细菌在全球碘生物地球化学循环中的关键和多样化作用

地球化学 地球化学 地球科学 化学 环境化学 生命科学 微生物学
细菌 碘酸盐还原 碘化物氧化 碘化物积累 有机碘形成

碘（Iodine, I）是一种对人类健康和环境具有重要意义的微量元素。它是人体甲状腺激素（如甲状腺素T4和三碘甲状腺原氨酸T3）的主要成分，直接影响甲状腺功能。然而，全球约有19亿人受到碘缺乏症（Iodine Deficiency Disorder, IDD）的影响，症状包括甲状腺肿大（Goiter）和克汀病（Cretinism）。虽然通过食盐加碘和食品强化可以有效预防IDD，但过量摄入碘也会导致甲状腺功能亢进或减退。此外，放射性碘同位素（如131I和129I）对人类健康构成严重威胁，尤其是在核事故或核武器生产过程中释放的放射性碘，可能引发甲状腺癌等疾病。

在自然界中，碘主要以碘酸盐（Iodate, IO3-）、碘化物（Iodide, I-）和有机碘（Organic Iodine, Org-I）的形式存在。海洋是地球上碘的主要储存库，约70%的地表碘存在于海洋中。细菌在碘的生物地球化学循环中扮演着至关重要的角色，包括碘酸盐的还原、碘化物的氧化和积累以及有机碘的形成。然而，细菌在这些过程中的具体分子机制及其在全球碘循环中的生态重要性仍存在许多未知之处。因此，本文旨在综述细菌在碘生物地球化学循环中的关键作用，特别是近年来在细菌介导的碘转化分子机制方面的研究进展。

论文来源

本文由Zhou Jiang、Yongguang Jiang、Yidan Hu、Yiran Dong和Liang Shi共同撰写，他们来自中国地质大学（武汉）环境学院、生物地质与环境地质国家重点实验室、生态环境部水源污染溯源与控制重点实验室以及长江流域环境水科学湖北省重点实验室。论文于2024年8月30日发表在《Geo-Bio Interfaces》期刊上，题为“The Crucial and Versatile Roles of Bacteria in Global Biogeochemical Cycling of Iodine”。

论文主要内容

1. 细菌在碘酸盐还原中的作用

碘酸盐（IO3-）在环境中比碘化物（I-）更为稳定，细菌通过还原碘酸盐在环境中形成碘化物。这一过程主要通过两种途径实现：直接还原和间接还原。

直接还原：某些细菌（如Pseudomonas sp. SCT和Denitromonas sp. IR-12）通过其碘酸盐还原酶（如IdrABP1P2）在缺氧条件下将碘酸盐还原为碘化物。IdrAB属于二甲基亚砜（DMSO）还原酶超家族，需要钼作为辅因子，而IdrP1P2是c型细胞色素（c-Cyts）。在还原过程中，碘酸盐首先被还原为次碘酸（Hypoiodous Acid, HIO）和过氧化氢（H2O2），随后H2O2被还原为水，HIO则通过非生物歧化反应生成碘化物和碘酸盐。

间接还原：铁还原细菌（如Shewanella oneidensis MR-1）和硫酸盐还原细菌（如Desulfovibrio sp. B304）通过其还原产物Fe(II)和硫化物间接还原碘酸盐。Fe(II)和硫化物在非生物条件下将碘酸盐还原为碘化物。这一过程在富含铁和硫酸盐的环境中尤为重要，尤其是在地下水中。

2. 细菌在碘化物氧化中的作用

细菌在氧化条件下通过其多铜碘氧化酶（Multicopper Iodide Oxidase, IoxAC）将碘化物氧化为分子碘（I2）。此外，氨氧化细菌（如Nitrosomonas sp. NM51和Nitrosococcus oceani NC10）通过其氨氧化酶将碘化物氧化为碘酸盐。细菌产生的活性氧物种（如超氧化物和H2O2）也可以在非生物条件下将碘化物氧化为三碘化物（I3-）。

3. 细菌在碘化物积累中的作用

某些细菌（如Arenibacter sp. Strain C-21）通过其细胞外钒碘过氧化物酶（Vanadium Iodoperoxidase）将碘化物氧化为次碘酸（HIO），随后将HIO转运到细胞内积累。这一过程类似于人类甲状腺细胞对碘的积累，可能作为细菌对抗微生物病原体的防御机制。

4. 细菌在有机碘形成中的作用

细菌通过其甲基转移酶（Methyltransferase）将碘化物甲基化为有机碘（如CH3I）。此外，细菌在碘化物氧化过程中也会产生多种有机碘化合物。这些有机碘化合物在海洋和陆地环境中广泛存在，对全球碘循环具有重要影响。

论文的意义与价值

本文系统综述了细菌在碘生物地球化学循环中的关键作用，特别是近年来在细菌介导的碘转化分子机制方面的研究进展。通过揭示细菌在碘酸盐还原、碘化物氧化和积累以及有机碘形成中的具体机制，本文为理解全球碘循环提供了新的视角。此外，本文还指出了当前研究中的关键知识缺口，如碘酸盐还原细菌、铁还原细菌和硫酸盐还原细菌在碘循环中的生态重要性，以及碘化物氧化细菌是否能够通过化学自养生长获取能量等。未来的研究应进一步探讨这些问题，以完善对全球碘循环的理解，并为预测129I在污染场地中的生物地球化学命运和运输提供模型支持。

研究亮点

  1. 分子机制的揭示：本文详细阐述了细菌在碘酸盐还原、碘化物氧化和积累以及有机碘形成中的分子机制，特别是IdrABP1P2和DmsEFAB/MtrCAB在碘酸盐还原中的具体作用。
  2. 生态重要性的探讨：本文强调了细菌在全球碘循环中的生态重要性，特别是在海洋和地下水系统中的关键作用。
  3. 知识缺口的指出：本文指出了当前研究中的关键知识缺口，为未来的研究提供了方向。

结论

细菌在全球碘生物地球化学循环中扮演着至关重要的角色，通过碘酸盐还原、碘化物氧化和积累以及有机碘形成等多种途径影响碘的循环。本文综述了近年来在细菌介导的碘转化分子机制方面的研究进展，并指出了当前研究中的关键知识缺口。未来的研究应进一步探讨这些问题，以完善对全球碘循环的理解，并为预测129I在污染场地中的生物地球化学命运和运输提供模型支持。