综述：墨西哥东南部香柏（Cedrela odorata L.）形态变异与种质流动区域之间的生态对应关系 Manuel Lorenzo Nu?ez-Piedra, Manuel Jesús Cach-Pérez, Gabriela Castellanos-Morales, Marivel Domínguez-Domínguez, Pablo Martínez-Zurimendi

《Ecologies》：Ecological Correspondence Between Morphological Variation and Germplasm Movement Zones of Cedrela odorata L. in Southeastern Mexico Manuel Lorenzo Nu?ez-Piedra, Manuel Jesús Cach-Pérez, Gabriela Castellanos-Morales, Marivel Domínguez-Domínguez and Pablo Martínez-Zurimendi

　　摘要：本综述探讨了硫酸盐还原菌在海洋沉积物中厌氧降解烃类物质中的作用，它们在缺氧条件下促进了有机物的矿化过程。文章描述了这些微生物的代谢多样性，包括它们降解各种类型烃类的能力，如短链（C2–C5）、中链（C6–C12）和长链（C13–C20+）烷烃、烯烃以及萘和菲等芳香化合物。讨论了这些烃类初步活化的主要机制——富马酸添加和羧基化过程，以及相关的关键酶，包括烷基琥珀酸合成酶和苯基琥珀酸合成酶。同时考虑了共生相互作用，特别是古菌启动短链烷烃（如乙烷和丁烷）氧化的过程，而硫酸盐还原菌通过硫酸盐还原作用作为最终电子受体。文章还讨论了这些厌氧过程在受石油污染的海洋沉积物生物修复策略中的潜在应用。这种由微生物介导的降解方法可能在氧气有限的环境中为好氧方法提供补充。了解硫酸盐还原菌的活性对于多个领域具有重要意义：开发厌氧区域的修复技术、评估海洋沉积物中的甲烷排放、管理微生物引起的腐蚀以及潜在的生物技术应用。当前的研究方向包括研究共生微生物群落和探索生物电化学系统。

1. 引言
硫酸盐还原过程涉及将硫酸盐转化为硫化物，这是海洋沉积物中有机物矿化最后阶段的关键步骤。正如J?rgensen等人[1]所展示的，硫酸盐还原菌（SRB）在调节海洋生态系统中的碳和硫循环中起着重要作用，负责氧化进入海底的有机碳的50%。这一过程与甲烷生成过程竞争底物，从而调控碳向地球深层的流动[2]。全面的全球调查显示，SRB分布于从浅海海岸到海底数百米深的各种海洋栖息地[3]。Desulfobacteraceae家族尤其广泛且代谢能力多样。通过将可溶性硫酸盐转化为不溶性金属硫化物（如黄铁矿），这些微生物在全球硫循环中发挥关键作用，并有助于分解在深海中积累的复杂有机物质，从而维持生态系统平衡和养分循环[4]。SRB在富含有机物的环境中活性最高，天然烃类渗漏区是其中一些生物地球化学最活跃的栖息地。海洋烃类渗漏沉积物被认为是微生物热点，其特征是硫酸盐还原速率很高。在这些环境中，大量的硫酸盐还原与非甲烷烃类的氧化（包括脂肪族和芳香族化合物）耦合进行[5,6]。已经鉴定出能够降解烷烃[6]以及芳香烃类（如苯、甲苯和萘[7,8]）的硫酸盐还原菌，突显了它们在厌氧烃类降解中的集体作用。参与这一过程的主要有机化合物类别是烷烃，其碳链长度取决于来源。短链烷烃（C1–C4）具有高度挥发性，在天然气（包括海底天然气水合物）中占主导地位，其中甲烷（C1）是主要成分，而C2–C4烃类含量较少。天然气可能来源于生物成因或热成因。相比之下，原油主要由中链到长链烷烃（C5–C20+）组成[9]。烷烃进入厌氧区域既可以通过自然渗漏（冷渗漏、热液场）也可以由于人为石油泄漏，这使它们成为微生物群落的重要底物[6]。
传统上，好氧氧化被认为是自然环境中烷烃降解的主要且研究最广泛的途径。这一观点源于早期对好氧烃类降解微生物的表征以及对氧合酶生物化学的深入理解，长期以来氧合酶一直是理解自然界中烷烃转化的主要模型[10]。该过程由氧合酶催化，将分子氧引入烃分子中。长链烷烃（C12–C20+）逐渐转化为醇，然后是醛，最终转化为羧酸。这些酸通过三羧酸循环进行分解，释放能量[11]。然而，典型的海洋沉积物中的缺氧条件从根本上改变了烃类降解的动力学。在这种条件下，SRB成为关键参与者，常常与古菌形成共生关联[12,13,14]。在硫酸盐浓度高的厌氧海洋环境中，硫酸盐还原成为烃类氧化的主要途径，硫酸盐还原原核生物占总微生物群生物量的30%[15]。
已经提出了两种用于厌氧条件下烷烃初步活化的通用生化机制：富马酸添加（生成烷基或苯基琥珀酸）和羧基化。由甘氨酰自由基酶介导的富马酸添加途径在系统发育多样化的厌氧烃类降解菌中最为普遍[16]。对纯培养的SRB的分析表明，它们通常只能代谢有限范围的烃类。这种底物特异性可以通过酶系统对特定底物类别和碳链长度的进化适应来解释，这反映在关键酶（如烷烃的烷基琥珀酸合成酶（Ass）和芳香化合物的苯基琥珀酸合成酶（Bss）的活性位点结构中[17,18]。
短链烷烃（C1–C4）在热液喷口、火山排放物和石油工业设施中浓度较高，具有重要的科学价值。

