微生物硫代谢的多样性及生态

Diversity and ecology of microbial sulfur metabolism

Article,

Nat Rev Microbiol [IF 69.2]

DOI：10.1038/s41579-024-01104-3

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41579-024-01104-3

第一作者：Zhichao Zhou （周之超）、Patricia Q. Tran 

通讯作者：Karthik Anantharaman

主要单位：

Institute for Advanced Study, Shenzhen University.

深圳大学高等研究院

Synthetic Biology Research Center, Shenzhen University.

深圳大学合成生物学研究中心

Department of Bacteriology, University of Wisconsin – Madison

威斯康星大学麦迪逊分校细菌学系

硫在大气圈、岩石圈、土壤圈、水圈和生物圈之间的相互作用中扮演着关键角色，并对生物体功能有着重要影响。在地壳、地幔和大气中，硫因自然和人为因素发生地球化学转化。在生物圈中，硫参与氨基酸、蛋白质、辅酶和维生素的形成。生物圈中的微生物通过氧化、还原和歧化反应，在硫化合物的循环中起着至关重要的作用，促进生物吸收和能量生成。微生物的硫代谢广泛存在于有氧和无氧环境中，并与碳、氮和铁等重要元素的生物地球化学循环过程紧密相连。通过代谢、竞争或合作，参与硫代谢的微生物可以驱动有机碳的消耗、氮的损失以及气候活性气体的产生。考虑到硫代谢在环境变化中日益增加的重要性以及微生物在硫循环动态中的复杂作用，对硫循环的及时评估是非常必要的。本综述探讨了我们对微生物硫代谢的理解，主要关注于无机硫的转化过程。我们全面概述了在快速变化的地球生态系统中硫循环情况，重点强调了不同环境、生态系统和微生物群落中微生物介导的硫转化反应的重要性。

Sulfur plays a pivotal role in interactions within the atmosphere, lithosphere, pedosphere, hydrosphere and biosphere, and the functioning of living organisms. In the Earth’s crust, mantle, and atmosphere, sulfur undergoes geochemical transformations due to natural and anthropogenic factors. In the biosphere, sulfur participates in the formation of amino acids, proteins, coenzymes and vitamins. Microorganisms in the biosphere are crucial for cycling sulfur compounds through oxidation, reduction and disproportionation reactions, facilitating their bioassimilation and energy generation. Microbial sulfur metabolism is abundant in both aerobic and anaerobic environments and is interconnected with biogeochemical cycles of important elements such as carbon, nitrogen and iron. Through metabolism, competition or cooperation, microorganisms metabolizing sulfur can drive the consumption of organic carbon, loss of fixed nitrogen and production of climate-active gases. Given the increasing significance of sulfur metabolism in environmental alteration and the intricate involvement of microorganisms in sulfur dynamics, a timely re-evaluation of the sulfur cycle is imperative. This Review explores our understanding of microbial sulfur metabolism, primarily focusing on the transformations of inorganic sulfur. We comprehensively overview the sulfur cycle in the face of rapidly changing ecosystems on Earth, highlighting the importance of microbially-mediated sulfur transformation reactions across different environments, ecosystems and microbiomes.

硫是地球上第五丰富的元素，存在于从海洋、陆地、土壤、淡水到人体的各种环境中。历史上，火山等地质活动是硫的主要来源，但近年来，添加硫肥、将硫酸盐释放到水生生态系统中以及因燃烧化石燃料导致硫氧化物（SOx）释放到大气中造成的酸雨等人为活动对硫循环产生了显著影响。硫循环持续影响气候变化并对环境保护产生重要作用。同时，硫循环还通过硫的利用和农业活动为人类生产带来经济效益。鉴于硫化合物在生物和非生物转化过程中的广泛存在，深入理解它们在整体硫循环中的重要性，以及它们与其他元素循环之间的相互作用，具有至关重要的意义。

硫可以以有机和无机形式存在，并且具有多种氧化态，从高度还原的硫化氢到高度氧化的硫酸盐。无机硫的形式包括各种硫化物，如元素硫、硫代硫酸盐、连四硫酸盐、亚硫酸盐和硫酸盐。有机硫的形式则包括含硫氨基酸，如半胱氨酸和甲硫氨酸，以及其他重要的生物化合物，包括氨基酸衍生物，如牛磺酸、硫醚，如二甲基硫（DMS）、二甲巯基丙酸（DMSP）和磺酸盐，如甲磺酸盐。通过代谢，微生物转化并循环环境中的化合物。硫循环微生物对环境中的能量流动做出了重要贡献，并使高等生物（如动物和植物）能够获得必需的硫化合物（包括有机硫化合物）。此外，病毒可以感染这些微生物，控制它们的种群，并通过操控其微生物宿主提供辅助代谢功能，从而影响硫化合物的转化。这些微生物和病毒之间的相互作用和过程在确保各营养级生物获得关键硫化合物方面发挥着重要作用。

硫循环在持续的气候变化中发挥着重要作用，并塑造了大气圈、岩石圈、土壤圈、水圈和生物圈之间的相互作用。硫代谢微生物在这些过程中是关键参与者，推动了硫化合物在不同环境中的转化，从而显著促进全球生物地球化学循环。尽管关于硫代谢及其生物化学的研究历史悠久，但我们对硫代谢微生物生态学的理解仍存在显著差距，特别是在近年来大规模微生物基因组学研究的兴起推动了相关领域进展的大背景下。

鉴于全面评估生物地球化学循环对地球生态系统当前和未来影响的迫切性不断增加，我们在此提供一篇及时的综述，以推动对硫循环的深入理解，特别聚焦于微生物硫代谢，探索微生物多样性及其在不同微生物群落和生态系统中的功能作用。首先，我们提供了微生物硫循环的生物化学视角，包括无机硫的氧化、还原和歧化过程。其次，我们通过分析所有公开可获得的基因组，对硫循环微生物的生态学理解进行背景化探讨，并总结了微生物硫转化的多样性。第三，考虑到硫循环的生物体和反应横跨多个生态系统，我们提供了该循环在不同生态系统中发生及其影响的实例。最后，我们总结了硫循环微生物活动与气候变化之间的相互关系，强调了硫循环在全球气候变化事件中的重要作用。总体而言，我们旨在提供对微生物介导的硫循环各个组成部分的全面和平衡的理解。

全球硫循环涉及该元素以多种形式在地球上不同生态系统和环境中的动态活动（图1）。硫的最大储量存在于岩石圈中，约为12±6×10^9 Tg（主要以地壳中的矿物形式存在），以及水圈中，约为1.3±0.1×10^9 Tg（主要以海洋中的硫酸盐形式存在）。与其丰富的存在形式相一致，硫转化是关键的生物过程之一，因为硫被纳入生物体内，参与氨基酸、维生素、辅助因子、激素及其他维持生物功能的化合物的形成。硫在农业活动中也很重要，可以作为植物生长的肥料。此外，硫循环在维持生态系统平衡和支持各种重要生物过程中发挥着至关重要的作用。

