08;图1&＃xff09;。
图1 基于Phylophlan程序中400个保守蛋白置信度比对构建的从MFCs中提取MAGs&＃xff08;粗体&＃xff09;的最大距离系统基因组树
FIGURE 1
Unrooted maximum distance phylogenomic tree of the MAGs from the duplicate MFCs (in bold) based upon alignment of 400 conserved proteins in the Phylophlan program with confidence values for the nodes (Segata et al., 2013).
从宏基因组reads到MAGs的覆盖&＃xff08;mapping&＃xff09;可以看出&＃xff0c;Acidithiobacillus 群体是群落中数量最多的&＃xff0c;其次是铁原体样Ferroplasma 群体&＃xff0c;最后是数量较少的S. thermosulfidooxidans 群体和C. divulgatum 样群体&＃xff08;图2&＃xff09;。而Ferroplasma 种群是取样群落中最活跃的&＃xff0c;宏转录组分析显示&＃xff0c;97.1%和99.1%的16S rRNA被归于S1和S2样品中的Ferroplasma&＃xff0c;在S1和S2样品中48.6%和93.0%的mRNA及被归于Ferroplasmaceae家族 &＃xff08;图2&＃xff09;。从RNA转录本来看&＃xff0c;类铁原体Ferroplasma 种群最活跃可能是由于自养型Acidithiobacillus 和Sulfobacillus 受二氧化碳可利用性的限制。
图2 分配到MAGs的相对丰富度&＃xff08;上&＃xff09;&＃xff0c;从宏转录组提取到MAGs的rRNA&＃xff08;中&＃xff09;&＃xff0c;以及分配到MAGs的mRNA&＃xff08;下&＃xff09;
FIGURE 2
Relative abundance of the mapped reads that were assigned to the MAGs (top), extracted rRNA reads from the metatranscriptome that were assigned to the MAGs (middle), and mRNA reads mapped to the MAGs (bottom).
ISC Metabolic Potential Coded Within the MAGs
由于有硫酸盐和单质硫的生成&＃xff0c;Sulonen等人在一项类似MFC设备的研究中提出四硫酸盐的分解是歧化的。由于所选微生物群落的相似性以及在阳极表面对硫单质&＃xff08;四硫酸歧化的产物&＃xff09;的观察&＃xff0c;本研究中四硫酸盐代谢的初始步骤也可能是歧化。然而&＃xff0c;在MFC的设备中还没有关于这一过程的遗传信息证据。因此&＃xff0c;作者研究了四硫酸盐和其他ISC代谢的基因和mRNA表达谱&＃xff08;图3&＃xff09;。在A. caldus 样MAGs中检测到编码四硫酸盐水解酶的tetH 基因&＃xff0c;表明该基因是四硫酸盐初始歧化的候选基因。四硫酸歧化的一个产物是单质硫&＃xff0c;它可以被SOR编码的硫氧化还原酶代谢&＃xff0c;除了两种C. divulgatum 样外其他MAG都有SOR酶的基因。在厌氧条件下&＃xff0c;异二硫还原酶&＃xff08;hdr 编码&＃xff09;转化硫烷-硫化合物谷胱甘肽过硫化物&＃xff08;GSSH&＃xff0c;一种更容易溶解的单质硫形式&＃xff09;为亚硫酸盐和谷胱甘肽&＃xff08;GSH&＃xff09;。hdr 基因存在于类Ferroplasma 和类C. divulgatum 中&＃xff0c;提示了单质硫氧化的另外一种可能途径。
