哈尔滨工业大学（深圳）王爱杰团队程浩毅课题组：微生物单质硫歧化产硫化物过程中硫化氢引发的反馈抑制
图文摘要
成果简介
近日，哈尔滨工业大学（深圳）王爱杰团队程浩毅课题组在Water Research上发表了题为“Feedback inhibition derived from hydrogen sulfide in microbial sulfidogenic process via elemental sulfur disproportionation”的研究论文 (DOI: 10.1016/j.watres.2025.123740)，系统探究了单质硫歧化过程产生硫化氢的反馈抑制行为及机制。研究首次给出了硫化氢对单质硫歧化反应速率的半抑制浓度和完全抑制浓度，探讨了反馈抑制的可逆性，并基于微生物群落结构和宏转录组分析，提出了两种反馈抑制机制和可能作用靶点。该研究不仅有助于加深对自然界硫歧化过程的理解，同时也可为硫歧化相关污水处理系统的优化构建和运行提供指导。
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本工作在典型单质硫歧化菌（Desulfocapsa）富集的混合培养体系中，系统研究了反馈抑制行为及机制。研究发现，在硫歧化过程中，硫化氢（H2S）是直接诱发反馈抑制的关键硫化物形式，其对歧化速率的半抑制浓度（IC50-H2S）及完全抑制浓度（ICthreshold‑H2S）分别约为 22 mg‑S/L 和 40 mg‑S/L。其中，ICthreshold‑H2S被发现是影响反馈抑制由可逆状态转变为不可逆状态的关键阈值。进一步，基于微生物群落结构和宏转录组分析，提出了两种潜在的反馈抑制机制：一方面可能与含血红素功能酶（如dsrAB、qmoABC和sox）的失活相关，另一方面可能源于hdrABC 催化底物的缺乏。
引言
硫化物生成在硫循环和碳循环中具有关键作用。早期研究多聚焦于硫酸盐还原过程，而近年来，单质硫歧化（S0Disp）因其高效产硫化物的特性受到广泛关注，并已在工程系统中用于经济高效地生产硫化物以实现脱氮和重金属去除。然而，硫化物本身具有毒性，可能引发反馈抑制，从而限制该过程的效率。在硫酸盐还原过程中，反馈抑制表现为尽管电子供体充足，随着硫化物浓度升高，其生成速率却逐渐下降直至几近停滞。尽管硫酸盐还原过程中的反馈抑制已有初步研究，但S0Disp中的反馈抑制现象仍属未知。反馈抑制关键抑制浓度、可逆性及作用机制仍不明确。对此，本研究在单质硫歧化菌混合培养体系中探究了反馈抑制行为及机制。首先，通过分析不同硫化物积累条件下S0Disp速率的变化，确定了关键抑制浓度。随后，通过测定不同H2S浓度暴露后的细菌活性变化，阐明了反馈抑制可逆性。最后，结合微生物群落结构及S0Disp相关功能基因的表达情况，揭示了S0Disp过程中反馈抑制的潜在机制。
图文导读
不同硫化物积累条件下S0Disp速率的变化
Fig. 1. Sulfide generation (a) and pH values (b) in the 24-h batch tests under various alkalinity conditions (1000 ∼ 7000 mg/L); Linear regression analysis of total sulfide concentration (c), H2S concentration (d), versus sulfide production rate under various alkalinity conditions.
通过统计分析评估了不同硫化物浓度与硫歧化速率之间的相关性，以确定硫化物的关键抑制形式。在不同碱度条件下，总硫化物浓度与硫歧化速率的相关性较弱，而H2S浓度与硫歧化速率之间则呈显著负相关，表明H2S很可能是直接引发反馈抑制的硫化物形式。同时，结合硫歧化速率与H2S浓度的关系，确定了H2S的两个关键抑制浓度：半抑制浓度（IC50-H2S）和完全抑制浓度（ICthreshold-H2S）分别约为22 mg/L和40 mg/L。
SDB在暴露于不同H2S浓度和时间后的活性恢复情况
Fig. 2.Sulfidogenic performance via S0Disp by SDB enrichments in the control group and after exposure to varying H2S concentrations ((a) ~ (e)) and durations (1, 3, and 5 days); Reversibility of FBI (f). Control refers to matured SDB enrichments. * means the reversibility after exposing the SDB enrichments to H2S is significantly different (P < 0.05) from that in the control group.