聚焦全球硫预算的来源，无机硫化合物主要源于三大过程：生物过程、非生物过程以及人为活动。生物过程，尤其在无机硫的形成中发挥着关键作用。在海洋中，藻类和浮游植物产生的次级代谢物DMSP，是释放到大气中最丰富的生物硫化合物DMS的重要来源。DMS随后被氧化为无机硫化合物，如二氧化硫（SO₂）和硫酸盐（SO₄²⁻）。此外，土壤中的微生物分解和废物处理过程也有助于无机硫的供应，硫化物矿物可以通过微生物浸出生成溶解的金属和硫化合物。非生物过程对硫循环的贡献也相当显著。火山活动将二氧化硫和硫化氢（H₂S）释放到大气中。地热活动是大气中硫化氢的自然来源。此外，埋藏于沉积物中的硫化物矿物的氧化风化作用能够再生硫酸盐并将其释放到陆地水圈中。人为活动是硫预算的另一个重要因素。含硫的化石燃料燃烧会生成二氧化硫。工业活动，如石化加工、制革和焦炭生产，会产生大量的硫化氢。

硫在陆地、大气和水体环境之间广泛循环。硫酸盐通过湿沉降或干沉降转移到陆地土壤、淡水和海洋中。随着时间的推移，无机硫通过径流运输到海洋。在土壤中，硫酸盐可以被植物吸收并转化为有机硫。在陆地水圈中，硫的流动性因其形式而异。水相中的溶解硫酸盐运动迅速，而以有机硫形式结合在生物体中的硫和与颗粒结合的硫酸盐流动性较差。沉积物中的微生物介导过程使有机硫与无机硫之间能够通过矿化和固定化进行互换。主要通过微生物介导的硫酸盐还原产生的硫化物可以作为硫化物矿物沉积在沉积物中。有机硫和硫化物矿物的沉积是陆地环境中两大主要的硫汇。

非生物过程和生物过程的动态相互作用增加了硫循环的复杂性（图1）。在接下来的部分中，我们将重点研究硫转化的生物化学基础、与硫相关的微生物群落的微生物多样性，以及揭示微生物在推动硫循环的各种环境中的生态角色。

图1:全球硫循环。涵盖陆地、大气和水域环境中硫转化过程及其相互作用。硫的来源可以包括生物过程（蓝色箭头），如生物体的分解、植物的吸收和微生物硫代谢，如硫化物氧化、硫酸盐还原和海洋中二甲基硫（DMS）的生成。藻类产生的DMS是大气中硫的主要来源，被氧化为甲磺酸（MsOH）和二氧化硫（SO₂），后者可进一步氧化为硫酸盐（SO4²⁻）。甲烷、磺酸（MsOH）和硫酸盐是与气溶胶形成相关的重要硫物种，这些气溶胶在大气中促进云的形成。另一方面，硫的非生物来源（红色箭头）包括火山活动、地热活动场的排放物和地质隆起导致的硫化物矿物风化。人为来源包括化石燃料燃烧和各种工业过程。硫汇包括拥有最大硫酸盐库的海洋环境，以及土壤和淡水等陆地环境，其中包含硫酸盐库和有机硫与硫化物（S²⁻）沉积到陆地沉积物中，并通过同化进入蛋白质和基本生物组分融入生物圈。硫酸盐和二氧化硫的大气沉积是将硫返回海洋和陆地环境的一个主要过程，包括通过酸雨等降水进行的湿沉积和以颗粒形式在陆地和海洋环境中沉积的干沉积。每年的二氧化硫排放预算为：火山活动6.6 Tg/年，化石燃料燃烧11.9 Tg/年，冶炼活动2.4 Tg/年。DMS排放预算总额为28.1 Tg S/年，硫化氢排放预算总额为7.7 Tg /年，大气沉积硫预算总额为80 Tg /年。

微生物介导的硫循环包括氧化、还原和歧化反应（表1和图2）。在硫循环的框架内，氧化是指含硫底物氧化态的提升（例如硫化物（氧化态为−2）转化为硫酸盐（氧化态为+6）），而还原则是指其氧化态的降低。歧化反应的特点是底物同时经历氧化和还原反应，导致一种产物的氧化态更高，而另一种产物的氧化态更低。硫循环微生物通常依赖微生物群落内的其他成员进行连续的多步骤硫转化。不同微生物成员介导的相互关联的硫代谢途径促进了硫化合物的协同转化，以便于底物和能量的利用。在本节中，我们将深入探讨与硫相关的代谢反应和化学性质，并描述进行这些反应的常见微生物类群。

氧化反应

硫化物氧化。硫化物（S²⁻）氧化为元素硫（S⁰）可以通过两种不同的代谢途径进行。首先，硫化物：醌氧化还原酶（Sqr）使用电子转移中间物醌将硫化氢转化为多硫化物（(Sulfide)n），其后，多硫化物会自发转化为硫，并在一些细菌（如模式紫色硫细菌Allochromatium vinosum）中以硫小球的形式储存。其次，黄素细胞色素c硫化物脱氢酶（Fcc）能够利用细胞色素c氧化硫化氢。微生物硫化物氧化在有氧和厌氧环境中都很常见，并且可以与多种电子受体耦合，包括氧、硝酸盐、铁和锰。例如，硫化物氧化是推动来自不同细菌谱系（包括光合细菌Chlorobiota、Firmicutes、Acidobacteriota、Chloroflexota、Proteobacteria和Gemmatimonadota）进行无氧光合作用的重要反应。

表1: 所有与硫代谢有关的反应、基因和吉布斯自由能 （前半部分）

表1: 所有与硫代谢有关的反应、基因和吉布斯自由能 （后半部分）

元素硫氧化。在酸硫杆菌（Acidithiobacillus spp.）中，有氧硫氧化的初始步骤涉及谷胱甘肽与硫的自发结合，形成S-硫氨基谷胱甘肽（S-sulfanylglutathione）。随后，S-硫氨基谷胱甘肽二氧化酶（Sdo）将其氧化为S-亚硫酸谷胱甘肽（S-sulfinatoglutathione），然后转化为亚硫酸盐（SO₃²⁻）。此外，一些其他的硫氧化微生物，例如伽玛变形菌（Gammaproteobacteria）中的Thioglobus spp.（来自SUP05类群），使用逆向异养型亚硫酸盐还原酶（rDsr，氧化型）将硫氧化为亚硫酸盐。在该途径中，储存在硫小球内的零价硫（以硫链形式存在）可以自发还原为过硫化物，然后进入细胞质。接着，这些过硫化物通过DsrEFH复合体转移至DsrC。跨膜的DsrMKJOP复合体促进了该分子的氧化，产生DsrC-三硫化物复合体。最后，DsrABL复合体催化其氧化为亚硫酸盐。这一反应方向与经典的异养型亚硫酸盐还原相反。与此同时，许多细菌和古菌谱系中存在广泛分布的硫氧化异二硫化物还原酶样（sHdr）系统，由hdrC1B1A-hyp-hdrC2B2基因簇编码，具有与rDsr类似的元素硫氧化途径，但使用TusA-过硫化物作为中间硫底物载体。在这一过程中，结合脂肪酸的蛋白质（LbpA）将释放的电子转移至氧化的脂肪酰胺，生成代谢产物，这些产物在NAD⁺还原后用于下一个循环。

