嗜酸性硫桿菌群體感應(yīng)系統(tǒng)研究進展

林建群， 陳林旭， 高雪彥， 林建強

(山東大學(xué) 微生物技術(shù)國家重點實驗室，山東 青島 266237)

1 嗜酸性硫桿菌簡介

嗜酸性硫桿菌屬(Acidithiobacillus)是變形桿菌門中一類革蘭陰性、化能自養(yǎng)的硫氧化細菌，以前被歸為硫桿菌屬(Thiobacillus)，基于這類微生物極端的耐酸性和更近的同源進化關(guān)系，因此重新劃分形成了新的嗜酸性硫桿菌屬[1-2]。該屬中細菌均具有高效的氧化各種還原性無機硫化合物和單質(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行自養(yǎng)生長。嗜酸性硫桿菌(Acidithiobacillusspp.)廣泛存在于陸地、海洋含無機硫的環(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)報道有9個種，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20年代開始就引起了微生物學(xué)家的廣泛關(guān)注[10]，系統(tǒng)開展了微生物菌種分離[10-11]、硫鐵能量代謝過程[12-14]、碳代謝能量合成過程[15-16]、重金屬抗性[17]、嗜酸機制[18-19]等多方面的研究。對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，推動了該類微生物的跨學(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)動者，因此該類微生物已經(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)過程、微生物礦物相互作用等重要科學(xué)問題[20-23]。嗜酸性硫桿菌還可作為微生物合成生物學(xué)中的底盤微生物，用于生產(chǎn)生物材料等有價值的工業(yè)產(chǎn)品，比如2019年Xiao等[24]利用A.ferrooxidans作為細胞工廠生產(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，具有重要的研究價值和意義。

嗜酸性硫桿菌的研究與應(yīng)用還與人類的綠色發(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)動的元素生物化學(xué)循環(huán)過程，一方面導(dǎo)致礦山水土環(huán)境酸化與重金屬污染，造成嚴重的生態(tài)環(huán)境安全問題[20,25]；另一方面利用該生物化學(xué)循環(huán)過程發(fā)展形成了新型的綠色礦產(chǎn)資源開采技術(shù)——微生物冶金技術(shù)[26-27]。微生物冶金技術(shù)已實現(xiàn)低品位金、銅、鈾等礦石浸出，有效拓展了人類可開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)開采生產(chǎn)。2011年《科學(xué)美國人》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]。我國周立祥團隊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]，已在我國多個污水處理廠和生產(chǎn)企業(yè)得到實際應(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色資源開發(fā)與環(huán)境治理技術(shù)，為人類解決有色礦產(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)的類型

群體感應(yīng)(quorum sensing, QS)是細菌細胞種內(nèi)及種間信息交流的一種方式，在細菌代謝與行為、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)的細菌能產(chǎn)生并釋放一種叫做自體誘導(dǎo)物(autoinducer)的信號分子，它隨細胞密度增加而同步增加，當信號分子積累到一定濃度時會改變細菌特定基因的表達，也就是說當細菌的數(shù)量達到一定的密度(quorum)時才能發(fā)生感應(yīng)現(xiàn)象(sensing)[35]。在革蘭陰性細菌中，LuxI家族蛋白負責催化形成信號分子酰基高絲氨酸內(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類型信號分子由高絲氨酸內(nèi)酯(Homoserine lactone)和?；舅徭?Fatty acid acyl chain)組成，信號分子間的差異與脂肪酸碳鏈的長度和脂肪酸碳鏈C3位上連接的官能團(-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類型的QS系統(tǒng)(AfeI/R)，該系統(tǒng)存在于一個由afeI-orf3-afeR組成的操縱子上，其中afeI編碼信號分子合成酶，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、?；D(zhuǎn)移酶，在大腸埃希菌中異源表達act基因可以產(chǎn)生acyl-HSLs類型信號分子[41]。由于沒有發(fā)現(xiàn)Act相應(yīng)的調(diào)控蛋白，并且是否在A.ferrooxidans中也產(chǎn)生信號分子還未有報道，因此Act系統(tǒng)是否是QS系統(tǒng)目前還存在很大爭議[41-42]，需要在今后的研究中確定Act在A.ferrooxidans中是否具有信號分子合成能力及可能存在的信號感知和傳遞通路。