由硫氧化还原酶&＃xff08;sor 基因编码&＃xff09;产生的硫化物&＃xff0c;可能被出现在类Ferroplasma、类S. thermosulfidooxidans 和类C. divulgatum MAG中由fccB基因编码的黄素细胞色素c&＃xff08;flavocytochrome c&＃xff09;硫化物脱氢酶代谢掉&＃xff0c;或被类Ferroplasma MAG中由sqr基因编码的硫化物:醌氧化还原酶代谢掉。sox 基因簇的产物和由doxDA 编码的硫代硫酸盐:醌氧化还原酶都能氧化硫代硫酸盐。sox 基因簇存在于一个类Ferroplasma MAG和所有类细菌MAG中&＃xff0c;而doxDA 存在于类细菌MAG中。虽然在本研究中缺失apr 基因&＃xff0c;但之前嗜酸菌的研究表明&＃xff0c;生成的亚硫酸盐可通过两个步骤被氧化成硫酸盐&＃xff0c;其中第一个步骤是由APS还原酶&＃xff08;apr 基因编码&＃xff09;介导的&＃xff0c;第二步是由存在于所有细菌MAGs中的sat 基因编码的硫酸盐腺苷转移酶催化的。
图3 信使RNA转录本注释&＃xff08;属水平&＃xff09; 的基因表达谱&＃xff0c;涉及到ISC代谢、电子转移到阳极、pH稳态和金属抗性的功能基因
FIGURE 3
Gene expression profiles for mRNA transcripts annotated (at the genus level) as involved in ISC metabolism, electron transfer to the anode, pH homeostasis, and metal resistance.
图4 A. MFC电池阳极室MAGs编码的ISC代谢潜能 &＃xff08;在物种水平&＃xff09;&＃xff1b;B. 利用mRNA转录数据&＃xff08;图3&＃xff09;构建群落ISC代谢模型&＃xff08;基因被分配到属&＃xff0c;实线表示代谢产物的流动&＃xff0c;虚线表示电子的流动&＃xff09;
FIGURE 4
Metabolic potential coded in the MAGs (at the species level) for ISC metabolism in the anode compartments of the duplicate MFCs (A) and mRNA transcripts (at the genus level) for the intermediate steps (B). The model (B) depicts the genera the genes have been assigned to, the gene names, and the relative number of transcripts assigned to the genera as a greater than sign. The solid line indicates the flow of metabolites, the dotted line represents the flow of electrons.
四硫酸盐水解酶的tetH 基因属于Acidithiobacillus 样群体&＃xff0c;其mRNA转录的数量较低&＃xff08;S1和S2分别为0和12 TPM&＃xff09;。一种可能的解释是&＃xff0c;群落耗尽了阳极电解液中可用的四硫酸盐&＃xff0c;并氧化了ISC中间体&＃xff0c;类Acidithiobacillus 种群由于受到四硫酸盐的限制而出现营养不足&＃xff0c;这可能是其活性低于Ferroplasma 种群的原因。第二种解释可能是&＃xff0c;自养型的A. caldus 样MAGs受到了二氧化碳可利用性的限制。