亚硫酸盐氧化。亚硫酸盐（S₂O₃²⁻）是一种无机硫阴离子，既可以被氧化，也可以被还原（因为两个硫原子处于不同的氧化态，分别为硫烷硫（−1）和亚砜硫（+5）），并且倾向于与金属形成键。亚硫酸盐的氧化反应有四种类型，即类型I、II、III和IV。类型I和类型II生成四硫酸盐（S₄O₆²⁻），而类型III和IV则采用硫氧化（Sox）途径，分别生成硫酸盐（SO₄²⁻）和元素硫及硫酸盐。类型III亚硫酸盐氧化中使用的典型Sox多酶复合体由SoxXABYZ(CD)₂亚基组成。SoxXA是一个异二聚体细胞色素c，SoxYZ是硫载体，Sox(CD)₂是硫脱氢酶，而SoxB作为硫酸酯酶，从半胱氨酸S-硫代磺酸中释放硫酸。Sox途径在不同细菌属的微生物中编码，例如Aquifex、Paracoccus和Rhodovulum属，这些属属于Aquificota和Proteobacteria细菌群体。当所有组件SoxXABYZ(CD)₂都存在时，类型III Sox途径促进亚硫酸盐的氧化为硫酸盐。但在缺乏SoxCD的情况下，亚硫酸盐通过类型IV Sox途径被氧化为硫酸盐和元素硫。当SoxCD存在时，亚硫酸盐分子内的亚砜硫（与氧结合的硫原子）和硫烷硫（不与氧结合的硫原子）都被氧化形成硫酸盐；相反，在缺乏SoxCD的情况下，硫烷部分被转移，生成硫小球，这些硫小球随后被沉积在周质空间（例如，在Beggiatoa属和Chromatiaceae科中）或细胞外（例如，在Chlorobiaceae和Ectothiorhodospiraceae科中）。

亚硫酸盐氧化。亚硫酸盐是硫化物氧化的最终形式硫酸盐的前体。对原核生物而言，氧化亚硫酸盐生成硫酸盐有三种主要途径。第一种途径是通过亚硫酸盐脱氢酶（Sor），以细胞色素为电子受体，直接氧化亚硫酸盐，催化过程中产生的电子可以传递给氧化形式的细胞色素c以生成质子。第二种途径是由APS还原酶（Apr）将亚硫酸盐氧化为5’-腺苷磷酸硫酸盐（APS），然后APS可以通过腺苷磷酸硫酸盐：磷酸腺苷转移酶（Apt）或硫酸腺苷转移酶（Sat）转化为硫酸盐。第三种途径是通过亚硫酸盐脱氢酶（Soe），以醌为电子受体，直接氧化亚硫酸盐，与甲萘醌作用生成硫酸盐和甲萘醇。与这三条主要途径相关的微生物类群示例列于补充表1中。

还原反应

同化硫酸盐还原。硫还原过程涉及将氧化形式的硫还原。重要的反应，如硫酸盐还原，可以是同化的或异化的。同化硫酸盐还原包括将硫酸盐还原为有机硫化合物，用于生物合成，如氨基酸、蛋白质和其他细胞成分。同化硫酸盐还原的四种途径总结于附表1中。通常，同化硫酸盐还原途径通过Sat将硫酸盐活化为APS，然后由腺苷磷酸硫酸盐（APS）激酶将APS磷酸化为3’-磷酸腺苷硫酸（PAPS）。接下来，PAPS由硫氧还蛋白（或谷胱甘肽氧还蛋白）依赖的PAPS还原酶还原为亚硫酸盐。最后，亚硫酸盐通过同化亚硫酸盐还原酶还原为硫化物，生成的硫化物可被同化到生物合成途径中。

异化硫酸盐和亚硫酸盐还原。具有将硫酸盐完全还原为硫化物能力的微生物被称为硫酸盐还原微生物（SRM）。在这一过程中，硫酸盐首先在Sat的作用下被还原为APS（硫酸腺苷磷酸盐），这个过程需要ATP并释放焦磷酸。随后，APS还原酶（Apr）将APS转化为亚硫酸盐。通过DsrAB的介导，亚硫酸盐被还原为DsrC-三硫化物，同时消耗NADH。接着，DsrMKJOP系统利用来自醌池的电子还原DsrC-三硫化物，并释放硫化物。DsrD作为DsrAB的活化因子，促进其还原活性。在异化硫酸盐还原过程中，硫酸盐被用作终末电子受体（而非通常的氧气），而生物体必须将产生的硫化氢排出细胞，因为硫化氢对细胞有毒性。一小部分微生物没有能力将硫酸盐还原为亚硫酸盐，但可以将亚硫酸盐还原为硫化物，被称为亚硫酸盐还原微生物。这些代谢途径存在于多种不同的微生物中，包括生活在高温、中温和低温环境中的古菌（如来自盐杆菌门、热变形菌门、热浆菌门和水热古菌门的物种）以及来自27个不同细菌门的细菌（详见附表1）。

硫的还原。虽然许多硫酸盐还原或亚硫酸盐还原微生物可以进行硫还原（硫还原是氧化和还原途径中的一个“步骤”），但真正的硫还原微生物却很少，即那些不能使用硫酸盐或亚硫酸盐，而是需要以单质硫为起点的微生物。单质硫可以通过硫还原酶（Sre）或NAD(P)H硫氧化还原酶（Nsr）直接还原为硫化氢。或者，单质硫可以先自发转化为多硫化物，然后再还原为硫化氢。氢气在这两种途径中都充当终末电子供体。Sre酶在众多细菌和古菌中广泛分布，而Nsr则仅在一些古菌嗜热菌中分布，例如火球菌属。此外，一些微生物物种采用特定的酶来编码多硫化物途径，如火球菌中的Sre（HydBC）、Wolinella succinogenes中的多硫化物还原酶（PsrABC）以及火球菌中的硫化物脱氢酶（ShyCB）。

