2025-03-10
近期，東北農業大學生命科學學院在《Journal of Hazardous Materials》期刊上發表了題為“Multi-omics reveal an overlooked pathway for H2S production induced by bacterial biogenesis from composting”的研究成果。硫酸鹽還原被認為是堆肥過程中硫化氫（H2S）排放的主要來源，但其實際貢獻率受限于復雜微生物群落動態。本研究探討了DL-炔丙基甘氨酸（PAG，一種半胱氨酸裂解酶的抑制劑）生物合成途徑在堆肥過程中，不同通風速率條件下對H2S產生的貢獻，為基于通風策略優化的硫素轉化過程控制提供了新的理論依據，填補了生物合成途徑在堆肥H2S排放中作用的研究空白，為今后的環境管理和污染源頭控制提供了突破性的指導。
本研究的16s、宏基因組測序和部分分析由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
NO.1、研究背景
硫化氫（H2S）作為大氣中的主要惡臭氣體與污染物，堆肥作為H2S的重要排放源，如何在堆肥過程中從源頭上抑制H2S的產生成為研究熱點。已知微生物介導的硫酸鹽還原是堆肥過程中H2S排放的主要途徑。在氧氣不足或厭氧條件下，微生物利用硫酸鹽作為替代電子受體維持代謝，從而產生H2S。此外細菌還可通過半胱氨酸裂解產生內源性H2S，以此抵抗氧化應激。這一過程由胱硫醚-β-合酶（CBS）、胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）和3-巰基丙酮酸硫轉移酶（3-MST）等常見半胱氨酸裂解酶催化。由于堆肥初期溫度變化劇烈，微生物面臨強烈氧化應激，因此推測細菌H2S生物合成可能是堆肥過程中H2S排放的一個被忽視的途徑，但目前缺乏直接證據。
NO.2、技術路線
NO.3、研究成果
1.堆肥過程中硫組分及酶活性的動態變化
H2S的排放主要發生在堆肥的前6天，之后日排放量逐漸減少（圖1a）。不同通風條件下比較表明PAG的添加明顯抑制了堆肥過程中H2S的排放，除了硫酸鹽還原外，堆肥過程中還可能有其他途徑導致H2S的產生。
圖1 | 堆肥過程中S組分和酶活性的變化。
2.與H2S產生相關的微生物網絡和核心細菌
添加PAG對堆肥過程中細菌群落組成和網絡結果結構的變化存在影響。通過細菌關聯網絡分析發現添加PAG增強了高通風率條件下微生物網絡的復雜性，而在低通風率條件下則削弱了其復雜性，這與Chao1指數一致。通過關聯分析發出現H2S排放、酶活性和細菌在屬水平上的存在顯著的相關性（圖2b-e）。添加PAG后某些核心細菌的豐度有所增加（如Savagea、Lysinibacillus、Proteiniborus），但核心細菌的多樣性顯著減少，表明添加PAG降低了與H2S產生相關的核心細菌的多樣性。
圖2 | 與H2S產生相關的細菌網絡和核心細菌的變化。
3.添加PAG對微生物硫酸鹽還原和H2S生物合成的影響
堆肥第4天是H2S產生的關鍵時期，因此從第4天起的樣品進行宏基因組和宏蛋白組分析，結果表明在低通風量條件下檢測到同化和異化硫酸鹽還原相關基因（圖3a），而在高通風率下未檢測到異化硫酸鹽還原中SO32-轉化為H2S的基因，這表明在高通風率下H2S的產生僅通過同化硫酸鹽還原進行。而低通風條件下，同化和異化硫酸鹽還原均具有產生H2S的潛力。
圖3 | 添加PAG對微生物硫酸鹽還原和H2S生物合成的影響。
4.PAG抑制H2S排放的機理及純培養實驗驗證
利用SEM進一步揭示了添加PAG抑制堆肥過程中H2S產生的影響機制（圖4）。為了進一步驗證PAG對堆肥微生物群H2S排放的抑制作用，提取CH和CL堆肥第4天的微生物群進行純培養，并在培養液中人為添加PAG，發現PAG減少了堆肥微生物群的H2S排放。純培養結果證實，PAG可直接作用于堆肥微生物群以抑制H2S的產生。
圖4 | 利用結構方程模型揭示添加PAG對堆肥過程中抑制H2S生成的影響機制。實線表示顯著相關，虛線表示不顯著相關。線上
圖5 | CH和CL堆肥微生物菌群的純培養實驗。
5.PAG對堆肥過程中H2S生成的調控模型
圖6 | H2S產生的調控示意圖。橙子扇形區域的大小代表氧化應激的強度。紅色和綠色箭頭分別代表增強和抑制作用，箭頭的大小
NO.4、研究結論
本研究首次揭示了堆肥過程中H2S的生物合成途徑，通過宏基因組和宏蛋白質組學分析發現添加PAG抑制了半胱氨酸裂解酶的活性，增加了氧化應激，表明PAG抑制了H2S的生物合成，也暗示了堆肥過程中存在細菌H2S生物合成現象，并加劇了H2S的排放，可通過添加PAG來改變堆肥微生物群落結構及其網絡，進而影響堆肥微生物的硫酸鹽還原作用，從而促進H2S排放的減少。PAG均通過削弱硫酸鹽還原和抑制H2S生物合成，證實了堆肥過程中細菌H2S生物合成的廣泛存在性。
原文鏈接：//doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136827