自首次证明这一过程以来，人们对厌氧烷烃降解的科学理解取得了显著进展。多年来，微生物在缺氧条件下氧化短链烷烃（C2–C5）的机制知之甚少。一个重大突破是分离出一种能够氧化丙烷和丁烷的硫酸盐还原菌，提供了首个确凿证据，证明这种代谢能力存在于厌氧海洋环境中[12]。后续研究阐明了其背后的生化机制，表明这些细菌通过富马酸添加途径启动烷烃氧化，产生特征性的烷基琥珀酸中间体[19]。在自然栖息地中，这些微生物常常形成共生群落；例如，厌氧甲烷氧化古菌（ANME）与硫酸盐还原菌合作，在缺氧区域氧化气体，从而减少大气中的甲烷排放[20]。
不同系统发育谱系的硫酸盐还原菌在烃类降解方面表现出明显的专业化，底物偏好主要由分子结构和碳链长度决定。纯培养研究表明，单个SRB菌株通常只能代谢有限的烃类，反映了其酶系统对特定底物的进化适应[21,22,23]。对于脂肪族烃类，专业化通常与链长相关：已分离出专门利用中链烷烃[21]、长链烷烃[22]或长链烯烃[23]作为生长底物的不同物种。这种代谢专业化归因于关键酶（如烷基琥珀酸合成酶）的结构配置，其活性位点已经进化以适应特定链长的烃类[17]。除了链长特异性外，还有平行的酶特异性调控芳香烃类的降解。某些SRB谱系适应通过不同机制代谢苯、甲苯、萘和菲等化合物。对于烷基芳香族底物（如甲苯），富马酸添加由苯基琥珀酸合成酶（Bss）催化——这是一种与Ass系统发育相关的甘氨酰自由基酶[18]。未取代的多环芳香烃类（如萘和菲）通常通过羧基化途径活化[8,24]。
然而，这种代谢多样性不仅限于细菌。通过对古菌的发现，人们对厌氧烷烃降解的理解进一步扩展。最初认为所有厌氧短链烷烃降解者都是细菌，它们将完全氧化与硫酸盐还原耦合[25,26]。然而，这一观点被发现能够与嗜热硫酸盐还原菌共生氧化烷烃的古菌物种所修正[27,28]，揭示了厌氧烃类降解中比以前认识到的更大的系统发育和代谢多样性。

