2025-03-10
近期(qi)，東北農業大學(xue)(xue)生命科學(xue)(xue)學(xue)(xue)院在(zai)(zai)《Journal of Hazardous Materials》期(qi)刊上發表了(le)題為“Multi-omics reveal an overlooked pathway for H2S production induced by bacterial biogenesis from composting”的研究成果。硫酸鹽還原(yuan)被(bei)認為是堆(dui)肥過程(cheng)中硫化(hua)(hua)氫（H2S）排放的主要來(lai)源(yuan)，但其實際貢(gong)獻(xian)率受限(xian)于復雜微生物(wu)群落動態。本研究探討了(le)DL-炔丙基甘氨(an)酸（PAG，一種半胱氨(an)酸裂(lie)解酶的抑制劑）生物(wu)合成途徑在(zai)(zai)堆(dui)肥過程(cheng)中，不同通風速率條件(jian)下(xia)對H2S產生的貢(gong)獻(xian)，為基于通風策略(lve)優(you)化(hua)(hua)的硫素轉化(hua)(hua)過程(cheng)控制提供了(le)新的理論依據，填補(bu)了(le)生物(wu)合成途徑在(zai)(zai)堆(dui)肥H2S排放中作用的研究空白(bai)，為今后的環境管理和(he)污(wu)染源(yuan)頭(tou)控制提供了(le)突(tu)破性的指導(dao)。
本研究的16s、宏基因組測序和部分分析由上海派森諾生物(wu)科(ke)技(ji)股份(fen)有限公司完成。
NO.1、研(yan)究(jiu)背景
硫(liu)化(hua)(hua)氫（H2S）作(zuo)為大氣中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)主要(yao)惡臭(chou)氣體與污染物(wu)(wu)，堆(dui)(dui)(dui)肥作(zuo)為H2S的(de)(de)重要(yao)排放源(yuan)，如(ru)何在堆(dui)(dui)(dui)肥過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)從(cong)源(yuan)頭上抑制H2S的(de)(de)產(chan)生成(cheng)為研(yan)究熱點(dian)。已知微生物(wu)(wu)介導的(de)(de)硫(liu)酸鹽還(huan)原是堆(dui)(dui)(dui)肥過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)H2S排放的(de)(de)主要(yao)途(tu)徑(jing)。在氧(yang)氣不足(zu)或厭氧(yang)條件下，微生物(wu)(wu)利(li)用硫(liu)酸鹽作(zuo)為替代電子受體維(wei)持代謝(xie)，從(cong)而產(chan)生H2S。此外(wai)細菌(jun)還(huan)可通過(guo)半(ban)(ban)胱(guang)(guang)氨(an)酸裂(lie)(lie)解產(chan)生內源(yuan)性H2S，以此抵(di)抗氧(yang)化(hua)(hua)應激。這一過(guo)程(cheng)由胱(guang)(guang)硫(liu)醚(mi)-β-合(he)酶（CBS）、胱(guang)(guang)硫(liu)醚(mi)-γ-裂(lie)(lie)解酶（CSE）和3-巰基丙酮酸硫(liu)轉移酶（3-MST）等(deng)常見(jian)半(ban)(ban)胱(guang)(guang)氨(an)酸裂(lie)(lie)解酶催化(hua)(hua)。由于堆(dui)(dui)(dui)肥初期溫度變化(hua)(hua)劇烈，微生物(wu)(wu)面(mian)臨強烈氧(yang)化(hua)(hua)應激，因此推測細菌(jun)H2S生物(wu)(wu)合(he)成(cheng)可能是堆(dui)(dui)(dui)肥過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)H2S排放的(de)(de)一個被忽視的(de)(de)途(tu)徑(jing)，但目前(qian)缺乏直接證據。
NO.2、技術路線(xian)
NO.3、研(yan)究(jiu)成(cheng)果
1.堆肥過程中(zhong)硫組分及(ji)酶(mei)活(huo)性的動態變化
H2S的(de)排放主要發生(sheng)在堆肥的(de)前6天，之后日排放量(liang)逐漸(jian)減少（圖1a）。不同(tong)通風條件下比較(jiao)表(biao)明PAG的(de)添加明顯抑制了(le)堆肥過程中(zhong)H2S的(de)排放，除了(le)硫(liu)酸鹽還原外，堆肥過程中(zhong)還可(ke)能有其他途徑導致H2S的(de)產生(sheng)。
圖(tu)1 | 堆肥過程(cheng)中S組分和酶(mei)活性的變(bian)化。
2.與(yu)H2S產生相關的微生物網(wang)絡和核心細(xi)菌
添(tian)(tian)加(jia)(jia)(jia)PAG對堆(dui)肥過(guo)程(cheng)中細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)群落組成和網絡結(jie)果結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)變化存在(zai)影(ying)響。通過(guo)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)關聯網絡分(fen)析發現添(tian)(tian)加(jia)(jia)(jia)PAG增(zeng)強了(le)(le)(le)高通風率條件下微生物(wu)網絡的(de)(de)(de)(de)復雜性(xing)，而在(zai)低通風率條件下則削弱了(le)(le)(le)其復雜性(xing)，這(zhe)與(yu)Chao1指數一致。通過(guo)關聯分(fen)析發出現H2S排放、酶活(huo)性(xing)和細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)在(zai)屬水平(ping)上(shang)的(de)(de)(de)(de)存在(zai)顯著的(de)(de)(de)(de)相關性(xing)（圖(tu)2b-e）。