产生的大部分单质硫可能是由异二硫还原酶代谢产生的&＃xff0c;异二硫还原酶由类Ferroplasma 的hdr 基因编码&＃xff08;1055和568 TPM&＃xff09;。硫氧合酶还原酶&＃xff08;sor基因的产物&＃xff09;催化歧化反应形成硫化物和亚硫酸盐是硫单质降解的另一种方式&＃xff0c;基因sor 的mRNA转录属于Acidithiobacillus 样群体&＃xff08;12和17 TPM&＃xff09;。产生的硫化物可能被硫化物:醌氧化还原酶&＃xff08;sqr 基因的产物&＃xff09;所氧化&＃xff0c;它在宏转录组中具有最丰富的转录本&＃xff0c;即基于mRNA序列的相似性&＃xff0c;sqr 被认为归类于Ferroplasma 种群&＃xff08;16780和8509 TPM&＃xff09;。最后&＃xff0c;硫代硫酸盐和亚硫酸盐可能被Acidithiobacillus分别利用基因sox 和sat 的产物代谢。基因sox 的mRNA转录本归属于A. caldus 样MAGs&＃xff08;9和14 TPM&＃xff09;&＃xff0c;而本研究的MAGs没有发现基因sat 的转录本。ISC代谢酶编码的大量转录本支持类Ferroplasma 可以通过厌氧硫化合物氧化来生长的新发现。总的来说&＃xff0c;四硫酸盐是由群落中的多个成员代谢的&＃xff0c;这表明这些种群之间可能存在共生或互利的相互作用。此外&＃xff0c;硫化物、硫、硫代硫酸盐和亚硫酸盐的氧化会释放出电子&＃xff0c;这些电子可能有助于在MFCs中产生电流。
Electron Transfer to the Anode
基于接种与非生物对照&＃xff0c;先前发表的MFC研究强烈支持微生物EET在阳极产生电流。因此&＃xff0c;作者通过宏基因组和宏转录组数据来研究EET的潜在机制。所有的MAG包含一套呼吸链的标准组件的编码基因&＃xff0c;包括NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、延胡索酸盐还原酶研究醌合成通路&＃xff0c;表明微生物菌群通过电子传递链和氧化磷酸化获得能量。在歧化过程中&＃xff0c;由于四硫酸盐同时作为电子受体和电子供体&＃xff0c;ISC中间体&＃xff08;如硫化物、硫单质、硫代硫酸盐和亚硫酸盐&＃xff09;的氧化过程中释放出的电子被转移到醌池中。由于&＃xff0c;微生物通过EET将一部分ISC氧化产生的电子转移到作为最终的电子受体的阳极&＃xff0c;并产生电流。
未检测到外膜结合多血红素c型细胞色素的编码基因。而在古细菌和细菌MAGs中都发现了编码氧化还原穿梭蛋白的合成和分泌的基因&＃xff0c;包括编码核黄素生物合成蛋白的基因和编码O-琥珀酰苯甲酸合成酶的menC。信使RNA转录本的大量甲基萘醌类生物合成包括menC&＃xff08;S1和S2中分别为5450和3110 TPM&＃xff09;&＃xff0c;其次是menE&＃xff08;3232和1738 TPM&＃xff09;和menG &＃xff08;208和102 TPM&＃xff09;&＃xff0c;以及类Ferroplasma 种群中的核黄素生物合成基因ribABLZ&＃xff08;1022和962 TPM&＃xff09;说明他们通过可溶性穿梭蛋白介导EET。尽管缺乏介导EET 的pilA 和pilD 基因&＃xff0c;IV型菌毛其他组件的编码基因存在于所有细菌种群中&＃xff0c;表明这些种群拥有保存能量和通过导电菌毛蛋白进行EET 的遗传潜能。然而&＃xff0c;并没有到识别这些基因的mRNA转录本。C. divulgatum 的纯培养菌株有生长厌氧的能力&＃xff0c;C. divulgatum 类MAG包含核黄素生物合成蛋白质的编码基因&＃xff08;在S1和S2表达量分别为215TPM和345TPM&＃xff09;研究和O-琥珀酰苯酸盐合成酶menC&＃xff08;在S1和S2为分别22 TPM和65 TPM&＃xff09;。这表明C. divulgatum 种群也可能通过可溶性电子穿梭蛋白进行EET。由于类C. divulgatum MAGs缺乏氧化ISC的基因&＃xff0c;因此它们可能依靠嗜酸菌排出的有机碳生长&＃xff0c;利用可溶性电子穿梭蛋白进行EET来保存能量。由于缺少sor&＃xff08;编码一种需要分子氧来氧化单质硫的酶&＃xff09;的mRNA转录本&＃xff0c;所以该MFC中不太可能实现有氧能量产生&＃xff1b;mRNA转录分析支持EET的大部分是由可溶性穿梭蛋白如甲基萘醌和Ferroplasma 属成员产生的核黄素介导的。此外&＃xff0c;在本研究中可能未知嗜酸菌对EET机制也有贡献。值得注意的是&＃xff0c;未被检测到一些已知的嗜中性微生物EET机制&＃xff0c;如Shewanella 菌和Geobacter 菌&＃xff0c;这突出了在嗜酸微生物和酸性自然环境中研究EET机制的必要性。
