2025-03-10
近期，东北农业大学生命科学学院在《Journal of Hazardous Materials》期刊上发表了题为“Multi-omics reveal an overlooked pathway for H2S production induced by bacterial biogenesis from composting”的研究成果。硫酸盐还原被认为是堆肥过程中硫化氢（H2S）排放的主要来源，但其实际贡献率受限于复杂微生物群落动态。本研究探讨了DL-炔丙基甘氨酸（PAG，一种半胱氨酸裂解酶的抑制剂）生物合成途径在堆肥过程中，不同通风速率条件下对H2S产生的贡献，为基于通风策略优化的硫素转化过程控制提供了新的理论依据，填补了生物合成途径在堆肥H2S排放中作用的研究空白，为今后的环境管理和污染源头控制提供了突破性的指导。
本研究的16s、宏基因组测序和部分分析由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
NO.1、研究背景
硫化氢（H2S）作为大气中的主要恶臭气体与污染物，堆肥作为H2S的重要排放源，如何在堆肥过程中从源头上抑制H2S的产生成为研究热点。已知微生物介导的硫酸盐还原是堆肥过程中H2S排放的主要途径。在氧气不足或厌氧条件下，微生物利用硫酸盐作为替代电子受体维持代谢，从而产生H2S。此外细菌还可通过半胱氨酸裂解产生内源性H2S，以此抵抗氧化应激。这一过程由胱硫醚-β-合酶（CBS）、胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）和3-巯基丙酮酸硫转移酶（3-MST）等常见半胱氨酸裂解酶催化。由于堆肥初期温度变化剧烈，微生物面临强烈氧化应激，因此推测细菌H2S生物合成可能是堆肥过程中H2S排放的一个被忽视的途径，但目前缺乏直接证据。
NO.2、技术路线
NO.3、研究成果
1.堆肥过程中硫组分及酶活性的动态变化
H2S的排放主要发生在堆肥的前6天，之后日排放量逐渐减少（图1a）。不同通风条件下比较表明PAG的添加明显抑制了堆肥过程中H2S的排放，除了硫酸盐还原外，堆肥过程中还可能有其他途径导致H2S的产生。
图1 | 堆肥过程中S组分和酶活性的变化。
2.与H2S产生相关的微生物网络和核心细菌
添加PAG对堆肥过程中细菌群落组成和网络结果结构的变化存在影响。通过细菌关联网络分析发现添加PAG增强了高通风率条件下微生物网络的复杂性，而在低通风率条件下则削弱了其复杂性，这与Chao1指数一致。通过关联分析发出现H2S排放、酶活性和细菌在属水平上的存在显著的相关性（图2b-e）。添加PAG后某些核心细菌的丰度有所增加（如Savagea、Lysinibacillus、Proteiniborus），但核心细菌的多样性显著减少，表明添加PAG降低了与H2S产生相关的核心细菌的多样性。
图2 | 与H2S产生相关的细菌网络和核心细菌的变化。
3.添加PAG对微生物硫酸盐还原和H2S生物合成的影响
堆肥第4天是H2S产生的关键时期，因此从第4天起的样品进行宏基因组和宏蛋白组分析，结果表明在低通风量条件下检测到同化和异化硫酸盐还原相关基因（图3a），而在高通风率下未检测到异化硫酸盐还原中SO32-转化为H2S的基因，这表明在高通风率下H2S的产生仅通过同化硫酸盐还原进行。而低通风条件下，同化和异化硫酸盐还原均具有产生H2S的潜力。
图3 | 添加PAG对微生物硫酸盐还原和H2S生物合成的影响。
4.PAG抑制H2S排放的机理及纯培养实验验证
利用SEM进一步揭示了添加PAG抑制堆肥过程中H2S产生的影响机制（图4）。为了进一步验证PAG对堆肥微生物群H2S排放的抑制作用，提取CH和CL堆肥第4天的微生物群进行纯培养，并在培养液中人为添加PAG，发现PAG减少了堆肥微生物群的H2S排放。纯培养结果证实，PAG可直接作用于堆肥微生物群以抑制H2S的产生。
图4 | 利用结构方程模型揭示添加PAG对堆肥过程中抑制H2S生成的影响机制。实线表示显著相关，虚线表示不显著相关。线上
图5 | CH和CL堆肥微生物菌群的纯培养实验。
5.PAG对堆肥过程中H2S生成的调控模型
图6 | H2S产生的调控示意图。橙子扇形区域的大小代表氧化应激的强度。红色和绿色箭头分别代表增强和抑制作用，箭头的大小
NO.4、研究结论
本研究首次揭示了堆肥过程中H2S的生物合成途径，通过宏基因组和宏蛋白质组学分析发现添加PAG抑制了半胱氨酸裂解酶的活性，增加了氧化应激，表明PAG抑制了H2S的生物合成，也暗示了堆肥过程中存在细菌H2S生物合成现象，并加剧了H2S的排放，可通过添加PAG来改变堆肥微生物群落结构及其网络，进而影响堆肥微生物的硫酸盐还原作用，从而促进H2S排放的减少。PAG均通过削弱硫酸盐还原和抑制H2S生物合成，证实了堆肥过程中细菌H2S生物合成的广泛存在性。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136827