图2:含硫化合物的转化。不同硫化合物的转化反应包括氧化（红色）、还原（蓝色）和歧化（黄色）。左侧展示了硫的主要氧化态（+6、+5、+4、+2、0、−1、−2）。从最低到最高氧化态，主要的氧化过程包括硫化物（S²⁻）的氧化（反应1、2和3）、单质硫（S⁰）的氧化（反应4、5、6和7）、硫代硫酸盐（S2O3²⁻）的氧化（反应8、9、10和11）以及亚硫酸盐（SO3²⁻）的氧化（反应12、13和14）。相反，主要的还原过程包括异化性硫酸盐（SO4²⁻）和亚硫酸盐（SO3²⁻）的还原（反应15）以及单质硫（S⁰）的还原（反应16、17和18）。此外，中间氧化态涉及歧化过程，包括单质硫的歧化（反应19和20）和硫代硫酸盐的歧化（反应21、22、23和24）。其他硫化合物是重要的中间产物：多硫化物（(Sulfide)n），参与硫化氢到单质硫的氧化；四硫酸盐（S4O6²⁻），是两条硫代硫酸盐氧化途径的产物；腺苷磷酸硫酸盐（APS），是硫酸盐还原和硫氧化的中间产物；以及参与单质硫氧化的S-亚磺酰谷胱甘肽和S-硫酰基谷胱甘肽。亚硫酸盐是硫代谢中的关键中间体，参与氧化、还原和歧化途径。反应编号及相关细节，以及负责每个反应的基因如表1和补充表1所示。

歧化反应

单质硫的歧化反应可生成亚硫酸盐和硫化氢（可在厌氧和需氧条件下进行）。在这个过程中，单质硫既作为电子供体又作为电子受体，同时氧气充当额外的电子受体。该反应不涉及额外的电子供体、受体或辅助因子。反应的产物是亚硫酸盐和硫化氢，同时硫代硫酸盐也可以通过亚硫酸盐与单质硫的非酶促反应形成。负责此反应的酶是可溶性的细胞质硫氧化还原酶（Sor），常见于来自古菌热浆菌门和热变形菌门的嗜热生物，以及细菌Aquificota的物种中。

硫代硫酸盐的歧化反应生成亚硫酸盐和硫化氢（硫醇）。在此途径中，一个硫醇依赖的硫代硫酸-硫醇硫转移酶（RDL2）促进硫烷硫原子的转移到硫醇化合物上，形成亚硫酸盐和多硫化物。当存在过量的硫醇时，多硫化物可以自发释放出游离的硫化氢作为最终产物。这个途径在多种细菌属中常见，包括嗜酸性细菌如嗜酸硫杆菌和硫杆菌属的物种，以及非嗜酸性细菌如不动杆菌属，还有真菌如酿酒酵母属。

硫代硫酸盐的歧化反应生成亚硫酸盐和硫化氢（细胞色素）。在该途径中，硫代硫酸盐转化为亚硫酸盐和硫化物的过程由硫代硫酸还原酶和氢化酶促进，并消耗氢气。这个过程的一个关键成分是细胞色素c3，它作为氢化酶和硫代硫酸还原酶之间的电子传递体。该途径常见于来自变形菌门的多个细菌属中，包括Desulfocapsa、Desulfotomaculum和Desulfovibrio物种。

硫代硫酸盐的歧化反应生成亚硫酸盐和硫化氢（醌）。该途径由膜结合的醌依赖性硫代硫酸还原酶（Phs）促进，其作为一种含钼蝶呤的氧化还原酶发挥作用。这是一个依赖能量的过程，可以由NADH和/或其他发酵产物提供能量支持。该途径在多种肠杆菌科属中常见，这些菌属是人类和动物肠道微生物群中的常见共生和致病成员，包括沙门氏菌属、普鲁威菌属、柠檬酸杆菌属、布德维氏菌属和爱德华菌属的细菌物种。

图3 ：生命之树中的硫代谢。细菌生命之树附注了与异化硫代谢相关的关键功能。细菌生命之树被分类至门的层级，其中变形菌门除外，被分类到纲的层级。圆圈表示与硫代谢相关的微生物功能（例如，硫化物、硫和硫代硫酸盐的氧化，硫和硫化物的还原，以及硫代硫酸盐的歧化）。方形表示可以发现硫代谢微生物的不同环境（例如，与宿主相关的生态位、海洋、淡水和陆地生态系统、深部地下、热液喷口、植物根际等）。实心圆表示某特定功能的存在，空心圆表示某特定功能的缺失（即该纲或门中的任何物种代表是否具有该特定功能）。实心方形表示该纲或门在环境类别中被识别（即该环境类别中是否存在来自该纲或门的物种代表）。Bootstrap（UFBoot）支持值（≥80%）在树内用小黑点标注。每个纲或门中随机选择一个代表基因组用于构建系统发育树。每个纲或门名称后的数字表示该纲或门的物种代表数量。系统发育树重建的更多细节见补充信息。

硫代硫酸盐歧化为亚硫酸盐和硫氰酸盐（硫转移酶）。亚硫酸盐和氰化物可以通过硫转移酶（硫代硫酸盐硫转移酶）歧化为亚硫酸盐和硫氰酸盐。该酶在原核生物和真核生物中均被发现，并广泛分布于生物界，从异养细菌如大肠杆菌、自养硫氧化变形菌到哺乳动物中均有存在。有研究表明，硫转移酶在哺乳动物和细菌中参与氰化物的解毒作用。

有机硫转化

对于有机硫转化的全面理解在以往的研究中已有讨论，而本综述重点关注与无机硫密切相关的特定反应。值得注意的是，同化性硫酸盐还原在将硫化物整合到半胱氨酸或同型半胱氨酸的生物合成过程中起到关键作用，有助于形成细胞的基本成分。随后，同型半胱氨酸或半胱氨酸可以转化为甲硫氨酸，作为细胞生物体中含硫蛋白质氨基酸的主要来源。有机硫化合物如牛磺酸、烷基磺酸盐或异硫酸盐，以及甲磺酸盐可以经过催化，生成亚硫酸盐。同样，其他有机硫化合物，包括3-巯基丙酮酸和半胱氨酸，可以通过同型半胱氨酸或半胱氨酸催化生成硫化物。这些过程中产生的无机硫化合物如硫化物，可以进入同化性或异化形的硫代谢，完成硫转化循环。硫化物作为有机硫转化的重要产物，在人类和环境系统中发挥着重要作用。例如，硫化物具有基因毒性，并对肠上皮具有促炎作用，同时通过有氧条件下的有机硫降解，促进“隐性硫循环”。有机硫转化可以与无机硫代谢反应相互作用，我们将在以下部分描述这些例子，说明不同生态系统中的硫循环。