Carbon Fixation Genes Within the MAGs
采矿废水中的有机碳含量通常非常低&＃xff0c; MFC群落需要固定二氧化碳以实现自养生长。类Ferroplasma 和类C. divulgatum MAG缺乏已知的二氧化碳固定途径的基因&＃xff0c;这些种群可能以化能有机营养方式生长。这已经在一种互利的相互作用中被证明&＃xff0c;即自养嗜酸菌会分泌出支持化能有机营养生长的有机碳&＃xff0c;而化能有机营养菌群&＃xff08;异养菌&＃xff09;清除对自养嗜酸菌有抑制作用的过量有机碳。Acidithiobacillus 样MAGs包含Calvin-Benson-Bassham&＃xff08;CBB&＃xff09;循环和羧基化的基因&＃xff0c;而S. thermosulfidooxidans 样MAGs也包含cbb 基因&＃xff0c;表明它们能够固定二氧化碳。在进行宏转录组的细胞收集时&＃xff0c;可能通过添加碳酸盐来补充的二氧化碳浓度不足&＃xff0c;所以缺乏编码碳固定的mRNA转录本。这也可能解释了与RNA转录丰度数据所提示的类Ferroplasma 相比&＃xff0c;类Acidithiobacillus 的活性较低的原因。
Adaptation to Low-pH Mining Process and Wastewaters
阳极微生物群落来源于pH值低、金属含量高的AMD环境。为了在这样的环境中生长&＃xff0c;嗜酸微生物已经发展出了保持pH稳态和提供金属抗性的机制。嗜酸菌的pH平衡机制包括防止质子渗透的膜&＃xff1b;由一种钾离子产生内部的膜电位&＃xff0c;也能抑制质子内流&＃xff1b;利用质子泵及质子消耗反应&＃xff1b;以及降低细胞通透性。但嗜酸菌在MFCs中维持pH稳态的需要会对电池电压产生负面影响&＃xff0c;降低发电量&＃xff0c;降低库仑效率。所有的MAG均含有K&＃43;转运ATP酶的Kdp编码基因&＃xff0c;类Ferroplasma、类Acidithiobacillus 和类C. divulgatum 的MAG具有编码电压门控钾通道的kch 基因&＃xff0c;而A. caldus 样MAG拥有较低亲和力K&＃43;转运蛋白编码基因kup。相比之下&＃xff0c;类Ferroplasma MAG有一个pH门控的kcsA 钾通道&＃xff0c;类C. divulgatum 以及类Ferroplasma MAG有一个Na&＃43;/H&＃43;反向转运蛋白编码基因 nhaG。此外&＃xff0c;类细菌MAG中含有一个或多个Na&＃43;/H&＃43;反向转运蛋白编码基因&＃xff0c;除类Ferroplasma MAGs外&＃xff0c;其他MAG均含有H&＃43;/Cl-交换转运蛋白编码基因clcA。在所有MAGs中识别到多个质子消耗反应所需的谷氨酸脱羧酶编码基因gadABC。精胺通过水孔蛋白降低细胞通透性&＃xff0c;除一个C. divulgatum 样MAG外&＃xff0c;其余MAG均有精胺合酶&＃xff08;SpeE&＃xff09;的编码基因&＃xff0c;而两个S. thermosulfidooxidan 样MAGs含有最多的精胺/腐胺相关基因。mRNA转录结果表明&＃xff0c;细胞并没有受到强烈的pH胁迫&＃xff0c;因为只有在Acidithiobacillus 属和Ferroplasma 属中鉴别出谷氨酸脱羧酶和钾转运蛋白的表达&＃xff0c;以及在Ferroplasma 中鉴别出speE 的表达。