通过考察不同H2S浓度和暴露时间对SDB歧化效能恢复的影响，揭示反馈抑制的可逆性。当H2S浓度为30 mg S/L时，SDB歧化活性在暴露后几乎完全恢复，而40 mg S/L H2S暴露则导致恢复能力显著下降，且H2S暴露浓度进一步升高时歧化效能恢复能力持续降低。如图f所示，30 mg S/L H2S条件下反馈抑制可逆性超过95 %，而在40 mg S/L H2S及以上时可逆性骤降至原水平的8.7 % ~ 33.4 %，这表明40 mg S/L H2S似乎是决定反馈抑制可逆性的关键浓度。
不同H2S浓度暴露后细菌存活率的变化
Fig. 3.Percentage of viable microorganisms after exposing SDB enrichments to 30 mg-S/L and 50 mg-S/L of H2S for different exposure times (1, 3, and 5 days) (a); Confocal laser scanning microscope images of LIVE/DEAD (green/red) stained microbial cells from SDB enrichments treated with 30 mg-S/L (b) and 50 mg-S/L (c) of H2S for 1 to 5 days. Bar, 50 μm. Dashed line indicates the percentage of viable microorganisms in SDB enrichments (Control). * means a significant difference (P < 0.05) in the percentage of viable microbial cells compared to the control group.
通过共聚焦显微镜技术评估了H2S暴露对微生物存活率的影响。结果显示，30 mg‑S/L H2S持续暴露5天后，活菌比例仅较对照组降低约2 %，而50 mg‑S/L H2S暴露后，活菌比例骤降至约40 %，表明高浓度H2S导致的微生物大量死亡可能是反馈抑制不可逆的主要原因。
硫歧化富集物中微生物群落结构及与歧化相关功能基因的表达情况
Fig. 4. Ring charts depicting the relative abundance of bacterial community composition in the S0Disp reaction at the phylum level (a) and genus level (b). Transcript abundance related to S0Disp reaction (c) based on metatranscriptomic datasets. The possible FBI mechanisms in the S0Disp reaction (d). Transcript abundance is normalized for gene length and the total number of reads per data set (FPKM). The numbers below the gene names represent the transcript abundance. Asterisks denote transcripts ranges: *** for high abundance (Log(FPKM) > 2), ** for medium abundance (1.5 < Log(FPKM) < 2), and * for low abundance (Log(FPKM) < 1.5). Abbreviations: hdrABC, heterodisulfide reductase; dsrABC, dissimilatory sulfite reductase; dsrE, tusA,sulfur transferase; aprAB, adenylylsulfate reductase; qmoABC, quinone-modifying oxidoreductase; sat, sulfate adenylyltransferase; sox, sulfur-oxidizing multienzyme complex; sorE, sulfite oxidase; psrA, polysulfide reductase; Complex I (nuo), NADH-ubiquinone oxidoreductase. In (c), blue lines indicate oxidative pathways involved in the S0Dispreaction. Green lines indicate reductive pathways involved in the S0Dispreaction. Brown lines indicate reactions related to electron transmission.In (d), dotted lines indicate direct inhibition of the pathway. Dashed lines indicate indirect inhibition of the pathway. Red box: Type I Inhibition Pathway, Blue box: Type II Inhibition Pathway.
通过微生物群落结构分析发现，Desulfocapsa在本研究的S0Disp体系中占据主导地位（相对丰度达64.0 %）。基于宏转录组数据，我们提出了S0Disp过程的可能代谢途径：氧化分支中，hdrABC、dsrE和tusA基因的表达表明S0首先以RSSH形式被氧化为SO32-，随后，aprAB-qmoABC-sat途径（逆硫酸盐还原路径）和sox介导的直接氧化路径可能并行将SO32-进一步氧化为SO42-。还原分支中，则由dsrABC和psrA驱动，利用S0及SO32-作为硫化物生成的底物。
已有研究表明，H2S可与含Fe(III)血红素位点的酶结合导致功能失活，结合本研究硫歧化的代谢途径，我们提出了两种反馈抑制机制。一方面，关键酶（如qmoABC、sox、dsrAB）因含血红素或西罗血红素辅因子，可能与H2S可逆性结合而失去活性；另一方面，H2S直接破坏hdrABC催化RSSH氧化过程中的二硫键，从而阻断硫歧化反应的初始步骤。
小结
本研究系统揭示了单质硫歧化（S0Disp）过程中硫化氢的反馈抑制行为及机制。首次确定了硫化氢对歧化反应速率的半抑制浓度（IC50‑H2S）与完全抑制浓度（ICthreshold‑H2S），其中后者对反馈抑制的可逆性具有决定性作用。基于微生物群落结构和宏转录组分析，构建了单质硫歧化的潜在路径，并进一步提出了反馈抑制的两种潜在机制。研究成果不仅加深了对自然水体中S0Disp过程的理解，也为S0Disp相关的污水处理系统优化构建和运行提供指导。
