中国科学院生态环境中心马安周Angew：周质FeS电子导管强化合成菌群电子耦合与呼吸脱卤。论文信息

　　 研究背景

　　 在厌氧环境中，卤代有机物、无机含氧阴离子和高价金属等电子受体型底物的微生物转化，本质上依赖还原当量沿呼吸链持续传递至末端反应位点。过去对这类过程的研究往往更关注功能菌株和末端还原酶，但越来越多证据表明，真正限制整体反应速率的并不一定是有没有还原酶，而可能是电子能否高效跨越膜、周质及细胞间界面，并最终送达催化中心。对于高度溴化、疏水且生物可利用性较低的六溴环十二烷（HBCD）而言，这一问题尤为突出：其连续还原脱溴不仅要求稳定的低电位电子供给，还受到底物传质和细胞界面电子输运的双重限制。因此，如何从提高末端酶活性进一步转向优化电子传递路径，成为提升呼吸型脱卤效率的一个关键问题。FeS兼具氧化还原活性、暗条件电子传输能力和较好的生物相容性，并能够与细胞色素、黄素等生物电子载体发生电化学耦合，因此被认为是连接矿物界面与微生物电子传递网络的潜在导电介质。已有研究表明，生物成因FeS可以促进胞外电子转移并提高部分电子受体型底物的还原速率，但现有体系多依赖硫酸盐还原菌或完整的硫酸盐还原途径，而且多数工作主要观察到整体转化增强，尚难回答几个更关键的问题：FeS应形成在细胞的什么位置？其矿物结构如何影响电子传输？它是否真正接入呼吸链而非仅进行非生物还原？在由不同功能菌组成的群落中，FeS又能否重新组织种间电子分配？这些问题构成了本研究的主要出发点。

　　 文章概述

　　 针对上述问题，中国科学院生态环境研究中心马安周研究员团队以六溴环十二烷（HBCD）为模型有机卤素电子受体，构建了由 Escherichia sp. HBCD-1（B1）和 Citrobacter sp. HBCD-2（B2）组成的合成菌群，并提出了一种与半胱氨酸脱硫酶（CSD）相关的周质FeS生物矿化策略。研究在非硫酸盐还原菌中快速构建了以周质为主的FeS电子导管，并从矿物结构、界面电化学、种间电子交换和呼吸脱溴等多个层面建立了周质矿物界面—电子传递—菌群协同—底物还原之间的联系。结果表明，FeS界面能够改善电子储存与界面传输，并强化B1与B2在直接电子传递、黄素介导电子交换和HBCD脱溴方面的功能互补，使合成菌群表现出明显的协同效应；来源分配进一步证明，这种增强主要来自活细胞呼吸，而非FeS对HBCD的直接化学还原。在此基础上，研究结合抑制剂实验、转录组学与结构建模提出了非经典呼吸脱溴的候选分子模型，为利用细胞相关矿物界面调控微生物电子流提供了新的思路。

　　 图文导读

　　 图1 研究总体构想：在周质构建FeS电子导管强化呼吸脱卤。研究提出一种CSD相关的周质FeS生物矿化策略：细胞产生的S2+/HS?与Fe2+在周质区域形成FeS纳米颗粒，并进一步构成连接膜内呼吸链与外部电子传递界面的短程电子导管。在B1–B2合成菌群中，FeS界面被用于强化细胞内及种间电子耦合，从而促进HBCD还原脱溴。图中还提出了FeS可能参与NapBC样电子传递模块与QueG-like候选末端还原节点之间局部电子递送的工作模型。

　　 图2 B1和B2能够进行HBCD呼吸转化，并呈现不同的异构体偏好。研究首先验证了两株功能菌对HBCD的转化能力。B1和B2均可在HBCD作为电子受体的条件下生长并持续脱溴，但两株菌的转化速率及对α、β和γ-HBCD的偏好存在差异，其中B2总体表现出更快的HBCD转化。进一步通过UPLC-TOF/MS检测到一系列由高溴向低溴逐步转化的中间产物，并结合Br?释放结果，支持HBCD经历逐步还原脱溴，其中二卤消除是主要转化路径。这些差异也为后续构建具有功能互补性的B1–B2合成菌群提供了基础。

　　 图3 FeS电子导管改善界面电化学性能，并放大合成菌群的电子协同。循环伏安和电化学阻抗结果表明，FeS形成后B1和B2均出现更明显的氧化还原响应，并表现出增强的电荷储存和界面电子传输能力，其中S:Fe = 2对应较优的FeS构建条件。进一步的电子受体容量和电流响应显示，FeS能够提高细胞获取和传递电子的能力。更重要的是，B1:B2@FeS合成菌群的转移电荷达到16.0 C，是两株FeS杂化单菌按等丰度加和预期的2.46倍；Br-释放也达到加和预期的2.36倍，表明两株菌之间形成的电子协同能够有效转化为HBCD脱溴功能，而非简单的单菌效应叠加。

　　 图4 FeS纳米颗粒主要定位于周质，并呈现菌株依赖的矿物结构差异。ESEM和HAADF-STEM表征显示，在本研究构建条件下，FeS纳米颗粒主要分布于B1和B2的周质区域，并沿细胞包膜呈较为平滑的层状分布；FeS形成后细胞直径增加约0.05–0.06 μm，对应约25–30 nm的周质FeS包层。进一步的XRD、XPS及FTIR分析显示，两株菌形成的FeS具有不同的结构特征：B2@FeS更接近结晶度较高的mackinawite-like FeS，而B1@FeS则以低结晶度、非化学计量的Fe1-xS-like结构为主。结合图3的电化学结果，这种菌株依赖的矿物结构差异与两者不同的电荷储存和界面传输特征相呼应。

　　 图5 FeS缓解呼吸链电子传递限制，HBCD脱溴主要由活细胞代谢驱动。FeS形成后，B1和B2的总抗氧化能力以及NADH脱氢酶和ATPase相关活性提高，说明细胞电子周转与能量耦合得到增强。电子传递链抑制实验进一步显示，FeS能够明显减弱与NADH输入及醌相关电子传递节点有关的抑制效应，支持其对呼吸链电子输运的促进作用。与此同时，来源分配实验显示，铁含量匹配的无细胞FeS产生的Br-仅占活体B1:B2@FeS体系的2.8%；扣除这一贡献后，活细胞产生的Br?仍相当于理论最大释放量的95.1%。这些结果表明，在本实验体系中，FeS主要发挥电子传输界面的作用，而HBCD脱溴主要由代谢活跃的细胞完成。

　　 图6 多组学与结构分析提出FeS参与非经典呼吸脱溴的候选分子模型。在确认FeS能够增强活细胞呼吸和种间电子耦合后，研究进一步利用转录组和结构建模追踪电子可能进入呼吸链后的传递路径。两株菌均未发现经典 rdhA，但HBCD条件下一个B12依赖的QueG-like蛋白受到显著诱导。AlphaFold3结构预测与分子对接显示，该蛋白具有容纳钴胺素和HBCD的空间基础，并提示其与NapBC样醌耦联电子传递模块之间存在潜在的电子传递联系；FeS的主要模型位点位于底物口袋或[4Fe-4S]簇附近，提示其可能进一步缩短局部电子传递距离。结合转录组揭示的B1在B12/周质电子中继、B2在黄素生成和介体传递方面的差异，作者据此提出了FeS参与的非经典呼吸脱溴工作模型。该模型目前属于由组学和结构证据支持的候选机制，仍需进一步的遗传学和生化实验验证。

　　 期刊介绍

　　 Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由德国化学会（German Chemical Society, GDCh）出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。

　　
来源：Angewandte Chemie