2. SRB的厌氧烷烃降解：机制、酶和共生伙伴关系
2.1 SRB中的烷烃活化机制
厌氧降解过程中烷烃的初步活化由硫酸盐还原菌催化。研究表明，正烷烃主要通过富马酸添加途径活化，生成相应的烷基琥珀酸[29,30]。富马酸添加途径通过烷烃次末端碳上的C–H键的均裂产生烷基自由基，该自由基与富马酸的双键结合。这一反应产生（1-甲基烷基）琥珀酸作为特征性中间体[31,32]。随后，这些中间体经历脱羧和β-氧化，最终将碳引入中央代谢途径[5]。或者，羧基化可以作为某些底物的活化机制[33]。选择富马酸添加途径还是羧基化途径取决于底物结构（例如，支链烷烃更倾向于羧基化）以及降解微生物的系统发育归属[34]。
值得注意的是，在从海洋环境中分离出的硫酸盐还原菌中尚未记录到脂肪族烃类的羧基化。迄今为止，唯一已知通过羧基化途径启动厌氧烷烃降解的硫酸盐还原菌是Desulfococcus oleovorans Hxd3[18,35]。该菌株从德国北部一个油田的油水分离器的盐水相中分离出来，通过在C3位置添加羧基来活化烷烃（C12至C20）——这一机制与富马酸添加途径不同。
2.2 厌氧烷烃降解的关键酶及其分布
催化富马酸添加的酶属于甘氨酰自由基蛋白家族：甲基烷基琥珀酸合成酶（Mas）和烷基琥珀酸合成酶（Ass）。这些酶中的活性成分是MasD结构域，它与AssA结构域具有相似性[36]。
Callaghan等人[33]对硫酸盐还原菌Desulfatibacillum alkenivorans AK-01的研究表明，由assA1/assA2基因编码的Ass酶负责通过富马酸添加途径降解脂肪族烃类（线性烷烃和烯烃）。Grundmann等人[36]在Aromatoleum sp. HxN1菌株中鉴定出Mas酶作为厌氧烷烃降解的关键活化酶。值得注意的是，这两种微生物都是烷烃降解菌，尽管属于不同的生理组（硫酸盐还原菌和反硝化菌）。Khelifi等人[37]提出，功能相似的烷烃活化酶（Ass和Mas）存在于系统发育上相距较远的细菌谱系中，这可能是由于水平基因转移的结果。这种交换编码关键分解酶的基因的机制可以解释厌氧烃类降解在系统发育多样化的原核生物群体中的广泛分布[38]。
后续的环境调查显示，编码这些酶（masD/assA）的基因在海洋沉积物中的硫酸盐还原菌中广泛分布，是这些生态系统中厌氧烷烃降解的关键功能标志物[39]。
2.3 SRB与古菌之间的共生相互作用
除了直接参与石油生物降解外，SRB还可以与其他参与这一过程的微生物形成伙伴关系。Laso–Pérez等人[27]和Chen等人[13]报告了在厌氧氧化短链烷烃（如丁烷和乙烷）过程中存在Syntrophoarchaeum和Argoarchaeum属的古菌。这些古菌表达改良版本的M-reductase（Mcr）酶，用于将丁烷活化为丁基-CoM或将乙烷活化为乙基-CoM。这种古菌的厌氧活化过程类似于甲烷厌氧氧化的初始阶段[40]。丁基-CoM产物进一步转化为丁酰-CoA，然后通过传统的β-氧化途径转化为乙酰-CoA。这种涉及丁烷氧化的共生相互作用在嗜热条件下观察到（需要与硫酸盐还原伙伴如Desulfofervidus auxilia合作[27]。相比之下，参与乙烷氧化的Argoarchaeum属古菌不与细菌形成物理聚集体[13]。它们与SEEP-SRB1谱系的细菌共存，但主要以单细胞形式存在。这些古菌缺乏表明具有硫酸盐还原能力的遗传标记，因此乙烷氧化产生的电子转移机制尚不清楚。假设在这种系统中，电子可以通过纳米线或导电矿物表面直接在物种间传递[41]。
2.4 降解烃类的海洋SRB的系统发育多样性
大多数已鉴定的烃类降解SRB属于Deltaproteobacteria类，而Firmicutes门（Clostridiales目）的成员则较少见。许多培养的SRB属于Desulfosarcina/Desulfococcus组[12,22,42]，也有从Desulfotignum[43]和Desulfatiglans[7,44,45,46]属中分离出的菌株。已知的专门降解脂肪烃的硫酸盐还原菌（SRB）包括Desulfatibacillum alkenivorans AK-01，它可以降解正烷烃（C13–C18）[47,48]；海洋中的Desulfobacteraceae分支SCA-SRB和LCA-SRB，分别针对丁烷和十二烷[38]；以及Desulfosporosinus shakirovi SRJS8?，它可以利用原油中的烷烃[49]。能够降解芳香烃的硫酸盐还原菌的代表性例子及其降解途径和支持性参考文献见表S1。在通过分子调查发现的未培养菌株中，SEEP-SRB组成员在烃类渗漏沉积物中一直被检测到，但长期以来一直缺乏它们在原位代谢活动的直接证据。Kleindienst等人[6]利用CARD-FISH、nanoSIMS和数学建模的创新组合，直接量化了烃类渗漏沉积物中未培养SEEP-SRB菌株的原位代谢速率。他们的研究针对Desulfobacterota中的三个关键群体：SEEP-SRB1（Desulfobacterales），参与复杂的烃类降解；SEEP-SRB2（Dissulfuribacterales），作为甲烷氧化过程中ANME古菌的共生伙伴；以及SEEP-SRB3（Desulfosarcinaceae），专门降解丙烷和丁烷。SEEP-SRB3表现出最高的细胞底物摄取率，与ANME古菌相当，证实了它们在短链烷烃氧化中的关键作用。估计的生物量周转时间为20-40天，表明在地球化学热点区域存在较高的代谢活动，这挑战了关于深海微生物群落代谢普遍缓慢的现有假设。这项研究提供了直接证据，证明未培养的SEEP-SRB菌株不是底栖微生物群落的被动组成部分，而是生物地球化学循环中的活跃参与者，证实了它们在烃类渗漏生态系统中对硫酸盐还原的显著贡献。

