黄素介导的滨海湿地地杆菌与产甲烷菌间电子传递机制

Microbial interspecies electron transfer (IET) is the driving force of elements cycling and energy metabolism in epigeosphere, especially in coastal wetlands, where are the most intense interaction between sea and land and have extremely rich electron donors and acceptors. Flavins are capable of promoting microbial extracellular electron transfer. However, whether flavins could promote IET between the bacteria and the bacteria or the archaea in coastal wetlands are still unknown. Our previous studies have demonstrated that both activated carbon and magnetite can facilitate IET between Geobacters or Geobacter and methanogens in coastal wetlands. The project will establish syntrophic co-cultures with defined pure cultures of both bacteria-bacteria and bacteria-diverse methanogenic archaea. Initially, metabolism will be substantially calculated and analyzed by GC and HPLC when soluble flavins were added to co-cultures of Geobacter metallireducens and Geobacter sulfurreducens or diverse methanogens. In the meantime, the different expression of key genes involved in the pathways will be analyzed by comparative transcriptomics and genetic manipulation, which will further explore roles and mechanisms of flavins-mediated IET in microbial co-cultures. The results will further reveal the molecular mechanism of flavins-mediated microbial extracellular electron transfer, and provide theoretical basis for more scientific assessment methane emission of coastal wetlands and the construction of ecological model.

微生物种间电子传递是地球表层生态系统中元素循环与能量代谢的核心驱动力，尤其是在海陆交互作用最为激烈、各类电子供受体极其丰富的滨海湿地。黄素类物质能够促进微生物胞外电子传递机制，但其是否能够促进滨海湿地细菌与细菌以及细菌与古菌间电子传递尚未可知。前期工作证实活性炭和磁铁矿能够促进滨海湿地地杆菌之间以及地杆菌与产甲烷菌之间的电子传递。本项目拟建立滨海湿地广泛存在的细菌与细菌以及各种营养型产甲烷菌的共培养体系，添加可溶性的黄素类物质进行测试，分别利用GC和HPLC技术分析黄素类物质对共培养物中种间电子传递过程的影响。同时利用比较转录组学和基因遗传操作等分子手段分析共培养物中代谢途径相关的重要基因，进而探讨黄素类物质介导的共培养体系中种间电子传递的作用及机制。研究结果将进一步揭示黄素类物质介导的微生物胞外电子传递的分子机制，为更科学评估滨海湿地甲烷排放及生态模型构建提供理论依据。

微生物种间电子传递是地球表层生态系统中元素循环与能量代谢的核心驱动力，尤其是在海陆交互作用最为激烈、各类电子供受体极其丰富的滨海湿地。黄素类物质是厌氧微生物重要的电子载体，并且研究表明这类物质能够促进微生物胞外电子传递，但其是否能够促进滨海湿地细菌与古菌之间电子传递尚未可知。基于本项目支持，取得的研究进展如下：(1) 不同产甲烷菌由河到海过程中的营养策略。高通量测序结合富集培养与纯培养技术分析产甲烷菌的群落结构，发现由河到海过程中产甲烷菌多样性降低，且营养类型由复杂到单一，表明不同产甲烷菌在河流-海洋梯度上的分布可能有助于产甲烷菌的适应策略和生存机制。(2) 具有种间直接电子传递能力的电活性细菌和产甲烷菌。利用纯培养技术从富集培养的滨海湿地共生团聚体中分离了新型具有直接电子传递能力的脱硫弧菌和甲烷杆菌，建立了基于种间直接电子传递的地杆菌/脱硫弧菌和甲烷杆菌共培养体系，研究结果拓展了对具有直接电子传递能力的电活性细菌和产甲烷菌多样性的认知。(3) 核黄素介导的电活性细菌与产甲烷菌种间电子传递机制。建立了核黄素添加的地杆菌与乙酸营养型甲烷八叠球菌和氢营养型甲烷杆菌互营共培养体系，比较转录组学分析了添加和不添加核黄素共培养物代谢途径中关键基因的差异表达，表明核黄素添加的共培养体系中，甲烷八叠球菌和甲烷杆菌激活了不同的产甲烷途径。甲烷杆菌生长的较早启动与核黄素激发了编码甲基辅酶M还原酶 (Mcr II) 基因的过表达密切相关。研究结果揭示了核黄素介导的乙酸营养型和氢营养型产甲烷菌接受地杆菌电子的不同转录组特征，表明核黄素选择性促进产甲烷菌接受电子，并为废水处理厌氧消化器的快速启动提供了新的思路。项目完成了预定的研究计划与任务，部分工作还有待进一步深入。