Aerobic H2 respiration enhances metabolic flexibility of methanotrophic bacteria

好氧氫氣呼吸增強甲烷氧化細菌的代謝靈活性

來源 bioRxiv preprint first posted online September 16, 2016

《bioRxiv預印本》，2016年9月16日在線首次發布

 

摘要

這篇論文摘要指出，甲烷氧化細菌是土壤中重要的甲烷生物過濾器，但傳統觀點認為它們是專性甲基營養菌，只代謝單碳化合物。本研究通過研究疣微菌門的一種甲烷氧化細菌Methylacidiphilum sp. RTK17.1，發現它能氧化氫氣，并在好氧條件下進行氫氣呼吸。氫氣氧化雖不能作為唯一電子源支持生長，但能顯著增強在氧氣充足和氧氣限制條件下的混合營養生長產量，并在甲烷饑餓時維持持久性。研究表明，氫氣氧化是甲烷氧化細菌在化學限制環境中保持能量狀態的一種普遍策略。

 

研究目的

本研究旨在探究氫氣酶在甲烷氧化細菌中的生理作用，特別是驗證氫氣氧化是否能增強甲烷氧化細菌的代謝靈活性，幫助其在甲烷限制或氧氣波動的環境中生存和生長。目標包括確定氫氣氧化對生長和持久性的貢獻，并評估其在自然生態系統中的普遍性。

 

研究思路

研究思路包括從新西蘭Rotokawa地熱土壤進行環境采樣，通過分子調查（如16S rRNA測序和qPCR）分析微生物群落和功能基因豐度。分離并鑒定一株耐熱嗜酸甲烷氧化細菌Methylacidiphilum sp. RTK17.1，進行基因組測序以識別氫氣酶基因。通過生理實驗，如恒化器培養、批量培養和實時氫氣氧化測量，評估氫氣氧化對生長的影響。使用統計和通徑分析關聯環境因素與微生物活動。

 

測量的數據及研究意義

1. 土壤中甲烷和氫氣濃度剖面數據：數據來自圖1。研究意義在于顯示在土壤表層（0-20厘米）甲烷和氫氣濃度急劇下降，表明高氧化活性，與疣微菌門甲烷氧化細菌的豐度相關，證實這些細菌在自然環境中同時氧化甲烷和氫氣。

 

2. 氫氣氧化速率數據：使用丹麥Unisense氫微傳感器測量全細胞氫氣氧化速率，顯示速率與細胞密度成正比，并可低至55 ppmv濃度。數據來自圖2a和圖S3。研究意義在于首次證實疣微菌門甲烷氧化細菌具有氫氣氧化能力，并驗證其高親和力。

 

 

3. 氫氣酶活性和定位數據：通過比色法測量細胞裂解物，顯示膜結合Group 1d氫氣酶活性高于胞質部分，數據來自圖2b。研究意義在于確認氫氣氧化與好氧呼吸鏈耦合，通過醌載體產生能量。

4. 生長產量數據：在恒化器實驗中，測量添加氫氣對生長產量的影響，顯示在氧氣限制條件下氫氣添加使生長產量顯著增加。數據來自表1。研究意義在于證明氫氣氧化能增強混合營養生長，尤其在缺氧環境中提高能量效率。

 

5. 基因表達數據：通過RT-PCR證實Group 1d氫氣酶在生長過程中組成型表達，數據來自圖S4。研究意義在于支持生理觀察，顯示氫氣代謝的遺傳基礎。

 

 

結論

1. 甲烷氧化細菌能通過氧化氫氣增強代謝靈活性，支持在甲烷限制環境中的生存和生長。

2. 氫氣氧化在氧氣限制條件下更為顯著，表明這是一種適應動態氧化還原界面的策略。

3. 基因組分析顯示所有已測序的甲烷氧化細菌都編碼氫氣酶，提示氫氣氧化是一種普遍機制，可能影響全球甲烷和氫氣循環。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司生產的氫微傳感器進行氫氣氧化測量，這一技術具有重要的研究意義。首先，該傳感器能夠實現高分辨率、實時的氫氣濃度監測，靈敏度高達55 ppmv，使得研究人員能夠精確量化細菌在低環境濃度下的氧化速率，這對于理解微生物在自然條件下的代謝活動至關重要。其次，微傳感器的小型化設計（尖端直徑25微米）允許無損插入細胞懸浮液，避免了傳統方法可能引起的擾動，從而獲得更真實的生理數據。此外，實時測量數據（如圖2a和2c）揭示了氫氣氧化與質子動力勢的耦合關系，通過使用離子載體（如尼日利亞菌素和纈氨霉素）實驗，證實了氫氣酶對化學滲透梯度的敏感性。這些高精度數據不僅直接支持了氫氣氧化是好氧呼吸過程的結論，還幫助構建了代謝模型（如圖3），闡明氫氣如何整合到甲烷氧化途徑中。總之，Unisense電極的應用提供了關鍵證據，推動了從“專性代謝”到“混合營養”范式的轉變，增強了對微生物環境適應性的理解。