林建群， 陳林旭， 高雪彥， 林建強(qiáng)

(山東大學(xué) 微生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

1 嗜酸性硫桿菌簡(jiǎn)介

嗜酸性硫桿菌屬(Acidithiobacillus)是變形桿菌門(mén)中一類(lèi)革蘭陰性、化能自養(yǎng)的硫氧化細(xì)菌，以前被歸為硫桿菌屬(Thiobacillus)，基于這類(lèi)微生物極端的耐酸性和更近的同源進(jìn)化關(guān)系，因此重新劃分形成了新的嗜酸性硫桿菌屬[1-2]。該屬中細(xì)菌均具有高效的氧化各種還原性無(wú)機(jī)硫化合物和單質(zhì)硫的能力，其中有些種群還具有氧化亞鐵的能力[3]。嗜酸性硫桿菌通過(guò)硫、鐵氧化獲得電子以合成生物能(ATP)和還原力(NADPH)，用于固定二氧化碳進(jìn)行自養(yǎng)生長(zhǎng)。嗜酸性硫桿菌(Acidithiobacillusspp.)廣泛存在于陸地、海洋含無(wú)機(jī)硫的環(huán)境中，比如礦山、熱泉、含硫的土壤及沉積物中[4]。目前嗜酸性硫桿菌屬已發(fā)現(xiàn)報(bào)道有9個(gè)種，根據(jù)其能源底物的代謝差異，可分為既能氧化硫又能氧化亞鐵的硫鐵氧化種群，只能氧化硫的硫氧化種群(表1)[5-7]，其中嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(A.ferrooxidans)、嗜酸性氧化硫硫桿菌(A.thiooxidans)和嗜酸性喜溫硫桿菌(A.caldus)是目前嗜酸性硫桿菌屬中研究與應(yīng)用最為廣泛和深入的種群。

表1 嗜酸性硫桿菌屬中不同種群的生理特征

嗜酸性硫桿菌作為重要的極端環(huán)境微生物和自養(yǎng)微生物[8-9]，從20世紀(jì)20年代開(kāi)始就引起了微生物學(xué)家的廣泛關(guān)注[10]，系統(tǒng)開(kāi)展了微生物菌種分離[10-11]、硫鐵能量代謝過(guò)程[12-14]、碳代謝能量合成過(guò)程[15-16]、重金屬抗性[17]、嗜酸機(jī)制[18-19]等多方面的研究。對(duì)嗜酸性硫桿菌的研究揭示了生命在極端環(huán)境下的生存與適應(yīng)策略，推動(dòng)了該類(lèi)微生物的跨學(xué)科研究和應(yīng)用。嗜酸性硫桿菌還是地球礦山、熱泉等生境中碳、氮、硫、鐵等生命元素循環(huán)，以及汞、砷、銅等重金屬元素轉(zhuǎn)化和遷移的重要驅(qū)動(dòng)者，因此該類(lèi)微生物已經(jīng)成為地球科學(xué)研究中重要的地質(zhì)微生物，用于研究揭示礦山等生境中元素生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程、微生物礦物相互作用等重要科學(xué)問(wèn)題[20-23]。嗜酸性硫桿菌還可作為微生物合成生物學(xué)中的底盤(pán)微生物，用于生產(chǎn)生物材料等有價(jià)值的工業(yè)產(chǎn)品，比如2019年Xiao等[24]利用A.ferrooxidans作為細(xì)胞工廠生產(chǎn)三氧化二鐵并成功制備了電池電極材料。因此，嗜酸性硫桿菌因其獨(dú)特的代謝特征和極端環(huán)境適應(yīng)性，已成為生命科學(xué)、地球科學(xué)、環(huán)境化學(xué)等多學(xué)科研究中的模式微生物，具有重要的研究?jī)r(jià)值和意義。

