극한물질에 의한 황화물과 메탄의 동시 산화

Nature Communications 14권, 기사 번호: 2974(2023) 이 기사 인용

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무산소 환경에서는 황산염 환원 및 유기물 분해를 통해 황화수소(H2S)와 메탄(CH4)이 생성됩니다. 두 가스 모두 호기성 메탄영양생물이 이 강력한 온실가스를 산화시켜 CH4 배출을 완화시키는 호기성 구역으로 위쪽으로 확산됩니다. 다양한 환경의 메탄영양생물이 독성 H2S를 접하지만, 이들이 어떻게 영향을 받는지는 사실상 알려져 있지 않습니다. 여기에서는 광범위한 케모스탯 배양을 통해 단일 미생물이 CH4와 H2S를 동시에 높은 속도로 산화할 수 있음을 보여줍니다. H2S를 원소 황으로 산화시킴으로써 열산성 메탄영양생물인 Methylacidiphilum fumariolicum SolV는 메탄영양성에 대한 H2S의 억제 효과를 완화합니다. Strain SolV는 황화물에 민감하지 않은 ba3형 말단 산화효소를 발현하여 증가하는 H2S에 적응하고 H2S를 유일한 에너지원으로 사용하여 화학석독영양생물로 성장합니다. 게놈 조사에 따르면 수많은 메탄영양생물에서 추정 황화물 산화 효소가 밝혀졌으며, 이는 H2S 산화가 이전에 가정했던 것보다 메탄영양생물에서 훨씬 더 널리 퍼져 탄소와 황 순환을 새로운 방식으로 연결할 수 있음을 시사합니다.

황화수소(H2S)는 황(S)의 가장 환원된 형태이며 강력한 에너지 및 황 공급원, 독성 물질 및 신호 분자입니다1,2,3. 세포막을 통해 쉽게 확산되며 시토크롬C 산화효소와 결합해 유산소 호흡 등 다양한 과정을 억제하는 약산이다. 또한, 구리 및 철 함유 효소를 사용하는 다른 대사 과정은 H2S1,4,5,6에 의해 심각하게 억제됩니다. 따라서 황화물이 풍부한 환경에 사는 미생물은 H2S를 해독하기 위한 적절한 메커니즘이 필요합니다7,8. 습지, 해양 퇴적물, 토양, 폐수 처리장, 호수, 논, 매립지, 산성 지열 환경 등 수많은 환경에서 황산염(SO42−) 환원, 유기물의 광물화, 열화학을 통해 H2S가 생성됩니다8, 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18.

황산염이 고갈되면 산소가 고갈된 생태계에서 유기물은 궁극적으로 메탄(CH4)으로 변환됩니다9,12,13,19,20,21. H2S와 CH4가 모두 겹쳐진 산소 영역으로 확산되면 CH4는 호기성 메탄 산화 박테리아에 의해 에너지원으로 활용될 수 있으며, 이는 이 강력한 온실가스 배출을 대부분 완화시키는 것으로 추정됩니다22. 이러한 효과적인 메탄 바이오필터에도 불구하고 매년 548~736 Tg의 CH4가 다양한 자연 및 인위적 배출원에서 대기로 배출됩니다23,24. 호기성 메탄영양생물은 편재하는 Alpha- 및 Gammaproteobacteria16,25,26, Actinobacteria27 및 Verrucomicrobia문의 호극성 Methylacidiphilaceae28,29,30,31을 포함하여 다양한 박테리아 클래스 및 과의 일부입니다. 후자는 낮은 최적 pH(2.0~3.5)를 공유하고 35~60°C 사이에서 사는 호산성 박테리아입니다26,31,32. 알려진 모든 사마귀미생물 메탄영양생물은 분기공 및 진흙탕과 같은 지열 서식지에서 분리되었으며, 이곳에서 대부분 열 발생 CH4 및 H2S가 다량으로 방출됩니다16,28,33,34,35. 지열 환경은 일반적으로 높은 H2S 배출이 특징이므로 이러한 생태계에서 분리된 사마귀미생물 메탄영양생물은 메탄영양생물이 H2S에 의해 어떻게 영향을 받는지 연구하는 탁월한 예입니다.

메탄영양생물은 대사적으로 다재다능하며 H2, 프로판, 에탄, 아세테이트, 아세톤, 2-프로판올 및 아세톨16,36,37,38과 같은 환경적으로 관련된 에너지원을 사용할 수 있다는 것이 점점 더 명확해지고 있습니다. 다양한 에너지원을 활용하는 능력은 가스 배출 변동이 심한 환경에서 매우 유용합니다. 최근, 사마귀미생물 메탄영양체 Methylacidiphilum fumariolicum SolV의 순수 배양물이 메탄티올(CH3SH)을 소비할 수 있으며 동시에 H2S의 하위 화학양론적 형성이 가능하다는 것이 입증되었으며, 이는 SolV 균주가 독성 H2S39를 부분적으로 대사했음을 나타냅니다. 이후, 한 연구에서는 프로테오박테리아 메탄영양생물도 H2S40을 산화시킬 수 있음을 입증했습니다. 저자들은 티오황산염(S2O32-), 테트라티오네이트(S4O62-), 원소 황(S0) 및 다양한 탄소 화합물에서 자랄 수 있는 다용도 알파프로테오박테리움 'Methylovirgula thiovorans' 균주 HY1을 한국의 이탄지에서 분리했습니다. 그러나 유일한 에너지원으로 CH4에서 성장한 균주 HY1 세포는 H2S를 산화할 수 없었고, H2S 산화는 티오황산염 존재 하에서 성장한 세포에서만 시작되고 관찰되었습니다. 또한 H2S의 성장은 연구되지 않았습니다. 최근 관찰을 고려할 때 환경적으로 관련된 가스인 CH4와 H2S를 동시에 산화할 수 있는 미생물이 존재하는지, 메탄영양체가 H2S에 어떻게 대처하는지, 그러한 메탄영양체가 H2S를 에너지원으로 사용하여 에너지를 보존하고 바이오매스를 생산할 수 있는지 조사하는 것이 중요합니다.

98%, Sigma-Aldrich) was acidified with 2 mL 0.5 M HCl in a 574 mL bottle creating a headspace concentration of 17.4 nmol · mL−1. Small volumes of the headspace were subsequently added to a 1162 mL bottle to create various H2S concentrations to be injected (0.1 mL) into the GC for calibration. The calibration curve ranged from ~1 nmol · L−1 to 1 μmol · L−1 H2S./p>4, the log2-fold change was higher than [0.58] and the adjusted p-value was ≤0.05. For easy comparisons between samples, TPM (Transcripts Per Kilobase Million) values were calculated./p>30%. Genomes containing a methane monooxygenase sequence were subsequently mined for putative SQR sequences by blasting a representative sequence of each of the SQR subtypes as defined by previous research44: type I, WP_010961392.1; type II, WP_011001489.1; type III, WP_009059890.1; type IV, WP_011372252.1; type V, WP_012502121.1; type VI, WP_011439951.1. Putative SQR sequences were aligned with those in the phylogenetic tree of44 using Muscle 3.8.155173 with default settings. A maximum-likelihood phylogenetic tree with 500 bootstrap replicates was constructed using RAxML 8.2.1074 using the rapid bootstrapping option and the LG amino acid substitution model75. The final tree was visualized using MEGA7 and the clade of flavocytochrome c sulfide dehydrogenase (FCSD) sequences was used as outgroup./p>

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