3. 多环芳烃的厌氧降解特征
3.1. SRB中PAH的活化机制
除了烷烃，SRB还能降解多环芳烃（PAH）。使用产硫化氢的联合体[50]和与Deltaproteobacteria相关的富集硫酸盐还原培养物[51]的研究表明，羧化是苯并蒽厌氧降解的初始步骤。这些研究报道了苯并蒽酸的形成，支持了苯并蒽降解通过初级羧化进行的假设，类似于萘[52]和苯[53]的降解途径。最近的一项研究分离出了PheS1菌株，这是一种与Desulfotomaculum系统发育相关的纯培养SRB，它通过羧化作用将苯并蒽降解为苯并蒽-2-羧酸[8]。Himmelberg等人[54]成功富集了一种能够在苯并蒽作为唯一碳源和电子源、硫酸盐作为电子受体条件下生长的硫酸盐还原培养物（TRIP1）。由于缩合芳香环的高稳定性，PAH的降解速度远慢于烷烃，使得这些化合物成为持久性有机污染物，可以在环境中长期存在[24]。

3.2. 萘和甲基萘的降解途径
萘和甲基萘的厌氧降解主要通过两种模式菌株NaphS2和N47[7,55]进行研究。在甲基萘的降解过程中，甲基通过naphthylmethylsuccinate synthase（一种甘氨酰自由基酶）催化的延胡索酸添加被活化[24]。这种酶与苯基琥珀酸合成酶（Bss）属于同一家族，后者负责通过延胡索酸添加催化甲苯和其他烷基芳香烃的厌氧活化[32,56]。随后，CoA衍生物通过类似β-氧化的反应进一步降解，导致环裂解并形成进入中心代谢途径的中间体，最终产生乙酰-CoA和CO2[57,58,59]。