嗜酸性硫桿菌的研究與應(yīng)用還與人類(lèi)的綠色發(fā)展密切相關(guān)。礦山環(huán)境中嗜酸性硫桿菌等化能自養(yǎng)菌驅(qū)動(dòng)的元素生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程，一方面導(dǎo)致礦山水土環(huán)境酸化與重金屬污染，造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題[20,25]；另一方面利用該生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程發(fā)展形成了新型的綠色礦產(chǎn)資源開(kāi)采技術(shù)——微生物冶金技術(shù)[26-27]。微生物冶金技術(shù)已實(shí)現(xiàn)低品位金、銅、鈾等礦石浸出，有效拓展了人類(lèi)可開(kāi)采的有色金屬資源總量，世界銅、金產(chǎn)量的近四分之一使用生物冶金技術(shù)開(kāi)采生產(chǎn)。2011年《科學(xué)美國(guó)人》將微生物冶金技術(shù)列為可以改變世界的十大想法之一。人們還將礦物微生物重金屬浸出的基本原理擴(kuò)展到環(huán)境治理領(lǐng)域：利用嗜酸性硫桿菌處理電子垃圾回收重金屬，處理含重金屬的污泥、礦渣等工業(yè)廢棄物[28-31]。我國(guó)周立祥團(tuán)隊(duì)利用嗜酸性硫桿菌的生物浸出作用研發(fā)的污泥生物瀝浸技術(shù)2010年起成功推向工程應(yīng)用[32]，已在我國(guó)多個(gè)污水處理廠和生產(chǎn)企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用。因此，利用嗜酸性硫桿菌等微生物形成的生物冶金、污泥瀝浸等微生物浸出技術(shù)，已成為一種具有廣闊應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Φ男滦途G色資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境治理技術(shù)，為人類(lèi)解決有色礦產(chǎn)資源短缺和重金屬污染難題提供有效的解決方案。

2 嗜酸性硫桿菌中群體感應(yīng)系統(tǒng)的類(lèi)型

群體感應(yīng)(quorum sensing, QS)是細(xì)菌細(xì)胞種內(nèi)及種間信息交流的一種方式，在細(xì)菌代謝與行為、微生物繁殖與種群密度、微生物與環(huán)境互作等方面具有重要調(diào)節(jié)作用[33-34]。具有QS系統(tǒng)的細(xì)菌能產(chǎn)生并釋放一種叫做自體誘導(dǎo)物(autoinducer)的信號(hào)分子，它隨細(xì)胞密度增加而同步增加，當(dāng)信號(hào)分子積累到一定濃度時(shí)會(huì)改變細(xì)菌特定基因的表達(dá)，也就是說(shuō)當(dāng)細(xì)菌的數(shù)量達(dá)到一定的密度(quorum)時(shí)才能發(fā)生感應(yīng)現(xiàn)象(sensing)[35]。在革蘭陰性細(xì)菌中，LuxI家族蛋白負(fù)責(zé)催化形成信號(hào)分子?；呓z氨酸內(nèi)酯(acylated homoserine lactone, acyl-HSL或 AHL)，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白(LuxR家族)可以識(shí)別并結(jié)合acyl-HSL，形成LuxR-acyl-HSL復(fù)合物，從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄(圖1)。Acyl-HSLs類(lèi)型信號(hào)分子由高絲氨酸內(nèi)酯(Homoserine lactone)和?；舅徭?Fatty acid acyl chain)組成，信號(hào)分子間的差異與脂肪酸碳鏈的長(zhǎng)度和脂肪酸碳鏈C3位上連接的官能團(tuán)(-H、-OH、=O)密切相關(guān)[36]。

2005年，F(xiàn)arah等在A.ferrooxidans中首次發(fā)現(xiàn) LuxI/R類(lèi)型的QS系統(tǒng)(AfeI/R)，該系統(tǒng)存在于一個(gè)由afeI-orf3-afeR組成的操縱子上，其中afeI編碼信號(hào)分子合成酶，屬于LuxI家族蛋白，afeR編碼轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白，屬于LuxR家族蛋白，orf3編碼未知功能的蛋白[37-40]。生物信息學(xué)分析顯示，AfeI/R類(lèi)型QS系統(tǒng)在嗜酸性硫桿菌屬的硫鐵氧化菌群中的分布最為廣泛和保守(圖2)[17]。在嗜酸性硫桿菌屬的硫鐵氧化種群中，除了A.ferrianus以及沒(méi)有全基因組信息的A.ferriphilus外，A.ferrooxidans、A.ferridurans和A.ferrivorans中均發(fā)現(xiàn)了AfeI/R系統(tǒng)；而在只能氧化硫的硫氧化種群中，只有A.thiooxidans存在AfeI/R系統(tǒng)。保守的afeR-orf3-afeI類(lèi)型操縱子可以在A.ferrooxidans、A.ferridurans和A.thiooxidans中發(fā)現(xiàn)，而在A.ferrivorans中為獨(dú)立存在的afeI和afeR基因。幾乎所有的A.thiooxidans菌株都含有afeR-orf3-afeI類(lèi)型操縱子，但在A.thiooxidansATCC19377的菌株中不含有該操縱子，只具有同源性更低的AfeI和縮短的AfeR?；谏镄畔W(xué)的分析結(jié)果，表明AfeI/R系統(tǒng)在嗜酸性硫桿菌屬中存在顯著的種群和菌株的差異，且AfeI/R系統(tǒng)在硫鐵氧化種群中更具有普遍性[17]。