圖1 LuxI/R系統(tǒng)調(diào)控方式與acyl-HSLs類型信號分子基本結(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]通過對afeI基因的成功敲除和過表達才確定了AfeI/R在硫、鐵培養(yǎng)體系中的調(diào)控作用。2005年，Rivas等[40]通過半定量的RT-PCR檢測發(fā)現(xiàn)，afeI和afeR基因在以硫為能源底物培養(yǎng)時的表達量比以亞鐵為能源底物培養(yǎng)時高，推測AfeI/R系統(tǒng)可能主要在硫培養(yǎng)，尤其是單質(zhì)硫培養(yǎng)時發(fā)揮功能。2016年，Mamani等[43]通過添加acyl-HSLs類型信號分子的類似物，發(fā)現(xiàn)A.ferrooxidans對單質(zhì)硫的吸附能力增強。2020年，Gao等[17]通過對afeI敲除和過表達菌株不同能源下的生長代謝分析研究，揭示了AfeI/R不僅在A.ferrooxidans單質(zhì)硫培養(yǎng)時發(fā)揮重要作用，而且在亞鐵培養(yǎng)時具有更加顯著的調(diào)控作用，解答了多年來AfeI/R在A.ferrooxidans硫、鐵培養(yǎng)體系中調(diào)控功能的疑問。

不同能源條件下，AfeI/R對A.ferrooxidans的調(diào)控效應(yīng)存在顯著差異。單質(zhì)硫為唯一能源時，afeI過表達可以提高菌株在延遲期和指數(shù)期的細胞濃度和產(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)時細胞生長的“加速器”，在延遲期和指數(shù)期調(diào)控細胞生長速度；亞鐵為唯一能源時，afeI過表達會顯著抑制菌株整個培養(yǎng)過程的細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)時細胞生長的“抑制器”，調(diào)控細胞代謝生長和培養(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，AfeI/R對A.ferrooxidans胞外多聚物(Extracellular polymeric substances, EPS)的調(diào)控，是實現(xiàn)AfeI/R調(diào)控A.ferrooxidans代謝生長和群體密度的關(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)過表達afeI不僅可以促進A.ferrooxidans的EPS分泌與生物被膜形成，還可以增強細胞對單質(zhì)硫的侵蝕作用、細胞硫氧化能力等特性，因此A.ferrooxidans利用AfeI/R對 EPS合成的調(diào)控作用，實現(xiàn)對其單質(zhì)硫培養(yǎng)時細胞生長的調(diào)控。單質(zhì)硫培養(yǎng)時，AfeI/R對A.ferrooxidans的EPS合成和細胞生長的調(diào)控具有顯著的生長周期依賴性，即AfeI/R在延遲期和指數(shù)生長期可以通過調(diào)控EPS影響細胞生長，但在穩(wěn)定期AfeI/R對EPS和細胞生長的調(diào)節(jié)作用消失。因此，AfeI/R基于A.ferrooxidans生長周期調(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)在的分子機制及生態(tài)學(xué)意義有待進一步研究揭示。

當亞鐵為唯一能源底物時，AfeI/R的調(diào)控作用如何實現(xiàn)呢？Gao等的實驗研究發(fā)現(xiàn)afeI過表達不影響亞鐵為唯一能源底物時A.ferrooxidans的EPS合成，說明亞鐵培養(yǎng)時AfeI/R不是通過調(diào)控EPS合成影響細胞生長代謝和群體密度。通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，亞鐵培養(yǎng)時afeI過表達顯著抑制了A.ferrooxidans中一個氫化酶合成基因簇的表達(AFE_0700-0719)。氫化酶是微生物氫代謝中的一個雙向催化酶，推測在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)測分析結(jié)果顯示，A.ferrooxidans中AfeI/R可能通過調(diào)控微生物氫代謝，實現(xiàn)對亞鐵培養(yǎng)時細胞生長代謝和菌群濃度的控制。綜上，AfeI/R在A.ferrooxidans亞鐵培養(yǎng)時可能具有新型調(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)揭開了微生物氫、鐵代謝之間的緊密聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上進一步開展相關(guān)代謝過程及相應(yīng)調(diào)控分子機制研究，將有助于解答和認知極端環(huán)境下生命的生存及適應(yīng)策略。

