深入认识微生物代谢途径和生长温度对脂类生物标志物氢同位素分馏的影响

近日，深部生命国际研究中心地质微生物学团队在生物地球科学领域经典期刊《Biogeosciences》上发表题为“Impact of metabolism and temperature on ²H/¹H fractionation in lipids of the marine bacterium Shewanella piezotolerans WP3”的研究论文。陈新博士后为本文第一作者，王风平教授为通讯作者。

脂类生物标志物（例如，脂肪酸）单体氢同位素（δ²H_lipids）被广泛应用于生物地球化学循环、古生态和古水文循环变化等研究。但是，自然环境中δ²H_lipids变化异常复杂，例如δ²H_lipids受到生物利用的水同位素组成的影响，且与微生物代谢类型有关。准确解析自然环境脂类生物标志物同位素信号指代的地球化学和生态环境信息需要深入理解重要环境微生物功能群的代谢类型和环境因子（如生长温度）与氢同位素分馏之间的关系。

图1. WP3在不同有机底物中的代谢途径

本研究中，研究者对海洋沉积物中广泛分布的异养铁还原细菌Shewanella piezotolerans WP3在不同单一有机底物（N-乙酰氨基葡萄糖，葡萄糖，丙酮酸钠，乙酸钠，L-丙氨酸和L-谷氨酸）和不同温度（4-25℃）条件下脂肪酸单体氢同位素组成开展了分析。进而结合代谢模型，揭示了WP3氢同位素分馏过程与代谢途径之间的关系（图1）。研究结果表明，脂肪酸与水之间的氢同位素分馏值（ε_lipids/water）与微生物核心代谢途径密切相关，其中糖类作为底物分馏值最小，三羧酸循环底物和前体物质分馏值最高，这与不同代谢途径酶催化产生还原型辅酶Ⅱ（NADPH）的动力学同位素效应有关（图2）。研究还发现生长温度对WP3脂肪酸氢同位素组成也有一定的影响，最适生长温度条件下（15-20℃）氢同位素分馏值小于非最适温度，不同温度条件下酶催化活性是影响氢同位素分馏的主要因素。

图2. 脂肪酸碳和氢同位素分馏值。碳同位素数据引自Chen et al.（2022）

本研究成功结合脂类氢同位素组成分析与微生物代谢模型深入认识代谢途径和生长温度对脂类生物标志物氢同位素分馏的影响，结合此前的工作基础（Chen et al.，2022），为我们未来利用生标单体碳和氢同位素揭示现代和历史时期地球有机碳的生物地球化学循环过程提供了依据。

该研究得到深部生命国际研究中心（IC-DLI）和极地生态与气候变化教育部重点实验室的支持，并获得国家自然科学青年基金，国家重点研发计划，上海市启明星计划扬帆专项，上海市“超级博士后”，中国博士后科学基金，上海市极地前沿科学研究基地和上海交通大学基础研究特区计划等项目的资助。

原文链接

https://bg.copernicus.org/articles/20/1491/2023/