2007年，在A.ferrooxidans中又報(bào)道了另一套可能合成acyl-HSLs分子的系統(tǒng)，包括glyQ、glyS、gph、act等4個(gè)基因，分別編碼苷氨酸t(yī)-RNA合成酶的α亞基和β亞基、磷酸酶、酰基轉(zhuǎn)移酶，在大腸埃希菌中異源表達(dá)act基因可以產(chǎn)生acyl-HSLs類(lèi)型信號(hào)分子[41]。由于沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Act相應(yīng)的調(diào)控蛋白，并且是否在A.ferrooxidans中也產(chǎn)生信號(hào)分子還未有報(bào)道，因此Act系統(tǒng)是否是QS系統(tǒng)目前還存在很大爭(zhēng)議[41-42]，需要在今后的研究中確定Act在A.ferrooxidans中是否具有信號(hào)分子合成能力及可能存在的信號(hào)感知和傳遞通路。

圖1 LuxI/R系統(tǒng)調(diào)控方式與acyl-HSLs類(lèi)型信號(hào)分子基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Regulation mode of LuxI/R and molecular structure of acyl-HSLs

圖2 AfeI/R類(lèi)型群體感應(yīng)系統(tǒng)在嗜酸性硫桿菌屬中的分布情況Fig.2 Distribution of AfeI/R-like QS system in Acidithiobacillus

3 AfeI/R在A.ferrooxidans不同能源培養(yǎng)體系中的調(diào)控功能

AfeI/R系統(tǒng)在A.ferrooxidans中發(fā)現(xiàn)較早，但由于A.ferrooxidans等嗜酸自養(yǎng)菌的基因操作較為困難，直到2020年Gao等[17]通過(guò)對(duì)afeI基因的成功敲除和過(guò)表達(dá)才確定了AfeI/R在硫、鐵培養(yǎng)體系中的調(diào)控作用。2005年，Rivas等[40]通過(guò)半定量的RT-PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，afeI和afeR基因在以硫?yàn)槟茉吹孜锱囵B(yǎng)時(shí)的表達(dá)量比以亞鐵為能源底物培養(yǎng)時(shí)高，推測(cè)AfeI/R系統(tǒng)可能主要在硫培養(yǎng)，尤其是單質(zhì)硫培養(yǎng)時(shí)發(fā)揮功能。2016年，Mamani等[43]通過(guò)添加acyl-HSLs類(lèi)型信號(hào)分子的類(lèi)似物，發(fā)現(xiàn)A.ferrooxidans對(duì)單質(zhì)硫的吸附能力增強(qiáng)。2020年，Gao等[17]通過(guò)對(duì)afeI敲除和過(guò)表達(dá)菌株不同能源下的生長(zhǎng)代謝分析研究，揭示了AfeI/R不僅在A.ferrooxidans單質(zhì)硫培養(yǎng)時(shí)發(fā)揮重要作用，而且在亞鐵培養(yǎng)時(shí)具有更加顯著的調(diào)控作用，解答了多年來(lái)AfeI/R在A.ferrooxidans硫、鐵培養(yǎng)體系中調(diào)控功能的疑問(wèn)。