5 AfeI/R系統(tǒng)的信號分子種類及其功能

信號分子是群體感應(yīng)系統(tǒng)執(zhí)行功能的關(guān)鍵。2005年，F(xiàn)arah等[37]首次報道了A.ferrooxidansATCC 23270中存在acyl-HSL類型的信號分子，并且檢測到該菌在亞鐵、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類型QS系統(tǒng)，一直無法確定AfeI/R系統(tǒng)真實產(chǎn)生的信號分子種類及其功能。2020年Gao等[17]通過敲除A.ferrooxidansATCC 23270中act基因和過表達afeI基因，構(gòu)建了只含afeI的突變株，通過研究確定了AfeI在單質(zhì)硫和亞鐵培養(yǎng)時產(chǎn)生的信號分子種類(表2)。Acyl-HSLs類型信號分子合成時，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?；鶄?cè)鏈來自脂肪酸代謝，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)鏈的碳鏈長度以及第三個碳原子上的取代基[47-49]。A.ferrooxidans在硫、鐵不同能源下代謝差異可能導(dǎo)致細胞產(chǎn)生不同種類的?；鶄?cè)鏈，進而影響AfeI催化合成的信號分子類型。因此，A.ferrooxidans等嗜酸性硫鐵氧化菌在不同能源下信號分子的合成過程及形成差異，也將是今后AfeI/R類型群體感應(yīng)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵工作，通過對信號分子合成過程的解析，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合成的多種信號分子中，一些關(guān)鍵的信號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]通過信號分子標準品的反添加實驗，證實3-OH-C14-HSL和C12-HSL是調(diào)控A.ferrooxidans生長代謝和群體密度的兩個關(guān)鍵信號分子。3-OH-C14-HSL可以在A.ferrooxidans單質(zhì)硫培養(yǎng)的前期，調(diào)控EPS合成和細胞生長代謝，但不影響培養(yǎng)體系最終細胞濃度；C12-HSL可以在A.ferrooxidans亞鐵培養(yǎng)時，抑制其代謝生長和最終群體密度。由于C12-HSL只在A.ferrooxidans單質(zhì)硫培養(yǎng)體系中檢測到，而未在亞鐵培養(yǎng)體系中檢測到(表2)，并且亞鐵培養(yǎng)時含量最低的3-OH-C16-HSL由于缺乏標準品，目前還沒有反添加實驗驗證，因此是否3-OH-C16-HSL或者還存在其它未鑒定的新型信號分子，在A.ferrooxidans亞鐵培養(yǎng)時發(fā)揮調(diào)控功能，該問題的研究和解決將是今后A.ferrooxidans亞鐵培養(yǎng)過程AfeI/R調(diào)控機制研究的關(guān)鍵問題之一。