非同性硫代谢谱系在生命树中广泛分布

包括古菌、细菌、真核生物和病毒在内的各种微生物都参与了硫循环。在此，我们识别了硫循环微生物群落中最丰富和最重要的微生物及其代谢反应。重点关注与氧化、还原和歧化反应相关的六个关键功能：硫化物氧化、单质硫氧化、亚硫酸盐氧化、硫还原、亚硫酸盐还原和亚硫酸盐歧化（图3和补充图1）。我们查阅了基因组分类数据库（GTDB）的物种代表信息，总结了这些功能在所有原核微生物门和纲中的分布。功能分布的判断基于微生物基因组中编码基因的存在情况：fccB和sqr用于硫化物氧化，dsr（氧化性）、sdo和sor用于硫氧化，soxXYZA用于亚硫酸盐氧化，sreABC和sor用于硫还原，dsr（还原性）和asrABC用于亚硫酸盐还原，以及phsA用于亚硫酸盐歧化。在127个细菌门和47个古菌纲中，分别有102个和26个被发现包含至少一种关键功能，这表明硫代谢谱系非常常见（图3和补充图1）。需要注意的是，这两棵树仅展示了一部分常见且广泛分布的异化硫代谢功能（补充表1）。硫酸盐还原（至亚硫酸盐）和亚硫酸盐氧化反应未显示，因为它们并不独属于异化代谢，且广泛分布于所有生命领域。

病毒无法独立进行代谢反应，但作为专性细胞内寄生物，依赖宿主提供能量和代谢前体以进行增殖。病毒编码的辅助代谢基因（AMGs）能够通过维持、驱动或简化宿主细胞代谢途径中的关键步骤，为病毒的增殖提供适应性优势。研究发现，AMGs在多种环境中，如海洋、淡水湖泊和陆地土壤中，对碳、氮和硫等关键元素的生物地球化学循环作出了重要贡献，从而塑造了其生态系统的生物地球化学景观。病毒通过编码参与异化和同化硫代谢的基因，能够影响宿主的硫代谢（见框1和补充表2）。

硫代谢谱系的环境分布

为了研究硫代谢原核微生物的分布，我们将其分类为12个环境类别，涵盖自然环境、工程环境和人类系统。多个细菌谱系，如放线菌门（Actinobacteriota）、拟杆菌门（Bacteroidota）、厚壁菌门（Firmicutes）、α-变形菌（Alphaproteobacteria）和γ-变形菌（Gammaproteobacteria），在所有环境类别中表现出广泛分布。总体而言，古菌的分布不如细菌广泛。在古菌类别中，热膜菌门（Thermoplasmata）的分布最为广泛，覆盖12个环境类别中的八个。基于GTDB物种代表的微生物基因组集合，我们结合多种注释方法，如DiSCo（用于Dsr依赖的异化硫代谢），HMSS2（用于全面的无机硫和有机硫代谢），以及METABOLIC（用于普通代谢，包含手动整理的硫相关蛋白隐马尔科夫模型）来表征与硫转化相关的功能谱。随着来自多种环境的公共数据库中基因组数量的迅速增加，未来的研究将会更全面地描绘微生物硫代谢的分类多样性及其在自然界中的分布。

Box 1 | 病毒与硫代谢

病毒编码多种硫的辅助代谢基因（AMGs），这些基因促进了异化性硫代谢，以增强病毒的适应性。目前，涉及硫和硫代硫酸盐氧化的AMGs已在海洋、淡水、人体宿主相关环境和人工生态系统中被发现。病毒增强的元素硫和硫代硫酸盐氧化过程中通过放能反应产生额外电子，这些电子可供电子传递链用于ATP的生成。从而提高病毒适应性并促进病毒颗粒传播。

病毒AMGs还编码与有机硫转化和同化硫代谢相关的五类基因。这些基因促进有机硫化合物降解为亚硫酸盐或硫化物，调控不同形式的有机硫化合物，并加速硫的固定。携带有机硫AMGs的病毒感染所有三域生物，通过与宿主的相互作用并向环境或人类系统（如胃肠道）释放硫化物和微生物裂解物，广泛影响环境硫循环和人类健康。病毒辅助代谢产生的硫化物间接或直接对病毒适应性、宿主生理、周围微生物群和环境产生重要影响。例如，病毒可以刺激宿主生长，帮助维持平衡的氧化还原状态，清除自由基，并促进蛋白质和氨基酸的生物合成。同化的硫还可用于构建病毒结构蛋白，以进行病毒体的生产。此外，核酸的硫醇修饰可在应激反应中发挥作用，并调控病毒和宿主的基因表达；酶的硫醇成分对于病毒的双链DNA重组、整合及双链DNA修复等功能至关重要。最后，伴随致病细菌的病毒驱动硫化物过度产生所引起的失衡，可能加速胃肠道炎症，并进一步发展为严重疾病，如结直肠癌。异化和同化硫AMGs的详细信息汇总于表中，每个基因缩写的全名列于补充表2。

与硫循环相关的非生物和生物反应发生在多样的环境中，包括大气、土壤、水体系统和人体。这些环境为参与硫循环的各种微生物提供了栖息地。在以下章节中，我们描述六个代表性的生态系统。海洋缺氧区（OMZs）对硫化合物的快速循环和低硫化氢浓度的维持至关重要，从而导致隐秘的硫循环。海洋热液喷口是硫代谢化能合成群落的重要栖息地，这些群落通过硫化氢和元素硫的氧化主导初级生产。大气在全球硫循环中发挥着重要作用，其中海洋细菌约占全球每年二甲基硫醚（DMS）产量的10%。土壤和肠道是对无机和有机硫收支平衡具有重要影响的关键生态系统，分别影响可持续的土壤生态系统与植物生长以及人类健康。接下来的部分将详细阐述环境因素和化学物质对微生物群落组成及其相互作用的影响，从而最终塑造整体的硫循环过程。

海洋缺氧区（OMZs）

OMZs是位于全球海洋中间深度（约100至1000米）的地球化学区，以低氧水平为特征（低于20μmol/kg）。在OMZs内，微生物通过将硫酸盐还原为硫化物和将硫化物氧化为硫酸盐，快速循环硫化合物，但硫化物浓度保持在微摩尔以下水平。因此，使用传统的生物地球化学测量很难观察硫的转化。硫酸盐还原和硫化物氧化的紧密联系（例如在海洋颗粒聚集体中）促进了这种同时耦合的活动，从而维持低硫化物浓度，形成所谓的隐性硫循环。

OMZs中的硫代谢与自养和异养微生物的碳和氮循环密切相关。异养微生物通过电子受体来矿化有机物，从OMZ的上部开始使用氧气，随后转向硝酸盐或亚硝酸盐，最后在OMZ核心使用硫酸盐或亚硫酸盐。OMZs中的硫酸盐还原菌主要是脱硫杆菌门（Desulfobacterota）的硫酸盐还原微生物（SRMs），它们分布在OMZ区域的水柱和沉积物中。Desulfobacterota的亚硫酸盐和硫还原功能如图3所示。以γ-变形菌“SUP05”谱系为主的化能合成微生物群体，通过将硫化物氧化与硝酸盐或亚硝酸盐的异化还原耦合，在快速清除硫化氢中发挥了关键作用。（图4）