不同能源條件下，AfeI/R對(duì)A.ferrooxidans的調(diào)控效應(yīng)存在顯著差異。單質(zhì)硫?yàn)槲ㄒ荒茉磿r(shí)，afeI過(guò)表達(dá)可以提高菌株在延遲期和指數(shù)期的細(xì)胞濃度和產(chǎn)酸能力，但不影響培養(yǎng)體系最終的群體密度，因此AfeI/R可以作為A.ferrooxidans單質(zhì)硫培養(yǎng)時(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)的“加速器”，在延遲期和指數(shù)期調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)速度；亞鐵為唯一能源時(shí)，afeI過(guò)表達(dá)會(huì)顯著抑制菌株整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程的細(xì)胞濃度和亞鐵氧化能力，因此AfeI/R可以作為A.ferrooxidans亞鐵培養(yǎng)時(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)的“抑制器”，調(diào)控細(xì)胞代謝生長(zhǎng)和培養(yǎng)體系中最終群體密度[17]。AfeI/R在A.ferrooxidans培養(yǎng)體系中根據(jù)能源底物種類(lèi)產(chǎn)生的不同調(diào)節(jié)效果，可能是A.ferrooxidans平衡自身硫、鐵兩套代謝系統(tǒng)適應(yīng)硫、鐵環(huán)境的一種重要方式，這也可能是嗜酸性硫桿菌屬中硫鐵氧化種群普遍具有AfeI/R系統(tǒng)的一個(gè)重要原因，因此相關(guān)研究成果為今后從環(huán)境能源底物與微生物代謝協(xié)同調(diào)控的角度，研究和認(rèn)知AfeI/R的環(huán)境與生態(tài)效應(yīng)提供了思路和啟示。

4 AfeI/R在A.ferrooxidans不同能源底物下的調(diào)控方式

單質(zhì)硫培養(yǎng)時(shí)，AfeI/R對(duì)A.ferrooxidans胞外多聚物(Extracellular polymeric substances, EPS)的調(diào)控，是實(shí)現(xiàn)AfeI/R調(diào)控A.ferrooxidans代謝生長(zhǎng)和群體密度的關(guān)鍵[17，42]。單質(zhì)硫是嗜酸性硫桿菌等化能自養(yǎng)硫氧化菌生長(zhǎng)代謝中重要的固體能源底物，A.ferrooxidans等硫氧化菌分泌EPS及其在固體能源底物表面形成生物被膜(Biofilm)是微生物代謝利用單質(zhì)硫的關(guān)鍵步驟[44-45]。群體感應(yīng)系統(tǒng)是調(diào)控微生物EPS分泌和生物被膜合成的一種重要方式[46]。Gao等[17]的研究發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)afeI不僅可以促進(jìn)A.ferrooxidans的EPS分泌與生物被膜形成，還可以增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)單質(zhì)硫的侵蝕作用、細(xì)胞硫氧化能力等特性，因此A.ferrooxidans利用AfeI/R對(duì) EPS合成的調(diào)控作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)其單質(zhì)硫培養(yǎng)時(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)控。單質(zhì)硫培養(yǎng)時(shí)，AfeI/R對(duì)A.ferrooxidans的EPS合成和細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)控具有顯著的生長(zhǎng)周期依賴性，即AfeI/R在延遲期和指數(shù)生長(zhǎng)期可以通過(guò)調(diào)控EPS影響細(xì)胞生長(zhǎng)，但在穩(wěn)定期AfeI/R對(duì)EPS和細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)作用消失。因此，AfeI/R基于A.ferrooxidans生長(zhǎng)周期調(diào)控其EPS合成，可能是A.ferrooxidans適應(yīng)環(huán)境單質(zhì)硫固體能源的一種重要方式，其內(nèi)在的分子機(jī)制及生態(tài)學(xué)意義有待進(jìn)一步研究揭示。

當(dāng)亞鐵為唯一能源底物時(shí)，AfeI/R的調(diào)控作用如何實(shí)現(xiàn)呢？Gao等的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)afeI過(guò)表達(dá)不影響亞鐵為唯一能源底物時(shí)A.ferrooxidans的EPS合成，說(shuō)明亞鐵培養(yǎng)時(shí)AfeI/R不是通過(guò)調(diào)控EPS合成影響細(xì)胞生長(zhǎng)代謝和群體密度。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，亞鐵培養(yǎng)時(shí)afeI過(guò)表達(dá)顯著抑制了A.ferrooxidans中一個(gè)氫化酶合成基因簇的表達(dá)(AFE_0700-0719)。氫化酶是微生物氫代謝中的一個(gè)雙向催化酶，推測(cè)在A.ferrooxidans中AfeI/R調(diào)控的氫化酶傾向于催化氫氣生成質(zhì)子和電子，因此相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)分析結(jié)果顯示，A.ferrooxidans中AfeI/R可能通過(guò)調(diào)控微生物氫代謝，實(shí)現(xiàn)對(duì)亞鐵培養(yǎng)時(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)代謝和菌群濃度的控制。綜上，AfeI/R在A.ferrooxidans亞鐵培養(yǎng)時(shí)可能具有新型調(diào)控方式，群體感應(yīng)系統(tǒng)在化能自養(yǎng)菌鐵代謝中具有基礎(chǔ)性調(diào)控作用，這些發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了微生物氫、鐵代謝之間的緊密聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)代謝過(guò)程及相應(yīng)調(diào)控分子機(jī)制研究，將有助于解答和認(rèn)知極端環(huán)境下生命的生存及適應(yīng)策略。

