葡萄糖的输入限制了微生物从土壤矿物中释放硫的过程

硫矿物氧化受葡萄糖输入调控的微生物机制研究，发现添加葡萄糖显著抑制硫矿物氧化，导致硫酸积累减少60%，土壤pH升高。通过多组学分析揭示，硫酸盐还原菌（SRB）增加和硫氧化基因（soxB等）阶段性衰减是抑制机制，Dyella通过同化硫酸和竞争氧气双重途径调控硫释放。揭示了可溶性碳输入重塑硫循环微生物代谢的潜在机制。

张敏|尹志忠|刘宇|刘彦宇|刘正华|杨兆月|徐正奇|易卜拉欣·艾哈迈德·易卜拉欣|范芬良|邓晔|刘学端|姜成英|尹华群|孟德龙

中南大学矿物加工与生物工程学院，中国长沙，410083

摘要

含硫矿物是全球硫循环中的关键储存库，微生物在这些矿物中介导硫的释放。易分解的碳输入可能会改变微生物的硫代谢，但它们对硫化物矿物氧化的净效应仍不清楚。在本研究中，我们进行了为期56天的土壤培养实验，并结合了地球化学测量、矿物学表征、qPCR、宏基因组学、16S rRNA扩增子测序和DNA稳定同位素探针（DNA-SIP）技术，以鉴定能够利用葡萄糖的微生物及其在调节硫化物矿物氧化中的作用。结果表明，葡萄糖显著抑制了硫化物矿物的氧化作用，第56天时硫酸盐（SO₄^2-）的含量降低了60.00%，pH值升高了33.23%。葡萄糖还改变了微生物群落及其功能潜力。硫氧化细菌（SOB）的数量减少，硫酸盐还原细菌（SRB）的数量增加，而与硫氧化相关的基因（soxB、soxX、soxY、soxZ）在第42天之前就减少了许多。在葡萄糖耗尽后，这种抑制作用被逆转，硫氧化基因的数量再次增加。通过使用¹³C-葡萄糖标记的Frateuria和Dyella进行的DNA-SIP分析，证实了葡萄糖与微生物对硫释放的抑制作用有关。添加葡萄糖的微生态系统表现出较低的氧化还原电位，并且相对于对照组，硫氧化的速度较慢，这可能与氧气竞争有关，可能限制了如慢生根瘤菌等硫氧化菌的活性。值得注意的是，Dyella拥有完整的硫酸盐还原途径，该途径由中央碳代谢（CCM）产生的ATP和NADPH驱动。这种代谢耦合减少了最终硫氧化所需的氧气，表明硫释放的抑制机制可能是通过同化还原和呼吸竞争共同实现的。我们的发现强调了易分解碳代谢与土壤中硫循环之间之前未被充分认识的关联，为理解微生物对硫通量的调控提供了见解，并对管理富含矿物质的环境中由硫引起的水污染具有实际意义。

背景

微生物介导的硫化物矿物转化是全球硫循环中的基本过程，它调节着土壤和沉积物中硫的迁移并影响金属的命运（Dong等人，2022a；Zhou等人，2025）。黄铁矿（FeS₂）是最丰富的硫化物矿物，可通过微生物活动被氧化，释放出硫酸盐（SO₄^2-），从而显著增加河流中的硫通量（Stüeken等人，2012；Percak-Dennett等人，2017；Xu等人，2021；Wang等人，2024b）。

样品采集与表征

土壤样本采集自中国江西省某铜矿废石堆附近的未受污染区域（坐标：29°1′58″N, 117°41′43″E）。使用无菌铲子从无可见根系的区域采集样本，并将其置于冰上运输至实验室。样本经过2毫米筛分处理，去除可见的植物残渣后，在30°C下风干。基本物理化学性质按照标准方法进行测定（见表S1）。

土壤预培养

在微生态系统培养之前，首先称取100克干燥的土壤...

葡萄糖条件下的硫化物矿物氧化

在56天的培养过程中，两种处理组的土壤pH值均有所下降（图1a）。初始pH值为4.77，到第56天时，CK组的pH值降至3.17，TGlu组的pH值降至4.22，分别降低了1.60和0.55个pH单位。培养期间氧化还原电位（Eh）有所升高（图S1）。第56天时，CK组的Eh值高于初始值，也高于TGlu组。CK组中的硫酸盐（SO₄^2-含量从初始的1.35 g kg^-1增加到5.53 g kg^-1（图1b），而TGlu组中的硫酸盐含量先减少后增加...

讨论

葡萄糖输入在56天的培养期间显著抑制了硫化物矿物的氧化。与CK组相比，TGlu组保持了较高的pH值，积累的硫酸盐较少，Fe(III)的含量增加速度也较慢（图1）。我们的微生物学和矿物学结果表明，这种抑制作用主要是由微生物介导的代谢调控引起的，而非表面钝化作用。我们认为，同化硫酸盐还原作用和对氧气的竞争共同起到了抑制作用...

结论

本研究表明，易分解的碳输入（葡萄糖）可以通过改变微生物介导的硫代谢来抑制土壤中硫化物矿物的氧化。葡萄糖的添加减少了硫酸盐（SO₄^2-的积累并提高了土壤pH值。这些变化伴随着硫氧化细菌相对丰度的降低和硫酸盐还原细菌相对丰度的增加。DNA-SIP和宏基因组学分析表明Dyella是一种能够利用葡萄糖的微生物，它编码了完整的硫酸盐还原途径...

作者贡献声明

姜成英：撰写、审稿与编辑。 张敏：撰写、初稿撰写、验证、软件使用、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。 刘学端：撰写、审稿与编辑、实验监督、资源提供。 邓晔：撰写、审稿与编辑。 刘正华：数据可视化。 刘彦宇：软件使用、数据分析。 孟德龙：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、实验监督、资源管理、方法设计、资金申请。

数据和材料的可获得性

微生态系统培养实验中生成的16S rRNA扩增子测序数据和宏基因组测序数据已分别存入NCBI Sequence Read Archive，访问编号分别为PRJNA1281555和PRJNA1281498。野外实验的宏基因组测序数据访问编号为PRJNA1269218。用于统计分析的脚本和代码可在Figshare仓库公开获取（http://doi.org/10.6084/m9.figshare.29234219）。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

资助来源

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42477134）和中国国家重点研发计划（2023YFE0114500）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42477134）和中国国家重点研发计划（2023YFE0114500）的资助。