热泉和热液喷口

热液喷口分布在全球的中洋脊上，形成了三种不同的生态环境：主要由嗜热和中温微生物群落主导的热液喷口烟囱、由嗜冷微生物群落主导的热液喷口羽流，以及与热液相关动物（如管虫、蛤蜊、贻贝和蜗牛）共生的微生物群落。热液喷口烟囱具有陡峭的地球化学梯度，由富含还原性底物的热液流体与冰冷的氧化海水混合形成。这种流体混合形成的羽流可在海底上升数百米，并扩散至数千公里。全球大多数热液微生物群落的初级生产主要依赖硫化氢和元素硫作为能源来源。

热液喷口烟囱中的硫代谢主要以γ-变形菌和曲菌纲（即ε-变形菌）成员主导，但这两种细菌谱系的分布受硫化物和硫浓度的影响，曲菌纲在较高浓度时占优，而γ-变形菌在较低浓度时占优。近期发现的热液喷口羽流核心微生物群落包含至少14个以硫代谢微生物为主的微生物属，这些微生物来自多个谱系，包括Actinobacteriota、Campylobacterota、Chloroflexota、Planctomycetota、Alphaproteobacteria、 Gammaproteobacteria和SAR324等。同样，陆地热泉生态系统富含硫酸盐、硫化物和甲烷，具有不同氧气水平的特征微环境。温泉中的生物能够进行多种硫代谢反应，包括需氧硫化物氧化、厌氧硫酸盐或亚硫酸盐还原、耦合的厌氧甲烷代谢与异化硫代谢反应，以及依赖无氧光合作用的硫氧化。由于光的存在，这种硫氧化反应是温泉系统所特有的。陆地热泉中的微生物硫代谢在全球硫循环中发挥了关键作用，并对理解古地质时代中硫和碳代谢反应的演化具有重要意义。

淡水湖泊

淡水湖泊的特征主要取决于位置（温带与热带）和分层（完全混合与部分混合），这些因素与硫代谢和生物地球化学过程密切相关。在全循环湖泊中（例如位于美国威斯康星州的门多塔湖），湖水的分层会随着季节变化而混合，使表层和底层的水温差异促进季节性水体翻转。相对而言，在部分混合的湖泊（如非洲的坦噶尼喀湖），底层多年或数十年不发生翻转，通常处于低氧环境。

氧气、温度和光照的梯度一般控制微生物的分布和生物地球化学过程。绿色和紫色硫细菌能够在光照充足但缺氧的区域生存，它们氧化硫化物或元素硫，利用光能进行自养代谢反应，并倾向于聚集在透光层（接受阳光的最上层水域）中氧浓度随深度迅速变化的氧跃层。在缺氧的底层和沉积物中，硫酸盐还原过程非常活跃，驱动了有机物的转化。

根据对涵盖城市化、农业及中间条件等多种景观和营养状态的308个湖泊收集的数据，微生物介导的硫代谢反应表现出一些共性。在大多数地表水中，γ-变形菌是一个显著的群体，与硫代硫酸盐的氧化有关。异化硫酸盐或亚硫酸盐的还原依赖于较低的氧含量，在含氧量较高的地表水中不太常见。所有湖泊的硫酸盐含量通常低于海洋（1–50 毫克/升，而海洋约为2,700 毫克/升）。类似于缺氧区，淡水中也存在“隐匿硫循环”，但其硫化物来源不同，可能来自硫酸盐还原或在有氧条件下的有机硫降解。湖泊中的硫化物氧化通常由铁离子还原、光合作用供能或反硝化驱动。

大气

大气中的微生物细胞密度远低于地表生物群落，通常以每立方米细胞数而非克或毫升来测量。近地表空气中的细菌密度一般估计在每立方米 10^4 到 10^5 个细胞之间，而云中的最高浓度范围为每毫升 10^3 到 10^6 个细胞。硫从海洋向大气输送的主要来源是二甲基硫（DMS）。海洋浮游植物和藻类产生二甲基巯基丙酸盐（DMSP），其通过酶解反应分解成DMS。随后，DMS在大气中被氧化，生成多种含硫化合物。这些化合物作为气溶胶，充当云凝结核，促进云的形成，进而影响全球气候。据估计，每年大约10%的全球进入大气中的DMS产量（约300太克）是由细菌贡献的。由于微生物附着在初级气溶胶（如灰尘、DMS和海洋喷雾）上，微生物驱动的硫转化也可以在大气中发生。这些生物气溶胶有助于云滴的形成，云滴中含有水，为微生物活动提供遮阳并保护其免受紫外线直接照射。事实上，最近的宏基因组研究表明，存在于生物气溶胶中的微生物能够介导硫转化，包括硫酸盐的形成。此外，羰基硫和二硫化碳是重要的硫气体，与DMS相比，尽管它们仅占含硫大气气体源和汇的全球预算的一小部分，但对大气中的硫酸气溶胶层也有一定贡献，且其来源既有自然的也有工业的。作为硫汇，微生物可以在大气中消耗环境浓度下的微量羰基硫。通过大气沉降，含有微生物驱动的硫化合物的气溶胶在全球硫的输送中也起到了重要作用。

土壤

陆地土壤中含有有机和无机形式的硫。无机硫受到降水、吸附、氧化和还原的影响；其中氧化和还原过程主要由微生物介导。相比之下，有机硫则受到固化和矿化的控制。在土壤中，约5%的硫是以无机硫的形式存在。还原态硫物质（即硫化物、元素硫和硫代硫酸盐）的微生物氧化可由自养和异养微生物共同完成。例如，硫杆菌（Thiobacillus spp.）利用单质硫、硫代硫酸盐或多硫酸盐作为能量来源并固定二氧化碳。铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa PAO1）在有机碳源的存在下，能够在有氧条件下消耗多种硫化合物（如硫化氢、硫化物和重硫化物）。

有机硫占土壤硫含量的95%，主要分为两类：酯硫酸酯（C–O–S）和碳键硫（C–S）。尤其是酯硫酸酯，占有机硫库的30%至70%。酯硫酸酯的生物化学矿化过程通过微生物介导的硫酸酯酶水解完成。硫酸酯酶释放硫酸盐的过程受到土壤微生物环境中硫供应的调控。同时，碳结合硫的生物矿化也是由微生物介导，用作碳源和能量需求，硫酸盐作为副产品被释放。在土壤中，依赖硫酸酯酶的矿化过程较快，因此在短期硫循环中更为重要。虽然微生物控制着土壤有机硫化合物的代谢和组成，这些过程决定了植物生长所需的硫供应，因为植物依赖有机硫矿化释放的硫酸盐。总体而言，土壤微生物群在维持无机硫和有机硫收支平衡中发挥着重要作用，这对健康和可持续的土壤生态系统至关重要。