5 AfeI/R系統(tǒng)的信號(hào)分子種類(lèi)及其功能

信號(hào)分子是群體感應(yīng)系統(tǒng)執(zhí)行功能的關(guān)鍵。2005年，F(xiàn)arah等[37]首次報(bào)道了A.ferrooxidansATCC 23270中存在acyl-HSL類(lèi)型的信號(hào)分子，并且檢測(cè)到該菌在亞鐵、單質(zhì)硫和硫代硫酸鹽的三種培養(yǎng)條件下一共可以產(chǎn)生9種acyl-HSLs信號(hào)分子，分別是3-OH-C8-HSL、3-OH-C10-HSL、C12-HSL、3-OH-C12-HSL、3-O-C12-HSL、C14-HSL、3-OH-C14-HSL、3-O-C14-HSL、3-OH-C16-HSL。由于A.ferrooxidans存在AfeI/R和潛在的Act類(lèi)型QS系統(tǒng)，一直無(wú)法確定AfeI/R系統(tǒng)真實(shí)產(chǎn)生的信號(hào)分子種類(lèi)及其功能。2020年Gao等[17]通過(guò)敲除A.ferrooxidansATCC 23270中act基因和過(guò)表達(dá)afeI基因，構(gòu)建了只含afeI的突變株，通過(guò)研究確定了AfeI在單質(zhì)硫和亞鐵培養(yǎng)時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)分子種類(lèi)(表2)。Acyl-HSLs類(lèi)型信號(hào)分子合成時(shí)，其高絲氨酸內(nèi)脂環(huán)衍生自 S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)，而其酰基側(cè)鏈來(lái)自脂肪酸代謝，由?；d體蛋白 (acyl-ACP) 提供，acyl-HSL分子結(jié)構(gòu)的差異取決于?；d體蛋白提供的?；鶄?cè)鏈的碳鏈長(zhǎng)度以及第三個(gè)碳原子上的取代基[47-49]。A.ferrooxidans在硫、鐵不同能源下代謝差異可能導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生不同種類(lèi)的?；鶄?cè)鏈，進(jìn)而影響AfeI催化合成的信號(hào)分子類(lèi)型。因此，A.ferrooxidans等嗜酸性硫鐵氧化菌在不同能源下信號(hào)分子的合成過(guò)程及形成差異，也將是今后AfeI/R類(lèi)型群體感應(yīng)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵工作，通過(guò)對(duì)信號(hào)分子合成過(guò)程的解析，將有利于從分子水平闡明AfeI/R系統(tǒng)與能源底物的密切關(guān)系。

AfeI合成的多種信號(hào)分子中，一些關(guān)鍵的信號(hào)分子只有在特定能源底物條件下才能發(fā)揮調(diào)控作用。Gao等[17]通過(guò)信號(hào)分子標(biāo)準(zhǔn)品的反添加實(shí)驗(yàn)，證實(shí)3-OH-C14-HSL和C12-HSL是調(diào)控A.ferrooxidans生長(zhǎng)代謝和群體密度的兩個(gè)關(guān)鍵信號(hào)分子。3-OH-C14-HSL可以在A.ferrooxidans單質(zhì)硫培養(yǎng)的前期，調(diào)控EPS合成和細(xì)胞生長(zhǎng)代謝，但不影響培養(yǎng)體系最終細(xì)胞濃度；C12-HSL可以在A.ferrooxidans亞鐵培養(yǎng)時(shí)，抑制其代謝生長(zhǎng)和最終群體密度。由于C12-HSL只在A.ferrooxidans單質(zhì)硫培養(yǎng)體系中檢測(cè)到，而未在亞鐵培養(yǎng)體系中檢測(cè)到(表2)，并且亞鐵培養(yǎng)時(shí)含量最低的3-OH-C16-HSL由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)品，目前還沒(méi)有反添加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此是否3-OH-C16-HSL或者還存在其它未鑒定的新型信號(hào)分子，在A.ferrooxidans亞鐵培養(yǎng)時(shí)發(fā)揮調(diào)控功能，該問(wèn)題的研究和解決將是今后A.ferrooxidans亞鐵培養(yǎng)過(guò)程AfeI/R調(diào)控機(jī)制研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