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

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合成的信號分子種類、信號分子的調(diào)節(jié)效應(yīng)、AfeI/R的調(diào)控途徑及其群體效應(yīng)等[17]?；谶@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)能源底物種類產(chǎn)生不同類型的信號分子，特定功能的信號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，AfeI合成的3-OH-C14-HSL通過調(diào)控EPS合成影響細胞硫代謝與生長，但該調(diào)節(jié)效應(yīng)只發(fā)生在生長延遲期和指數(shù)期，不影響培養(yǎng)體系的最終群體密度。單質(zhì)硫培養(yǎng)時產(chǎn)生的另一種信號分子C12-HSL可能具有調(diào)控A.ferrooxidans亞鐵氧化系統(tǒng)的功能，因為AfeI過表達導(dǎo)致A.ferrooxidans亞鐵氧化系統(tǒng)的一些基因表達下調(diào)，并且C12-HSL對亞鐵培養(yǎng)的A.ferrooxidans具有抑制作用[17]。因此A.ferrooxidans在單質(zhì)硫培養(yǎng)時，AfeI/R可能通過3-OH-C14-HSL調(diào)控其硫代謝系統(tǒng)，通過C12-HSL調(diào)控其亞鐵代謝系統(tǒng)，實現(xiàn)對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可能通過調(diào)控細胞氫代謝和亞鐵代謝過程，控制細胞生長和群體密度，但亞鐵培養(yǎng)時發(fā)揮調(diào)控作用的關(guān)鍵信號分子仍需進一步解析確定。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，該類微生物的硫鐵能量代謝過程、EPS分泌及生物被膜形成過程是礦山環(huán)境硫鐵元素循環(huán)和礦物氧化過程中的重要驅(qū)動因素。群體感應(yīng)系統(tǒng)形成的從細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內(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)信號分子-基因表達調(diào)控-細胞代謝與行為-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)競爭優(yōu)勢的一個重要方式。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程的調(diào)控作用

目前的硫化礦生物浸出理論認為嗜酸性硫桿菌等化能自養(yǎng)菌通過分泌EPS吸附到礦石表面并聚集形成生物被膜，細胞與礦物之間的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混合信號分子，可以促進A.ferrooxidans在礦石表面形成生物被膜。2020年，Gao等發(fā)現(xiàn)afeI/R基因簇過表達菌對礦物的吸附作用、侵蝕能力以及細胞重金屬浸出能力顯著增強，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細胞分泌的信號分子通過積累達到一定閾值后，可以促進細胞分泌EPS，游離狀態(tài)的細胞吸附能力增強，在礦石表面加速聚集形成生物被膜，進而增強了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程[50]。AfeI/R調(diào)控微生物礦物浸出過程的發(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程中具有重要作用，為研究和開發(fā)微生物礦物浸出過程調(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，實現(xiàn)新認知，構(gòu)建新理論，開發(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)同演化過程，揭示了群體感應(yīng)系統(tǒng)在化能自養(yǎng)微生物中獨特的功能及其基礎(chǔ)性調(diào)控作用?；谇捌谘芯砍晒屠碚撃Ｐ停窈罂梢詮娜后w感應(yīng)系統(tǒng)的胞內(nèi)調(diào)節(jié)分子機制、種間調(diào)控作用、環(huán)境生態(tài)效應(yīng)以及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)等幾個方面開展系統(tǒng)研究：①嗜酸性硫桿菌群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控的詳細分子機制：以A.ferrooxidans為例，系統(tǒng)解析各種信號分子可能的調(diào)控作用，重點研究確定亞鐵培養(yǎng)時起調(diào)控作用的關(guān)鍵信號分子；揭示信號分子-調(diào)控蛋白-調(diào)控序列-調(diào)節(jié)基因與代謝途徑的信號感受與傳遞通路；通過解析信號分子結(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)；通過對不同種群群體感應(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)境而形成的獨特環(huán)境適應(yīng)調(diào)控機制，通過群體感應(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)境微生物競爭中占據(jù)生態(tài)優(yōu)勢，成為優(yōu)勢功能菌群，驅(qū)動環(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)合實驗?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)問題。④基于嗜酸自養(yǎng)微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的功能開發(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，強化浸礦菌群的礦物氧化與重金屬浸出過程；另外還可以針對浸礦菌群群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控特點優(yōu)化浸出體系組成，針對性開發(fā)礦物浸出過程調(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，針對嗜酸菌群體感應(yīng)系統(tǒng)可以開發(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)的信號傳遞以調(diào)控過程，阻止礦山環(huán)境嗜酸菌的形成種群優(yōu)勢，實現(xiàn)從源頭上控制礦石生物氧化與環(huán)境酸化過程，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)。