3.3. 烷基芳香烃降解的关键酶
烷基芳香烃的降解需要另一种酶——苯基琥珀酸合成酶的存在，这种酶存在于Clostridiales家族的细菌中[32,53]。从加利福尼亚湾Guaymas盆地沉积物中分离出的EbS7菌株在硫酸盐还原条件下可以降解乙基苯[45]，而从北海和地中海沉积物中获得的NaphS2、NaphS3和NaphS6菌株可以利用萘和2-甲基萘[7,26]。Desulfobacula toluolica Tol2是一种海洋菌株，是首次被描述的能够在严格厌氧条件下将甲苯完全氧化为CO2的硫酸盐还原菌[60]。

3.4. 芳香烃降解SRB的系统发育多样性和代谢专化
SRB在烃类类型方面表现出明显的专化，某些菌株适应于代谢苯、甲苯和萘等芳香化合物。能够降解芳香烃的硫酸盐还原菌的代表性例子及其降解途径和支持性参考文献见表S1。与许多好氧烃类降解微生物不同，单个SRB菌株很少具有同等效率代谢多种芳香化合物的能力[60]。这种代谢专化反映了酶复合体对特定底物类别的进化优化——这种权衡限制了代谢广度，但在定义的生态位中增强了催化性能[15]。

4. 硫酸盐还原菌在生物修复中的作用
SRB在厌氧环境中的自然生物修复过程中起着关键作用。它们可以利用硫酸根离子作为最终电子受体，从而氧化包括石油烃和有毒金属在内的多种污染物，将其转化为危害较小或惰性的物质[1,24]。此外，SRB通过将有毒重金属和类金属沉淀为几乎不溶的硫化物来帮助固定它们[61]。SRB的一个有前景的应用是修复受油污染的海洋和河流沉积物。在这些环境中，重油成分会形成厌氧区，抑制好氧降解。海水中高浓度的硫酸盐使SRB成为主要的分解者。通过添加氮和磷等限制性营养物质进行生物刺激策略，可以显著增强本地SRB群落的活性，加速烷烃、芳香烃和PAH的降解[25,46]。对于顽固化合物，采用生物强化技术——引入特定的预适应微生物联合体（通常固定在载体上）可以提高处理效率[62]。优化pH值、氧化还原电位和C:N:P:S比例对于成功刺激SRB和防止有毒硫化氢积累至关重要[63]。SRB活动的一个独特方面是它们能够基于代谢依赖性形成复杂的共生联合体。一个典型的例子是它们与厌氧甲烷氧化古菌的关联。在这些系统中，SRB作为电子接受者，通过消耗电子（以氢的形式或通过直接的种间电子转移）使古菌对短链烷烃的氧化在热力学上变得可行。这一过程是冷渗漏处自然烃类过滤的基础，有可能用于生物修复[13,27]。涉及各种细菌的类似共生联合体也负责厌氧PAH的降解，其中SRB在最终阶段通过捕获分子氢来支持这一过程[15]。SRB在生物修复中的实际应用通过几种技术手段实现。最常见且成本效益最高的方法是原位生物刺激，即通过添加含硫酸盐的化合物（如石膏）以及氮和磷源来增强受污染土壤或地下水中的本地SRB种群活性[64]。一个较新的方向是开发生物电化学系统，在这些系统中，SRB可以将电子转移到阳极同时氧化污染物，或者从阴极接受电子以驱动硫酸盐还原。这种方法独特地结合了污染物去除和生物电能生成或有价值产品的合成，同时实现精确的过程控制[65]。对于受控处理应用，使用厌氧生物反应器可以有效处理含有硫酸盐、酚类和芳香化合物的工业废水。另一个好处是去除重金属，这些重金属会沉淀为不溶的金属硫化物。总的来说，这些方法展示了基于SRB的技术在应对各种环境污染挑战方面的多功能性[66]。