表2 A.ferrooxidans單質(zhì)硫或亞鐵培養(yǎng)液中信號(hào)分子的種類(lèi)

6 AfeI/R在A.ferrooxidans中基于能源底物的調(diào)控策略

A.ferrooxidans培養(yǎng)體系中，能源底物可以影響AfeI合成的信號(hào)分子種類(lèi)、信號(hào)分子的調(diào)節(jié)效應(yīng)、AfeI/R的調(diào)控途徑及其群體效應(yīng)等[17]。基于這些研究發(fā)現(xiàn)，Gao等[17]提出AfeI/R系統(tǒng)在A.ferrooxidans中基于能源底物的調(diào)控策略理論，即AfeI根據(jù)能源底物種類(lèi)產(chǎn)生不同類(lèi)型的信號(hào)分子，特定功能的信號(hào)分子在特定能源底物條件下執(zhí)行調(diào)控功能。如圖3所示，單質(zhì)硫培養(yǎng)時(shí)，AfeI合成的3-OH-C14-HSL通過(guò)調(diào)控EPS合成影響細(xì)胞硫代謝與生長(zhǎng)，但該調(diào)節(jié)效應(yīng)只發(fā)生在生長(zhǎng)延遲期和指數(shù)期，不影響培養(yǎng)體系的最終群體密度。單質(zhì)硫培養(yǎng)時(shí)產(chǎn)生的另一種信號(hào)分子C12-HSL可能具有調(diào)控A.ferrooxidans亞鐵氧化系統(tǒng)的功能，因?yàn)锳feI過(guò)表達(dá)導(dǎo)致A.ferrooxidans亞鐵氧化系統(tǒng)的一些基因表達(dá)下調(diào)，并且C12-HSL對(duì)亞鐵培養(yǎng)的A.ferrooxidans具有抑制作用[17]。因此A.ferrooxidans在單質(zhì)硫培養(yǎng)時(shí)，AfeI/R可能通過(guò)3-OH-C14-HSL調(diào)控其硫代謝系統(tǒng)，通過(guò)C12-HSL調(diào)控其亞鐵代謝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)A.ferrooxidans硫、鐵兩種能量代謝系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)控。亞鐵培養(yǎng)體系中，AfeI/R可能通過(guò)調(diào)控細(xì)胞氫代謝和亞鐵代謝過(guò)程，控制細(xì)胞生長(zhǎng)和群體密度，但亞鐵培養(yǎng)時(shí)發(fā)揮調(diào)控作用的關(guān)鍵信號(hào)分子仍需進(jìn)一步解析確定。A.ferrooxidans中的AfeI/R基于能源底物調(diào)控策略理論的提出，表明群體感應(yīng)系統(tǒng)可能是化能自養(yǎng)硫鐵氧化菌響應(yīng)和適應(yīng)極端環(huán)境的重要機(jī)制，為研究和揭示A.ferrooxidans等硫鐵氧化菌群與礦山酸性環(huán)境協(xié)同演化過(guò)程提供了新理論與新思路。

嗜酸性硫桿菌是礦山酸性微生態(tài)系統(tǒng)形成、演化的關(guān)鍵功能菌群，該類(lèi)微生物的硫鐵能量代謝過(guò)程、EPS分泌及生物被膜形成過(guò)程是礦山環(huán)境硫鐵元素循環(huán)和礦物氧化過(guò)程中的重要驅(qū)動(dòng)因素。群體感應(yīng)系統(tǒng)形成的從細(xì)胞分子水平到群體行為的調(diào)控方式，是微生物群落與環(huán)境協(xié)同演化研究中的重要研究?jī)?nèi)容。A.ferrooxidans中AfeI/R基于能源底物調(diào)控策略的發(fā)現(xiàn)，表明一些化能自養(yǎng)硫鐵氧化菌可能利用群體感應(yīng)系統(tǒng)，構(gòu)建起環(huán)境能源底物-群體感應(yīng)信號(hào)分子-基因表達(dá)調(diào)控-細(xì)胞代謝與行為-菌群更替與演化-環(huán)境條件與物質(zhì)組分變化的微生物群落與硫鐵環(huán)境協(xié)同演化過(guò)程，這可能是硫鐵氧化菌群適應(yīng)礦山硫、鐵能源環(huán)境，獲得生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的一個(gè)重要方式。因此A.ferrooxidans中AfeI/R調(diào)控策略的發(fā)現(xiàn)及相應(yīng)理論的提出，將有助于今后從環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)角度解析群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控效應(yīng)與環(huán)境生態(tài)作用。