添(tian)(tian)加(jia)(jia)(jia)PAG后某些核心(xin)(xin)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)的(de)(de)(de)(de)豐(feng)度有(you)所增(zeng)加(jia)(jia)(jia)（如Savagea、Lysinibacillus、Proteiniborus），但核心(xin)(xin)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)的(de)(de)(de)(de)多樣性(xing)顯著減少，表明添(tian)(tian)加(jia)(jia)(jia)PAG降低了(le)(le)(le)與(yu)H2S產生相關的(de)(de)(de)(de)核心(xin)(xin)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)的(de)(de)(de)(de)多樣性(xing)。
圖2 | 與H2S產生相關的(de)細菌網絡和(he)核心細菌的(de)變(bian)化(hua)。
3.添(tian)加PAG對微生物硫(liu)酸鹽還原(yuan)和H2S生物合成的影響
堆肥第4天(tian)是H2S產(chan)生(sheng)的關(guan)鍵時期，因此(ci)從第4天(tian)起的樣品進(jin)(jin)行(xing)宏基因組和宏蛋白組分(fen)析，結果表明(ming)在(zai)低通(tong)(tong)風量(liang)條(tiao)件(jian)下(xia)檢測到同化(hua)和異化(hua)硫(liu)(liu)酸鹽還(huan)(huan)原相關(guan)基因（圖(tu)3a），而在(zai)高(gao)通(tong)(tong)風率下(xia)未檢測到異化(hua)硫(liu)(liu)酸鹽還(huan)(huan)原中SO32-轉(zhuan)化(hua)為(wei)H2S的基因，這表明(ming)在(zai)高(gao)通(tong)(tong)風率下(xia)H2S的產(chan)生(sheng)僅(jin)通(tong)(tong)過同化(hua)硫(liu)(liu)酸鹽還(huan)(huan)原進(jin)(jin)行(xing)。而低通(tong)(tong)風條(tiao)件(jian)下(xia)，同化(hua)和異化(hua)硫(liu)(liu)酸鹽還(huan)(huan)原均具有產(chan)生(sheng)H2S的潛力。
圖(tu)3 | 添加PAG對微生(sheng)(sheng)物(wu)硫(liu)酸鹽還原和(he)H2S生(sheng)(sheng)物(wu)合成的影(ying)響。
4.PAG抑(yi)制H2S排放(fang)的機(ji)理及純培養實驗(yan)驗(yan)證
利用(yong)SEM進一步揭示了(le)(le)添(tian)(tian)加PAG抑(yi)制堆肥(fei)(fei)過程中H2S產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)影響機制（圖4）。為了(le)(le)進一步驗(yan)證(zheng)(zheng)PAG對堆肥(fei)(fei)微(wei)生(sheng)(sheng)物群(qun)H2S排(pai)放的(de)抑(yi)制作用(yong)，提(ti)取CH和CL堆肥(fei)(fei)第4天(tian)的(de)微(wei)生(sheng)(sheng)物群(qun)進行純(chun)培(pei)養，并(bing)在培(pei)養液中人(ren)為添(tian)(tian)加PAG，發現PAG減少了(le)(le)堆肥(fei)(fei)微(wei)生(sheng)(sheng)物群(qun)的(de)H2S排(pai)放。純(chun)培(pei)養結果證(zheng)(zheng)實，PAG可直接作用(yong)于堆肥(fei)(fei)微(wei)生(sheng)(sheng)物群(qun)以抑(yi)制H2S的(de)產(chan)生(sheng)(sheng)。
圖4 | 利用結構方程模(mo)型揭示(shi)添加(jia)PAG對(dui)堆肥(fei)過程中抑制H2S生成的影響機制。實線(xian)表示(shi)顯著相關，虛(xu)線(xian)表示(shi)不顯著相關。線(xian)上
圖5 | CH和CL堆肥(fei)微(wei)生物(wu)菌群的純培養實驗。
5.PAG對堆(dui)肥(fei)過程中H2S生(sheng)成的調控模型
圖6 | H2S產生的(de)調控(kong)示意(yi)圖。橙子扇形區域的(de)大小代表氧化應激的(de)強(qiang)度(du)。紅色(se)和綠色(se)箭(jian)(jian)頭分別代表增強(qiang)和抑制作用，箭(jian)(jian)頭的(de)大小
NO.4、研究結論(lun)
本研究首次揭示(shi)了(le)堆肥(fei)過(guo)程(cheng)中H2S的(de)生(sheng)物(wu)合(he)成(cheng)(cheng)途徑，通過(guo)宏(hong)基因組和(he)宏(hong)蛋白質組學分析發現添(tian)加PAG抑制了(le)半胱氨酸裂解酶的(de)活(huo)性，增加了(le)氧化應(ying)激，表明(ming)PAG抑制了(le)H2S的(de)生(sheng)物(wu)合(he)成(cheng)(cheng)，也暗示(shi)了(le)堆肥(fei)過(guo)程(cheng)中存在細(xi)菌H2S生(sheng)物(wu)合(he)成(cheng)(cheng)現象(xiang)，并加劇了(le)H2S的(de)排放(fang)，可通過(guo)添(tian)加PAG來改變堆肥(fei)微生(sheng)物(wu)群落結構及(ji)其網絡，進而影響堆肥(fei)微生(sheng)物(wu)的(de)硫酸鹽(yan)還(huan)原作用，從而促進H2S排放(fang)的(de)減少。PAG均(jun)通過(guo)削弱硫酸鹽(yan)還(huan)原和(he)抑制H2S生(sheng)物(wu)合(he)成(cheng)(cheng)，證實(shi)了(le)堆肥(fei)過(guo)程(cheng)中細(xi)菌H2S生(sheng)物(wu)合(he)成(cheng)(cheng)的(de)廣泛存在性。
原文(wen)鏈接(jie)：//doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136827
