一株陶厄氏属新种的Fe(III)与腐殖质呼吸电子传递途径研究

Iron and humus respiration are important microbial metabolism and electron transport pathway is the key issue of extracellular respiration. Thauera species are most noted for their versatile metabolism and their ability to degrade various aromatic compounds. Thus, Thauera has emerged internationally as an environmentally important genus. Recently, this genus was newly found to have the ability of humus respiration. Additionally, there is no report on electron transport pathway of extracellular respiration in this genus. This project aims to set up an experimental system of a novel humus-reducing species, T. humireducens SgZ-1, study its features of iron and humus respiration and find out possible mechanism of intracellular electron transfer, including electron carriers involved in the electron transport chain and functions of associated c-type cytochromes. Furthermore, possible mechanism of extracellular electron transfer can be investigated. By comparing the pathways of metabolic and electron transfer between humus and iron respiration, the results from this project are expected to provide more information on electron transport mechanism of microbial extracellular respiration and will also be significantly help to understand the electron transfer characteristics and the environmental function of the genus Thauera.

Fe(III)和腐殖质呼吸是重要的微生物胞外呼吸形式，电子传递途径是胞外呼吸研究的核心科学问题。陶厄氏属是环境中重要的功能菌群，在有机污染物降解和氮素循环中发挥重要作用。腐殖质呼吸是陶厄氏属的新型呼吸特性。目前，有关该属胞外呼吸电子传递途径的研究还未见报道。本项目拟以腐殖质还原菌新种Thauera humireducens SgZ-1为研究对象，系统研究其Fe(III)和腐殖质呼吸特性，明确质膜电子传递链组分和相应c型细胞色素功能，探寻其胞外电子传递的可能机制，揭示菌株SgZ-1 Fe(III)和腐殖质呼吸完整的电子传递途径，并比较Fe(III)呼吸和腐殖质呼吸过程菌株SgZ-1底物代谢和电子传递途径的差异，为解析胞外呼吸的电子传递过程提供依据，也为全面理解陶厄氏属的电子转移特性和环境应用潜力提供理论基础。

电子传递途径的研究将为全面解析细菌电子转移特性和环境功能提供理论基础。本项目以腐殖质还原菌新种Thauera humireducens SgZ-1为研究对象，研究Fe(III)/腐殖质呼吸特性和电子传递途径，主要研究内容和重要结果如下：.(1)Fe(III)和腐殖质呼吸特性：菌株SgZ-1可以利用有机酸(乙酸、乳酸、丙酸和丙酮酸)为有效电子供体。可以利用腐殖质模式物(AQDS和AQS)、腐殖酸(sigma-HA和ES-HA)、可溶性Fe(III)(Fe-EDTA和Fe-citrate)和不溶性Fe(III) (水铁矿和针铁矿)、染料(金橙I)、硝酸盐为电子供体。.(2)底物代谢：以AQDS、AQS 或 Fe-EDTA为电子受体时，菌株SgZ-1可以利用丙酮酸或乙酸支持菌体厌氧生长。以HFO为电子受体时，菌株SgZ-1只能利用丙酮酸支持菌体生长。基因组中含有乙酸代谢基因8个，丙酮酸代谢基因6个，葡萄糖代谢基因12个。.(3)胞内电子传递机制研究：建立并比较了O2、AQS、Fe-EDTA和HFO电子受体条件下菌株SgZ-1质膜电子传递链。O2和 AQS还原条件下，菌株SgZ-1的电子传递链组分为脱氢酶、醌泵和细胞色素b/c。HFO还原条件下，电子传递链组分只包含NADH脱氢酶。Fe-EDTA还原条件下，电子传递链组分包含脱氢酶和细胞色素b/c。不同电子受体条件下菌株的电子传递链组分存在明显差异。.(4)胞外电子传递机制研究：菌株主要采用细胞色素c直接电子传递方式完成胞外电子传递过程。完整细胞的还原态和氧化态光谱均表现出典型的细胞色素c特征。厌氧条件下，完整细胞的细胞色素c可将电子传递给细胞外的Fe-EDTA或HFO。Fe-EDTA和硝酸盐受体条件下，细胞色素c蛋白的表达含量高于HFO和AQS受体条件。菌株基因组含有42个细胞色素c编码基因，19个与电子传递相关。7个纳米导线相似基因。41个基因参与氧化磷酸化过程。多个基因参与甲苯、苯酚、双酚、多环芳烃、二噁英类、莠去津等物质代谢。.本项目为全面理解陶厄氏属Fe(III)/腐殖质呼吸电子传递机制和潜在环境功能提供理论基础，也为Fe(III)/腐殖质介导的污染物微生物厌氧降解和修复、废水/土壤脱硝等提供技术支撑。