吃痕量氢气的菌，承载生态大任【自然】
发布时间：2023-10-23本文来源： 氢思语
大气中氢气含量极其稀少，只有0.5ppm（体积比），相对来说，空气中二氧化碳的含量是400ppm。但是这含量非常少的两种成分，和地球生物化学循环都有非常密切关系，二氧化碳的重要性不必要多讲。氢气在地球生化中的重要性少有人了解。其实地球大气中的氢气，是许多土壤细菌能量的重要来源。我们知道，土壤和空气中的还原底物相对比较稀少，且不能满足所有细菌的需要。空气中氢气含量虽然非常少，但有一个非常好的特点是随处都有，伸手可及。对于适应环境能力极强的细菌来说，空气中氢气就是非常好的食物。但是氢气浓度毕竟太低，如何能有效利用这种浓度稀少的来自空气的食物。
来自空气中氢气养活着大量土壤中细菌，而这些细菌主要是需氧细菌。这是一个非常重要的全球过程，不仅是调节大气组成重要因素，也是增强土壤生物多样性，推动极端环境下初级生物化学过程形成初级有机物生成的重要因素。
细菌对大气中痕量细菌的氧化是[NiFe]氢化酶超家族中的非典型成员。这些酶如何克服在环境水平氧化皮摩尔水平氢气的非凡催化挑战，以及衍生电子如何转移到呼吸链，这些问题都不清楚。也就是我们知道许多细菌通过氢化酶消耗氢气产生能量，但我们不清楚细菌如何能利用这么低浓度的氢气，如何把氢气中的电子转移到电子传递链。这里想到丰富氢气环境下甲烷菌的能力，甲烷菌也是利用氢气作为电子载体，从产氢气的细菌获取。其实也能从其他细菌直接获得电子。
本文测定了耻垢分枝杆菌氢化酶Huc的低温电镜结构，并研究了其机理。Huc是一种高效的氧不敏感酶，这种氢化酶Huc能将大气中氢气的氧化，与呼吸电子载体甲萘醌的加氢反应结合起来。氢化酶Huc使用狭窄的疏水气体通道以氧气为代价选择性地结合大气中的氢气，3 [3Fe-4S]团簇调节酶的性质，从而使大气中氢气氧化在能量代谢上是可行的。
催化亚基在膜相关茎周围形成一个八聚体833 kDa复合物，从膜上运输和还原甲萘醌94 A。这些发现为大气中氢气氧化的生物地球化学和生态重要过程提供了机制基础，揭示了一种依赖于长期醌运输的能量耦合模式，并为环境空气中氧化氢气的催化剂的发展铺平了道路。
氢思语：这些靠消耗空气中氢气艰难续命的细菌们，可能是地球生物稳态的极其重要的一环。细菌不是动物，不能自由移动，如何获得能量维持生存繁衍是一个很大的问题。如果都需要相对苛刻的生存条件，细菌不可能保持其丰富的种类多样性。而这种多样性是其稳态和生命力的基础。如果细菌稳态和多样性丢失，不仅意味着高等生物包括人类的健康危机，也意味着地球生态的巨大危机。我们需要对这些消耗痕量细菌维持生存维持地球生物环境的元祖们表达敬意，也对充满大爱的给地球生命提供原始能量动力的氢气表达由衷地感谢。没有这些细菌，没有空气中的氢气，地球许多生物都将无法延续。
Grinter R, Kropp A, Venugopal H, Senger M, Badley J, Cabotaje PR, Jia R, Duan Z, Huang P, Stripp ST, Barlow CK, Belousoff M, Shafaat HS, Cook GM, Schittenhelm RB, Vincent KA, Khalid S, Berggren G, Greening C. Structural basis for bacterial energy extraction from atmospheric hydrogen. Nature. 2023 Mar 8. doi: 10.1038/s41586-023-05781-7. Epub ahead of print. PMID: 36890228.
大气氢的土壤氧化是塑造大气氧化还原状态的关键生物地球化学过程。直到最近，这还被认为是一个非生物过程，但现在人们认识到，来自至少九个门的不同需氧细菌氧化大气中的氢气合计占75%总氢气消耗量，每年从大气中移除约60 Tg（T是10的12次方，万亿克=10亿公斤 ）。大气氢气氧化为细菌在营养有限的土壤环境中提供补充能量来源，使它们能够混合营养生长或长时间以休眠但可行的状态单独在空气中持续存在。例如，分枝杆菌细胞和链霉菌孢子通过在大气氢气的有氧呼吸链中转移电子还原氧气而在饥饿中存活下来。氧化大气氢气的能力广泛存在于来自不同环境的细菌中，一些生态系统-如超干旱的极地土壤 - 似乎主要由大气氢气能源驱动。
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