图4:微生物与硫循环相关的相互作用在不同生态系统中的表现

a. 微生物在海洋硫循环中扮演关键角色。硫酸盐（SO₄²⁻）还原与硫化物（S²⁻）氧化过程之间的密切相互作用导致了硫化物的快速周转。这使得硫维持在难以测量的极低浓度，从而在海洋氧跃层中导致“隐匿硫循环”。硫酸盐还原微生物（SRM）通过还原硫酸盐将有机物质再矿化为氨，随后生成的氨与亚硝酸盐耦合进行厌氧氨氧化（anammox）。海洋缺氧区（OMZ）从大陆架区域获得显著的硫化物和硫输入。感染硫氧化和硫酸盐还原微生物的病毒（包括感染丰富的硫氧化Thioglobus属的SUP05类病毒）携带辅助代谢基因，促进整体硫转化过程。

b. 硫主导的能量景观决定了热液喷口和温泉生态系统中微生物组的结构和功能。关键的微生物介导过程包括硫化物氧化、元素硫（S0）氧化、亚硫酸盐（SO₃²⁻）氧化和硫代硫酸盐（S₂O₃²⁻）氧化与歧化反应。病毒携带的辅助代谢基因能够增强其宿主的硫氧化和硫代硫酸盐氧化（用细箭头表示）。底部的黄色箭头表示由热岩浆加热后的海水产生的热液流。

c. 在淡水湖泊中，光照、温度和氧气的可用性造成物理和微生物分层，影响微生物的分布和生物地球化学过程。透光层是指支持光合作用的阳光照射水层。氧跃层是指氧浓度迅速变化的水层。温跃层是指在上层温暖水体和下层冷水体之间形成明显温度梯度的水层。“隐匿硫循环”由硫酸盐或有机硫化合物还原形成硫化氢（H₂S），并被迅速回收。绿硫细菌和紫硫细菌在缺氧的透光层中氧化H₂S，并利用光能进行自养代谢；而SRM则在较低层和沉积物中还原硫酸盐。

d. 在大气中，二甲基硫（DMS）是由微生物驱动的二甲基硫代丙酸（DMSP）转化产生的，促进与其他化合物（如甲基磺酸（MsOH）、二氧化硫（SO₂）、硫酸（H₂SO₄）和二甲基亚硫酸（DMSO））共同形成气溶胶，从而导致云的形成。二硫化碳（CS₂）是由自然和人为来源产生的有毒硫化合物，会被氧化为氧硫化碳（COS），进一步氧化为硫酸盐。这些云为微生物活动提供栖息地，并通过酸雨促进硫化合物的全球运输。

e. 在土壤中，微生物驱动的反应促进无机和有机硫化合物的氧化或还原，以及固定或矿化过程。土壤中的硫的主要来源包括植物和动物的输入、化肥等人类活动来源，以及大气的干湿沉降和矿物风化。土壤矿物可能含有硫化物，可以挥发为硫化氢，而硫酸盐则可能渗透至河流和湖泊，并在土壤颗粒上沉淀或吸附。土壤中的关键微生物介导反应包括还原性硫化物、元素硫和硫代硫酸盐等还原态硫化物的氧化和硫酸盐等氧化态硫化物的还原（红色箭头），以及有机硫形态（如酯硫酸盐和碳键硫）的矿化（蓝色箭头）。

f. 在人的肠道中，微生物介导的代谢反应涉及无机和有机硫，以及由病毒驱动的有机硫的辅助代谢，均会导致硫化氢的生成。无机代谢反应主要涉及硫酸盐和亚硫酸盐还原为硫化氢，有机代谢反应则涉及半胱氨酸、甲硫氨酸和牛磺酸的降解和转化为硫化氢。在微摩尔浓度下，硫化氢具有保护作用，有助于维持健康的肠道。然而，当浓度达到毫摩尔水平时，它可能具有基因毒性和促炎作用，可能成为结直肠癌发展的风险因素。

Box 2 | 微生物介导的硫与其他生物地球化学循环的相互作用

生物地球化学的硫循环与氮循环和铁循环紧密相连。在海洋缺氧区（OMZs）中，隐匿的硫循环涉及反硝化依赖性的硫化物氧化，以快速去除硫化物。这种硫化物氧化与硝酸盐还原的耦合现象也在其他氧化还原分层的海洋系统的硫化物-硝酸盐界面中被观察到。如Thioglobus perditus等硫化物和硫氧化微生物能够完成硫化物氧化与硝酸盐还原的完全反硝化作用。此外，由硫酸盐还原矿化有机物释放的铵离子有助于海洋缺氧区的厌氧氨氧化（anammox）。虽然在自然界中不常见，但在工业过程中，硫酸盐还原与厌氧条件下的铵氧化耦合，称为“硫铵氧化”（sulfammox），可以作为硝酸盐依赖的厌氧氨氧化的替代方案。两种细菌， Bacillus benzoevorans和Anammoxoglobus sulfate能够执行硫铵氧化过程。

若干微生物能同时代谢硫和铁。Shewanella oneidensis在多种环境条件下具有还原三价铁和硫的酶系统。许多紫硫细菌（伽玛变形菌纲）和绿硫细菌（绿硫菌门）是光养铁氧化菌，能够同时氧化亚铁离子和硫化物。硫还原菌Desulfuromonas acetoxidans也能在有机化合物氧化的同时进行铁离子还原。其他一些微生物能够转化硫和锰化合物。Sulfurimonas marisnigri能够通过氧化硫化氢和硫代硫酸盐将二氧化锰还原为锰（II）离子。包括Methylococcales、Pseudomonadales和Marinimicrobia在内的三类细菌在其基因组中显示出氧化硫和锰的潜力，能够利用热液来源的还原底物进行能量转化。

硫与磷循环之间的反馈对于揭示生态系统动态和理解营养物质的转化至关重要。低氧条件下，磷从沉积物中释放到水柱中，促进初级生产，并进一步加剧缺氧状态。大量表层输出的有机物质可以在大陆架沉积物中显著推动硫酸盐还原作用，并伴随有机物矿化，释放磷到水柱中。巨型硫氧化细菌（如Thioploca和Thiomargarita）能够储存并循环聚磷酸盐，释放磷以促进初级生产，并维持海洋缺氧区的硫化（Sulfide）环境。

多项证据表明，化能自养微生物驱动甲烷、氮和铁的转化符合热力学预测，包括厌氧氨氧化（anammox）和硝酸盐-亚硝酸盐依赖的厌氧甲烷氧化（n-DAMO）。这表明，能够进行热力学上可行过程的微生物通常有严格的生长要求，有时被认为由于其复杂性而“不可行”。与氮、铁和锰等其他无机化合物相比，硫化物具有较低的氧化还原电位，使得其被硝酸盐、二氧化锰、锰酸盐、三价铁离子和氢氧化铁等电子受体氧化的热力学优势更大。在厌氧条件下，微生物可以利用这些放能反应。图中显示了微生物介导的潜在厌氧代谢反应的预测，一些负责这些反应的细菌已经被报道，而其他细菌尚待进一步研究。