7 AfeI/R系統(tǒng)在微生物礦物氧化過(guò)程的調(diào)控作用

目前的硫化礦生物浸出理論認(rèn)為嗜酸性硫桿菌等化能自養(yǎng)菌通過(guò)分泌EPS吸附到礦石表面并聚集形成生物被膜，細(xì)胞與礦物之間的EPS層提供了礦石生物、化學(xué)氧化的活性基團(tuán)及反應(yīng)發(fā)生的微環(huán)境，因此浸礦菌群EPS分泌及生物被膜形成是調(diào)控微生物礦物氧化過(guò)程的關(guān)鍵[45]，在生物冶金產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和自然環(huán)境礦山酸性污染治理中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

群體感應(yīng)系統(tǒng)是微生物調(diào)控其EPS分泌和生物被膜形成的重要方式。2013年，González等[42]研究發(fā)現(xiàn)添加C12/C14-HSLs混合信號(hào)分子，可以促進(jìn)A.ferrooxidans在礦石表面形成生物被膜。2020年，Gao等發(fā)現(xiàn)afeI/R基因簇過(guò)表達(dá)菌對(duì)礦物的吸附作用、侵蝕能力以及細(xì)胞重金屬浸出能力顯著增強(qiáng)，并提出了群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控微生物礦物浸出的理論模型[50]。如圖4所示，在礦物培養(yǎng)系統(tǒng)中A.ferrooxidans細(xì)胞分泌的信號(hào)分子通過(guò)積累達(dá)到一定閾值后，可以促進(jìn)細(xì)胞分泌EPS，游離狀態(tài)的細(xì)胞吸附能力增強(qiáng)，在礦石表面加速聚集形成生物被膜，進(jìn)而增強(qiáng)了A.ferrooxidans的硫代謝能力、礦物侵蝕和氧化能力，加速礦物的重金屬浸出過(guò)程[50]。AfeI/R調(diào)控微生物礦物浸出過(guò)程的發(fā)現(xiàn)和調(diào)控理論的提出，表明群體感應(yīng)系統(tǒng)在調(diào)控嗜酸性硫桿菌等浸礦微生物礦物氧化過(guò)程中具有重要作用，為研究和開(kāi)發(fā)微生物礦物浸出過(guò)程調(diào)控手段和技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)和方法指導(dǎo)。

圖4 AfeI/R調(diào)控A.ferrooxidans礦物浸出過(guò)程的理論模型Fig.4 The regulation of AfeI/R on the bioleaching process of A.ferrooxidans

