探秘河口沉积物：兼性硫化物氧化异养反硝化菌（F-SOHDs）重塑硫循环与气候影响新格局

在许多生态系统中，异养反硝化菌难以应对硫化物毒性，影响反硝化过程和温室气体排放。研究人员以河口沉积物为对象开展研究，发现了 F-SOHDs，其能耦合硫氧化与反硝化，减少 N2O 排放。这为理解微生物群落生态和调控元素循环提供了新视角。

　　在神秘的自然生态系统中，氮、硫等元素的循环犹如一部精密运转的 “生态机器”，对维持地球的生态平衡起着至关重要的作用。反硝化作用，作为氮循环中的关键环节，能将硝酸盐转化为氮气，在调节生态系统氮含量方面功不可没。然而，这部 “机器” 却存在一些棘手的问题。在众多河口、沿海区域以及海洋缺氧地带，硫化物常常 “捣乱”。它就像一个暗藏的 “生态破坏者”，会强烈抑制反硝化过程中的关键酶，导致反硝化作用受阻，大量的氧化亚氮（N₂O）被排放出来。N₂O 可是个厉害角色，它不仅是强效的温室气体，会加剧全球气候变暖，还会破坏臭氧层、引发酸雨，给地球生态环境带来诸多负面影响。

一直以来，人们普遍认为化能自养反硝化菌是参与硫化合物氧化和硫化物解毒的 “主力军”。但近年来，一些研究发现，某些特殊的细菌似乎有着别样的 “本领”。它们被称为兼性硫化物氧化异养反硝化菌（Facultative Sulfide-Oxidizing Heterotrophic Denitrifiers，F-SOHDs），具备氧化硫化物的能力。不过，它们在自然生态系统中的真实存在情况、所扮演的生态角色以及发挥的作用机制，依旧是谜团重重。

为了揭开这些谜团，深入了解微生物在元素循环中的奥秘，哈尔滨工业大学等多家研究机构的研究人员踏上了探索之旅。他们将目光聚焦在松花江入海口这一生态区域，这里生态系统活跃，是研究元素循环的理想场所。研究人员通过一系列巧妙设计的实验，为我们带来了许多意想不到的发现。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解生态系统中微生物的功能和元素循环提供了全新的视角。

研究人员主要运用了微宇宙培养实验、DNA 稳定同位素探测（DNA-SIP）技术以及宏基因组学分析等方法。在微宇宙培养实验中，他们模拟自然环境，观察微生物的生长和代谢情况；DNA-SIP 技术则帮助他们追踪微生物对不同碳源的利用情况，从而判断微生物的代谢类型；宏基因组学分析让研究人员能够深入了解微生物群落的基因组成和潜在功能。

研究结果如下：

• 硫化物和有机物促进河口沉积物中硝酸盐还原：研究人员采集了松花江入海口的沉积物样本，发现尽管现场硫化物浓度较低，但硫循环却十分活跃。添加硫化物后，硝酸盐的消耗显著增加；当添加有机物时，同样引发了硝酸盐的快速减少。这表明微生物能够利用硫化物和有机物作为电子供体，促进硝酸盐的呼吸作用。
• 异养反硝化菌意外参与硫氧化：通过 DNA-SIP 实验，研究人员发现一些异养反硝化菌，如 Azoarcus 和 Pseudomonas，在添加硫化物后，其¹³C_o同化作用增强，相对丰度也有所增加。这意味着这些异养反硝化菌不仅能够进行反硝化作用，还参与了硫氧化过程。而且，与化能自养反硝化菌 Thiobacillus 相比，F-SOHDs 在有硫化物存在时更具竞争优势。
• F-SOHDs 的代谢潜力被宏基因组学揭示：宏基因组测序分析发现，从微宇宙实验和自然沉积物中重建的多个宏基因组组装基因组（MAGs），代表了具有近完整反硝化或异化硝酸盐还原为铵（DNRA）途径的异养硫氧化菌。这些 MAGs 编码多种参与硫氧化和反硝化的酶，表明 F-SOHDs 在基因组层面具备强大的代谢潜力。
• 长期富集培养证实 F-SOHDs 的非硫依赖生理特性：研究人员利用定制的生物反应器系统，对 F-SOHDs 进行长期富集培养。实验结果显示，在有硫化物存在时，F-SOHDs 能够氧化多种硫化合物，同时消耗有机物并促进细胞生长；而在无硫化物的情况下，它们也能恢复异养反硝化能力。这表明 F-SOHDs 可以根据环境中硫化物的有无，灵活调整自身的代谢方式。
• F-SOHDs 在硫化物解毒和减少 N₂O 排放方面的重要意义被忽视：研究发现，在不同的实验室培养条件下，F-SOHDs 能够迅速消耗硫化物，且在有硫化物存在时，相比传统异养反硝化菌，它们消耗的有机物更少。更重要的是，F-SOHDs 能够显著降低 N₂O 的排放，这为缓解温室效应提供了新的思路。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功识别出了 F-SOHDs 这一独特的微生物群体，它们在河口环境的多个生物地球化学循环中发挥着重要作用。F-SOHDs 具备的多种硫氧化途径，使其能够有效应对硫化物的毒性，同时还能通过氧化硫化物获取能量，支持自身的生长和反硝化过程。这种独特的生理特性让它们能够适应环境中硫化物浓度的变化，在生态系统中占据一席之地。

此外，F-SOHDs 在减少 N₂O 排放方面的能力，为控制温室气体排放提供了新的方向。在污水处理等实际应用场景中，引入 F-SOHDs 有望增强异养反硝化活性污泥对硫化物的抗性，提高氮和有机物的去除效率，减少 N₂O 的排放。不过，目前对于 F-SOHDs 在自然生态系统中的分布和生态角色，我们的了解还十分有限，未来还需要开展更多大规模的系统研究，进一步深入探索这些微生物的奥秘，挖掘它们在环境保护和生态修复等方面的巨大潜力。