人类肠道

在人类和动物健康中，关于含硫化合物的研究主要集中在硫化氢上。在人体内，这种分子既可以具有保护性和抗炎作用，也可以具有促炎作用，参与多种疾病过程。对于人类肠道硫微生物组的研究探索了异化硫酸盐还原、有机硫代谢和同化硫代谢，所有这些过程主要由细菌介导。然而，最新的证据表明，病毒也可能影响人类肠道中的有机硫代谢。

理解硫化氢在人类肠道中的作用对于认识细菌产生的硫化氢对疾病发展的潜在影响以及制定缓解其影响的策略至关重要。在低浓度（微摩尔浓度）下，硫化氢可以促进血管舒张并防止细胞死亡。然而，在肠道中，硫化氢通常以较高浓度（毫摩尔浓度）存在，导致细胞应激和基因毒性。产生硫化氢的细菌与增加结直肠癌的风险有关，因为它们在肠道上皮中引发炎症。此外，细菌产生的硫化氢还与炎症性肠病相关。关于细菌产生的硫化氢与发病机制的研究主要集中在由异化亚硫酸盐还原酶介导的硫酸盐还原上；然而，最近的研究揭示了有机硫代谢与结直肠癌的潜在联系。人类肠道中的细菌硫循环比之前认为的更加多样化且广泛存在，有机硫代谢反应（如半胱氨酸、甲硫氨酸和牛磺酸的转化）在硫化氢的生成中发挥了更重要的作用。

地球上的硫循环在影响气候变化和被气候变化影响方面都起着关键作用。硫循环与气候变化之间的相互作用主要由自然生态系统中的生化转化驱动，而人类活动对硫循环的影响也在改变全球气候中发挥着重要作用。地球气候系统对海洋释放的二甲基硫（DMS）非常敏感。微生物产生的DMS进入大气后，导致气溶胶形成和云凝结核产生的变化，从而影响到到达海洋表面的太阳辐射。由于DMS引起的辐射减少带来的降温效应，其幅度与人为二氧化碳排放导致的增温效应相当。因此，微生物产生的DMS在改变全球温度方面具有重要作用。反过来，未来的气候变化，如全球平均温度的升高和二氧化碳浓度的增加，也将对海洋中的DMS产量产生反馈影响。根据现有知识，作为DMS的前体，只有一小部分（约10%）的浮游植物DMSP通过微生物介导的过程转化为DMS，从而释放到大气中。其他过程，包括微生物同化（例如，去甲基化途径）和光解，构成了DMSP的总体预算。研究推测，即使微生物介导的DMSP循环平衡出现微小变化，也会导致DMS产量的显著变化，进而影响其排放到大气中的量。海洋变暖影响浮游植物的生长速率，并改变其功能性状组成。同时，温度调节海洋异养生物的代谢速率。在全球变暖的背景下，与硫酸盐同化和DMSP生产相关的自养活性与DMS生产的异养活性之间的微妙平衡，预计将深刻影响海洋DMS预算以及海洋与大气之间的硫循环相互作用。

随着全球气温的升高，微生物硫循环预计将在全球水生生态系统（如海洋缺氧区（OMZs）和淡水湖泊）中发挥重要作用。更高的温度将导致海洋中的OMZs快速扩大体积，淡水湖泊变得更加分层并呈现缺氧状态。海洋OMZs和淡水湖泊中的硫循环对全球气候有多方面的影响，包括影响初级生产、氮损失和温室气体排放。更高的温度会导致缺氧现象加剧，从而增强硫化事件期间由于硫酸盐还原菌和硫化物氧化菌活动引起的底栖磷释放。磷作为水生系统中的限制性营养物质，可以被释放出来并刺激光合作用带中的初级生产。缺氧增加还会增强与硫化物或硫氧化相关的反硝化作用。常见的不完全反硝化作用会生成温室气体氧化亚氮（N₂O）以及其他产物，如氨和亚硝酸盐，而这些产物可以推动厌氧氨氧化过程，导致氮的生成。总的来说，反硝化作用显著增加了海洋和湖泊中的氮损失。

自然和人为因素都可以影响全球硫循环。自然因素包括海洋表面温度、表面风、洋流和水柱混合，它们对DMS海水浓度及海洋-大气硫通量起着关键作用。相比之下，人为因素包括化石燃料的使用，这显著增加了大气中的硫沉降，导致酸雨的生成，带来严重的环境和健康危害；农业中含硫肥料和杀虫剂的使用也对土壤和水质以及人类健康产生了负面影响。

在北美，自20世纪70年代以来，硫循环的负面影响发生了转变，从大气排放转向农业中硫的添加。鉴于气候变化的持续、作物生产的加强以及硫添加的变化，重新评估微生物硫循环的环境影响及其受到的影响变得尤为重要。

微生物硫代谢在能量转化中扮演着基础性角色，并促进了硫在地球上不同生态系统和环境中以多种形式的动态迁移。自生命演化以来，微生物硫代谢一直是地球能量代谢的基石。尽管我们在揭示微生物在硫循环中的作用上取得了长足进展，但仍有许多未解之谜。硫转化过程由于自然界中相互关联的氧化还原反应快速发生，常常难以追踪，导致“隐秘性”硫循环现象的出现。尽管研究微生物硫代谢存在挑战，但诸如组学技术、稳定同位素标记、生态生理学、建模和显微技术等多种方法的应用，正在帮助我们克服这些困难。这些方法使得我们能够原位或在模型系统中研究硫通量、反应速率和微生物能量学。

硫循环发生在多种环境中，在不同条件下，反应类型和速率受可用电子供体和受体的分布以及环境因素的显著影响。硫在其无机形态中存在多种氧化态，但由于技术检测的难度，许多氧化态（包括多硫酸盐）, 至今很少被研究。探索介导无机硫化合物转化的新途径可以为全球硫循环提供新的见解。此外，进一步研究硫转化与其他元素循环的耦合，可以发现新的生物地球化学途径，并揭示其被忽视的生态功能和活动。研究这些模式可以帮助我们理解、预测和调控不同环境背景下硫反应的方向和结果，包括自然环境和人工生物系统。

我们越来越认识到，微生物硫代谢在自然和人工环境中起着关键作用。然而，未来的研究应更多关注其在生物医学中的影响。研究微生物硫代谢在肠道菌群失调及相关疾病（如炎症性肠病、克罗恩病和结直肠癌）发展中的作用，将有助于阐明疾病发生的机制，并为治疗和预防提供新的途径。总之，未来的研究必须继续探索微生物硫代谢在各个科学领域中的多方面作用，从生物地球化学到医学。这些研究将对环境可持续性和生物地球化学产生深远影响，增强我们对人类健康的理解，并为构建一个更健康的星球提供必要的知识和工具。

参考文献

Zhou Z, Tran PQ, Cowley ES, Trembath-Reichert E, Anantharaman K. Diversity and ecology of microbial sulfur metabolism. Nat Rev Microbiol. 2024 Oct 17.