好氧甲烷氧化菌对挥发性有机硫化物的代谢特性及其在湖泊水体硫循环中的作用

Sulfur is the basic element of life. Aerobic methanotrophs not only can oxidize methane, but also develop the potential to metabolize volatile organic sulfur compounds (VOSCs) under the stress of VOSCs and play an important role in sulfur cycle in habits. But so far, the action mechanism of VOSCs metabolism by aerobic methanotrophs is still unclear. Studies will be conducted to investigate the following aspects in this project: 1) apply transcriptome to study the genetic adaptation mechanism of aerobic methanotrophs to metabolize VOSCs, and construct mutant strains to verify the function of key genes with Methylocystis sp. W5 as a model organism; 2)combing with in situ study of the typical lake (Taihu), apply stable isotope probing and molecular techniques to investigate the main functional microbes of VOSCs metabolism in lakes and 3) dynamically monitor the metabolic process of VOSCs by simulating algae growth in the laboratory. And then combining with the structure and function analysis of the metabolizing microorganisms of methane and VOSCs, the metabolic characteristics of aerobic methanotrophs and their role in the sulfur cycle in lakes will be elucidated. The obtained results of the project will greatly expand the theory of sulfur cycle related to the physiological metabolism of aerobic methanotrophs, and enrich the theory of microbial ecology of the coupling cycle of carbon and sulfur elements in aquatic environments.

硫是生命的基本元素，好氧甲烷氧化菌不仅能够氧化甲烷，而且面临着环境挥发性有机硫化物（VOSCs）的胁迫演化出具有代谢VOSCs的潜力，在生境的硫循环中扮演着重要角色，但迄今为止，好氧甲烷氧化菌对VOSCs代谢的作用机制仍不清楚。项目拟以Methylocystis sp. W5为模式生物，利用转录组研究好氧甲烷氧化菌代谢VOSCs的遗传适应机制，并构建突变菌株验证关键基因功能；结合典型湖泊（太湖）水体原位环境研究，采用稳定性同位素探针和分子生物学技术，探究湖泊水体中VOSCs代谢的主要功能微生物；同时构建湖泊藻类生长模拟装置，动态监测VOSCs代谢过程，然后结合甲烷和VOSCs代谢微生物的结构和功能分析，阐明在湖泊水体中好氧甲烷氧化菌对VOSCs的代谢特征及其在硫循环中的作用。项目成果将能极大拓展好氧甲烷氧化菌生理代谢的硫循环相关理论，丰富湖泊水生环境中碳硫元素耦合循环的微生物生态学理论。

好氧甲烷氧化菌不仅能够氧化甲烷，而且面临挥发性有机硫化物（VOSCs）的胁迫演化出具有代谢VOSCs的潜力，并且好氧甲烷氧化菌的代谢活动能够影响生境中硫代谢微生物的生长，在生境的硫循环中扮演着重要角色。项目在研究好氧甲烷氧化菌代谢VOSCs的遗传机制的基础上，结合典型湖泊（太湖）原位分析和DNA-SIP技术，探究了好氧甲烷氧化菌对VOSCs胁迫的响应特征及作用机理。结果表明，好氧甲烷氧化菌能够以CH3SH的形式代谢VOSCs包括二甲基二硫醚(DMDS)、CH3SH、二甲基硫（DMS）和CS2，生成H2S、过氧化氢和甲醛，H2S可以转化生成多聚硫化物和亚硫酸盐，亚硫酸盐在有氧条件氧化生成硫酸盐，甲醛可以与甲烷氧化过程中生成的甲醛一起进入碳代谢。在缺氧条件下好氧甲烷氧化菌能够通过H4MPT依赖途径氧化甲醛，并通过代谢中间产物（如甲醇和甲醛）耦合铁还原反应；同时，好氧甲烷氧化菌拥有氮氢代谢基因，可为缺氧条件下生物节能代谢提供潜在的替代选择。低氧条件能够促进甲烷氧化碳如乙酸、甲醇、䓍酸等的分泌，有利于耦合生境中反硝化和VOSCs降解等反应。在生境中甲烷对DMS代谢活性具有抑制作用，甲烷的存在会减少DMS-S向SO42-的转化，提高DMS及其碳代谢中氨基酸和能量代谢、外源性物质的降解和代谢、及膜运输等途径，削减DMS氧化碳流入甲烷和硫代谢。甲基营养菌和甲烷氧化菌是同化DMS氧化碳的重要微生物。湖泊富营养化和藻类的生长会促进其中甲烷和VSCs的释放，其中CS2和H2S是湖泊中主要释放的VSCs。VSCs和甲烷共存会降低甲烷氧化菌和甲基营养菌的丰度，刺激胞外多聚物的分泌，增加CO2的排放量。研究成果拓展了好氧甲烷氧化菌生理代谢的相关理论，丰富了生境中碳硫元素耦合循环的微生物生态学理论。