近日，山东大学微生物技术国家重点实验室王禄山教授课题组在好氧发酵过程中引入结构组学分析微生物群落的环境适应机制方面取得新进展。相关研究成果以“multi-omics study of sulfur metabolism affecting functional microbial community succession during aerobic solid-state fermentation”为题，在bioresource technology期刊上发表。微生物技术国家重点实验室博士研究生张宏为第一作者，王禄山教授为论文唯一通讯作者，微生物技术国家重点实验室为第一作者单位和通讯作者单位。
硫在自然界中含量丰富，在地球上广泛存在，以火山附近土壤中存在的硫磺为主，生物有机体中的有机硫含量也较高。了解生物质生物转化过程中的元素转化对实现资源高效循环利用以及减少环境污染至关重要。堆肥是一个由微生物驱动的降解有机物的自然生物过程，该过程由特定的水解酶（如参与降解（半）纤维素的木质纤维素酶，有机氮矿化的蛋白酶以及产生硫酸盐的芳基硫酸酯酶等）催化。硫粉作为添加剂被广泛用在堆肥中用于调节ph值和固定氨氮。硫被单独使用时很难被植物吸收，并且会抑制微生物活性。硫的添加增加了堆肥中的硫含量，改善堆肥产品使用的有效性，但其对堆肥的微生物组及功能酶的影响研究有限。胞外酶的分泌可以反映环境中微生物的碳氮源代谢情况。而环境因素如温度、ph、盐离子的改变会通过影响酶的构象稳定性来影响酶活性。许多研究表明带相反电荷的氨基酸形成的盐桥对蛋白质的热稳定性、ph及离子耐受性至关重要。结构生物学遵循蛋白质的序列决定了其结构，而结构又决定其功能。随着高通量dna测序和蛋白质三级结构的深度学习网络的突破，可以基于序列信息准确预测酶的3d结构，从而深入了解酶的功能和功能障碍以及改善酶的功能。通过预测蛋白质表面性质分析酶的功能，即与温度、ph、盐离子的关系，可以快速预测不同微生物的环境偏好。
本研究基于整合基因组学、蛋白质组学、结构组学和代谢组学，分析了在玉米秸秆和牛粪共堆肥过程中含硫化合物对微生物群落及其功能酶的潜在影响机制。我们发现，添加硫磺粉会诱导具有sox系统的硫氧化微生物将s0氧化成s2o32-，再进一步氧化成so42-，这使得环境ph值在第7天降至7.5。ph的降低导致优势微生物planifilum失去竞争优势，而novibacillus成为优势微生物。功能蛋白质组学分析表明，planifilum分泌的s8、m17和m32家族在ph值低于7.5时容易失活。结构组学分析表明，novibacillus分泌的s8、m6、m14和m19等胞外蛋白酶表面具有更多的带负电的氨基酸残基，能够在低ph下维持结构稳定。该研究在好氧发酵中引入了新的分析方法——结构蛋白质组学，结构组学的引入可以构建酶分子结构的分子表面的定量分析，从而与其功能及其适应环境变化建立起关联性，揭示微生物群落演替的分子机理。
该研究得到了山东省农业重大应用技术创新项目(no.sd2019zz018)和山东省重点研发计划(重大科技创新工程) (no.2021cxgc010803)的资助。
微生物技术国家重点实验室王禄山教授课题组长期致力于高温好氧固态发酵过程中的微生物群落与功能的研究，两年来取得了系列成果。基于整合组学技术阐明了抗生素菌渣固态发酵中的关键功能微生物及菌渣中抗生素和耐药基因的快速去除机制，为有机固体废弃物无害化资源化绿色化处理工艺的构建提供了全新策略（journal of hazardous materials 2021，doi：10.1016/j.jhazmat.2021.126822；bioresource technology 2022，doi：10.1016/j.biortech.2022.127010）；在鸡粪堆肥过程中分离到一株高产蛋白酶的菌株bacillussp. cn2，并基于整合功能降解组学技术揭示了bacillussp. cn2中高效的蛋白质降解系统及介导角蛋白高效降解机制（applied microbiology and biotechnology 2021，doi：10.1007/s00253-020-11083-z；biotechnology for biofuels and bioproducts2022，doi：10.1186/s13068-023-02308-0）；在牛粪-玉米秸秆堆肥过程中加入蘑菇渣加速了堆肥进程，并定位到发酵过程中的功能微生物planifilum fulgidum（sustainability 2021，doi：10.3390/su131810002）等；期望为有机固体废弃物的高效降解转化及工艺的构建提供理论基础。本次发表的研究成果，是该团队在结构组学研究方面的又一进展。
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