矿井水通常含有较高的金属浓度&＃xff0c;要求微生物群落具有抗性&＃xff0c;因此&＃xff0c;对MAGs中潜在的金属和非金属抗性系统进行了研究。所有重组的MAGs都包含从最小单元arsRB&＃xff08;A. caldus-样MAGs&＃xff09;&＃xff0c;到S. thermosulfidooxidans 样MAGs中完整的arsRBCAD 基因簇&＃xff0c;这表明此类菌株对砷酸盐具有抗性。所有的细菌MAGs都分别含有编码二价铜和铜/银抗性的copA或cus基因。此外&＃xff0c;类A. caldus和类S. thermosulfidooxidans MAGs含有cso 基因介导的单价铜抗性系统。Acidithiobacillus 菌样MAG的抗镉/钴/锌czc 系统基因的拷贝数最多。MAG中多样的金属抗性体系是栖息于AMD嗜酸菌的典型特征&＃xff0c;反映了菌群取样的流域中含有锌、铜、铅、金、银等多种金属组成的复杂矿石。mRNA转录本中三种与金属抗性相关的基因为调节因子&＃xff0c;这表明细胞在含有缺乏高浓度金属的MFC合成培养基中可能不受到重金属胁迫。
微生物-矿物相互作用是了解地球上主要元素循环的基础&＃xff0c;微生物EET还原氧化矿物的关键过程。通过用电极代替天然矿物&＃xff0c;MFC是了解这些过程的一个很好的平台。在这里&＃xff0c;作者报告了一个新的类Ferroplasma&＃xff0c;它被认为是MFC阳极微生物群落中最活跃的微生物&＃xff0c;能够代谢ISCs&＃xff0c;而且mRNA转录分析表明其编码可能介导EET的氧化还原活性分子。此外&＃xff0c;遗传信息和RNA转录数据表明&＃xff0c;这几个群体介导了四硫酸盐的代谢。这也提示了群落内的有共生或互利的相互作用可以潜在地利用可溶性电子穿梭通路来进行ISC的多物种代谢&＃xff0c;以及由自养生物生产有机碳来支持异养生物的生长。作者的发现为嗜酸微生物的代谢能力及其在工程环境中的生活方式提供了新的见解&＃xff0c;阐明了其生物功能&＃xff0c;加深了对嗜酸菌EET机制的研究&＃xff0c;为未来工业规模的MFC作为一种可再生、节能的方法&＃xff0c;在发电、废水处理等方面的应用做了铺垫。
撰文&＃xff1a;August 中南大学
责编&＃xff1a;刘永鑫 中科院遗传发育所
黎亮志&＃xff0c;18级生物工程硕士&＃xff0c;中南大学资源加工与生物工程学院本硕&＃xff0c;研究方向为环境微生物组学&＃xff0c;目前主攻极端嗜酸微生物的基因组学研究&＃xff0c;曾在微生物学国际学术期刊《Applied and environmental microbiology》发表一作论文。欢迎批评、指正和交流。邮箱&＃xff1a;185611025&＃64;csu.edu.cn
原文连接&＃xff1a;https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6289977/
Ni G, Simone D, Palma D, et al. A Novel Inorganic Sulfur Compound Metabolizing Ferroplasma-Like Population Is Suggested to Mediate Extracellular Electron Transfer. Front Microbiol. 2018;9:2945. Published 2018 Dec 5. doi:10.3389/fmicb.2018.02945
为鼓励读者交流、快速解决科研困难&＃xff0c;我们建立了“宏基因组”专业讨论群&＃xff0c;目前己有国内外5000&＃43; 一线科研人员加入。参与讨论&＃xff0c;获得专业解答&＃xff0c;欢迎分享此文至朋友圈&＃xff0c;并扫码加主编好友带你入群&＃xff0c;务必备注“姓名-单位-研究方向-职称/年级”。技术问题寻求帮助&＃xff0c;首先阅读《如何优雅的提问》学习解决问题思路&＃xff0c;仍末解决群内讨论&＃xff0c;问题不私聊&＃xff0c;帮助同行。
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