下图（图1）展示了海洋沉积物中硫酸盐还原菌对石油烃的厌氧降解途径，其中硫酸盐还原驱动了污染物的矿化。

5. 讨论
总结所介绍的内容，了解SRB广泛的代谢能力在生物修复领域具有重要的实际意义。脂肪烃和PAH的广泛自然存在表明，能够厌氧降解这些持久性污染物的SRB是恢复受油污染生态系统的重要参与者[67,68,69]。以前，由于热力学优势，好氧细菌被认为是降解过程的首选参与者[70]。然而，氧气的缺乏限制了它们在自然烃类储层中的活性[71]。虽然可以通过曝气器、氧化剂和分散剂等工程解决方案提高生物修复的效率[72]，但这些方法往往与自然衰减和环境可持续性的核心优势相冲突。因此，由SRB介导的厌氧烃类降解已被认为是一种可行且环境友好的替代方案[72]。掌握了厌氧烃类氧化策略的硫酸盐还原菌是现代海洋生态系统中最有趣和生态上最重要的微生物群体之一。对它们的研究远未完成，已经从狭窄的分类学追求发展成为一个跨学科的前沿，涉及从全球地球化学到生物技术安全等多个领域的问题。这些主要属于Desulfobacteria类的生物在海洋领域中作为主要生物地球化学界面的关键构建者。在厌氧沉积物中，它们在硫循环和碳循环的交汇处作为主要还原剂，催化有机物的最终矿化[73]。它们的存在对于维持生态平衡和全球生物地球化学循环至关重要。SRB的一个定义性特征是它们能够在厌氧条件下降解顽固的烃类。这种能力通过专门的生化途径实现，例如通过延胡索酸添加活化烷烃，并通常整合到复杂的微生物群落中的强制共生关系中。这些关联在调节甲烷排放方面起着重要作用，通过调节甲烷从地下储层和天然气水合物到水圈和大气的流动。在全球气候动态的背景下，理解这一自然生物过滤器的功能和韧性已成为一个重要的科学问题[41]。当前的研究状态特征是从研究纯培养物转向使用组学技术（宏基因组学、宏转录组学）研究复杂微生物群落。这一转变开始揭示未培养菌群的原位代谢活动，并重建厌氧区的代谢网络。发现SRB和古菌之间的共生伙伴关系，利用如修饰的甲基辅酶M还原酶等酶，从根本上改变了我们对碳循环的理解。同时，迫切需要扩大培养形式的收集；全面研究它们的生理学、底物范围和耐受性是将其基础知识转化为可靠生物修复技术的关键步骤[41,74]。本综述中呈现的工作表明，我们对硫酸盐还原菌及其在厌氧烃类降解中作用的理解在过去几十年中有了显著扩展。曾经被认为仅限于少数培养菌株的相对专化的代谢能力，现在被认为是更广泛且生态上重要的过程。这种扩展的理解对多个领域都有影响，包括微生物生态学、生物地球化学和生物技术[15,75]。尽管取得了进展，但仍存在重要的知识空白。由于难以获取深层地下环境的自然样本以及培养苛养厌氧微生物的已知挑战，SRB仍然是一个了解不足的群体。因此，大多数SRB的多样性尚未在纯培养中得到表征，这些未培养菌株的功能作用仍然很大程度上未知。此外，调控共生相互作用的机制，包括联合体内的潜在细胞间通信，需要进一步研究。在这些方面得到更好的理解之前，厌氧环境中碳和硫循环的模型将仍然是暂定的。方法上，该领域的特点是传统方法和新兴方法的日益整合。向微生物群落系统级研究的转变伴随着对SRB菌株的持续分离和生理特征的研究，这对于理解底物范围、应激反应和代谢多样性至关重要。这种基础知识是开发可靠生物修复应用的前提。更广泛地说，关于厌氧烃类降解SRB的研究越来越多地涉及多个学科，包括地球化学、结构生物学和合成生物学。跨学科方法以及开放获取数据库和标准化方法的发展可能促进进展，并使研究结果具有可比性。因此，曾经被认为兴趣有限的硫酸盐还原菌现在被认为是海洋碳和硫循环中的关键参与者。继续研究它们的多样性、代谢能力和生态相互作用有望完善我们对生物地球化学过程的理解，并可能为环境管理的生物技术应用提供信息。

补充材料
以下支持信息可在以下链接下载：https://www.mdpi.com/article/10.3390/ecologies7020031/s1，表S1：参与脂肪烃和芳香烃厌氧降解的海洋硫酸盐还原菌（SRB）：培养菌株和未培养菌株。