8 展 望

嗜酸性硫桿菌等自養(yǎng)微生物中群體感應(yīng)系統(tǒng)的研究不僅有助于認(rèn)知群體感應(yīng)系統(tǒng)在極端微生物中的分子調(diào)控功能與調(diào)節(jié)機(jī)制，也有利于揭示極端環(huán)境下微生物的生存與適應(yīng)策略，實(shí)現(xiàn)新認(rèn)知，構(gòu)建新理論，開(kāi)發(fā)新技術(shù)。目前的研究表明，群體感應(yīng)系統(tǒng)參與微生物硫鐵代謝過(guò)程、微生物礦物相互作用以及嗜酸菌與極端環(huán)境協(xié)同演化過(guò)程，揭示了群體感應(yīng)系統(tǒng)在化能自養(yǎng)微生物中獨(dú)特的功能及其基礎(chǔ)性調(diào)控作用。基于前期研究成果和理論模型，今后可以從群體感應(yīng)系統(tǒng)的胞內(nèi)調(diào)節(jié)分子機(jī)制、種間調(diào)控作用、環(huán)境生態(tài)效應(yīng)以及應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)等幾個(gè)方面開(kāi)展系統(tǒng)研究：①嗜酸性硫桿菌群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控的詳細(xì)分子機(jī)制：以A.ferrooxidans為例，系統(tǒng)解析各種信號(hào)分子可能的調(diào)控作用，重點(diǎn)研究確定亞鐵培養(yǎng)時(shí)起調(diào)控作用的關(guān)鍵信號(hào)分子；揭示信號(hào)分子-調(diào)控蛋白-調(diào)控序列-調(diào)節(jié)基因與代謝途徑的信號(hào)感受與傳遞通路；通過(guò)解析信號(hào)分子結(jié)構(gòu)、調(diào)控蛋白結(jié)構(gòu)、調(diào)控序列特征，在分子層面揭示群體感應(yīng)系統(tǒng)在不同能源體系下信號(hào)傳遞和調(diào)控通路，建立完善、精確與系統(tǒng)的AfeI/R調(diào)控分子網(wǎng)絡(luò)，形成化能自養(yǎng)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)研究的理論創(chuàng)新與突破。②嗜酸性硫桿菌等化能自養(yǎng)微生物中群體感應(yīng)系統(tǒng)發(fā)掘及其種間調(diào)控作用研究：以礦山環(huán)境中硫鐵氧化菌為對(duì)象，發(fā)掘不同種群的群體感應(yīng)系統(tǒng)及其同源關(guān)系；解析不同種群中群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控功能及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；研究不同種群間群體感應(yīng)系統(tǒng)的信息傳遞和調(diào)節(jié)效應(yīng)；通過(guò)對(duì)不同種群群體感應(yīng)系統(tǒng)的解析，揭示礦山環(huán)境不同硫鐵氧化種群基于群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控策略，建立基于群體感應(yīng)系統(tǒng)的不同硫鐵氧化種群間的協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。③群體感應(yīng)系統(tǒng)在嗜酸菌群與酸性環(huán)境協(xié)同演化中的作用：A.ferrooxidans中群體感應(yīng)系統(tǒng)存在典型的依賴環(huán)境能源底物的調(diào)控方式，并且環(huán)境能源底物能夠影響A.ferrooxidans群體感應(yīng)系統(tǒng)信號(hào)分子合成及其調(diào)節(jié)效應(yīng)，因此群體感應(yīng)系統(tǒng)可能是嗜酸性硫桿菌等化能自養(yǎng)嗜酸菌群適應(yīng)礦山硫鐵環(huán)境而形成的獨(dú)特環(huán)境適應(yīng)調(diào)控機(jī)制，通過(guò)群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控作用，嗜酸自養(yǎng)菌群可能更利于在礦山環(huán)境微生物競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)生態(tài)優(yōu)勢(shì)，成為優(yōu)勢(shì)功能菌群，驅(qū)動(dòng)環(huán)境酸化和嗜酸微生物群落形成。因此利用環(huán)境微生物組學(xué)研究理念和技術(shù)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)M，系統(tǒng)揭示群體感應(yīng)系統(tǒng)的生態(tài)與環(huán)境調(diào)節(jié)效應(yīng)，將是未來(lái)從環(huán)境生態(tài)學(xué)角度研究群體感應(yīng)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，將有助于解答微生物與環(huán)境協(xié)同演化等重要的科學(xué)問(wèn)題。④基于嗜酸自養(yǎng)微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的功能開(kāi)發(fā)新型應(yīng)用技術(shù)：嗜酸性硫桿菌等化能自養(yǎng)菌群在生物冶金等生產(chǎn)實(shí)踐和礦山酸性環(huán)境治理中都是關(guān)鍵的功能菌群。在微生物冶金等產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，群體感應(yīng)系統(tǒng)可以作為浸礦菌合成生物學(xué)研究和改造的重要遺傳元件，選育高效的浸礦菌株和復(fù)合浸礦菌群，強(qiáng)化浸礦菌群的礦物氧化與重金屬浸出過(guò)程；另外還可以針對(duì)浸礦菌群群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控特點(diǎn)優(yōu)化浸出體系組成，針對(duì)性開(kāi)發(fā)礦物浸出過(guò)程調(diào)控技術(shù)，提高生物冶金效率。在酸性礦山環(huán)境治理方面需要抑制嗜酸菌群體感應(yīng)系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境調(diào)控作用的發(fā)揮，針對(duì)嗜酸菌群體感應(yīng)系統(tǒng)可以開(kāi)發(fā)阻遏物或者尋找抑制微生物，打斷或削弱群體感應(yīng)系統(tǒng)的信號(hào)傳遞以調(diào)控過(guò)程，阻止礦山環(huán)境嗜酸菌的形成種群優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)從源頭上控制礦石生物氧化與環(huán)境酸化過(guò)程，構(gòu)建礦山酸性環(huán)境生態(tài)修復(fù)的新理論和新技術(shù)。