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微生物生态学中的一个核心挑战是理解竞争性功能群如何共存，以及群落结构为何会出人意料地偏离理论稳态。尽管多聚磷酸盐积累可在许多异养微生物中提供能量与氧化还原缓冲，但对于占据相同生态位且不合成多聚磷酸盐的竞争谱系而言，其如何应对等效的胞内氧化还原失衡这一问题，尚未被提出。利用一个强化生物除磷宏观生态系统，我们将定量化学计量学与宏蛋白质组学相结合，解析了支撑异养微生物细胞稳态的替代性代谢策略。我们表明，糖原积累菌（GAOs）通过一种平行的氧化还原缓冲机制，实现了与聚磷积累菌（PAOs）在基础代谢上的对等性：即通过乙基丙二酰辅酶A途径进行异养型 CO2/HCO3- 再同化。这种无机碳固定将结构性碳保留与严格的氧化还原调控相耦联，从而缓解胞内电子过剩，并消除了长期以来假定的 GAO 生物能劣势。GAO 的生物能效率还通过精细调控的代谢连接得到进一步强化，其特征包括节能型高亲和力乙酸活化、以铁氧还蛋白为中心的生物化学过程，以及能量中性的聚羟基脂肪酸酯（PHA）动员。值得注意的是，少量甲酸共投加打破了这种既有的 PAO/GAO 对等关系。化学计量模拟表明，这种甲酸补充创造了一个不对称的生物能生态位，使仅有 GAO 能够在每个循环中获得额外能量收益。在与水力通量解耦的条件下，固体停留时间控制保留了携带已积累胞内储量的细胞，从而将每循环细微的化学计量优势转化为跨越多代的棘轮效应，并推动群落由 PAO/GAO 共同占优迅速转变为 GAO 占优。通过揭示传统单一底物和单循环稳态模型的局限性，我们的研究结果表明，在具有生物量保留特征的微生物生态系统中，无机资源管理与代际代谢复利共同支配着群落组装。
微生物生态学中的一个核心挑战是理解竞争性功能群如何共存，以及为什么群落结构会出人意料地偏离理论稳态。尽管多聚磷酸盐积累在许多异养微生物中提供能量与氧化还原缓冲，但对于占据相同生态位且不合成多聚磷酸盐的竞争谱系而言，其如何应对等效的细胞内氧化还原失衡这一问题，尚未被提出。借助一个强化生物除磷宏观生态系统，我们将定量化学计量学与宏蛋白质组学相结合，解析了支撑异养微生物细胞稳态的替代性代谢策略。我们表明，糖原积累菌（GAOs）通过一种平行的氧化还原缓冲机制，实现了与聚磷菌（PAOs）在基础代谢层面的对等性：即通过乙基丙二酰辅酶A途径进行异养型 CO2/HCO3- 再同化。这种无机碳固定将结构性碳保守与严格的氧化还原调控相耦合，缓解细胞内电子过剩，并消除了长期以来被假定存在的 GAO 生物能学劣势。GAO 的生物能效率还通过精细调谐的代谢网络连接得到进一步强化，其特征包括高能效高亲和力乙酸活化、以铁氧还蛋白为中心的生物化学过程，以及能量中性的聚羟基脂肪酸酯（PHA）动员。值得注意的是，少量甲酸共投加打破了这种既有的 PAO/GAO 对等关系。化学计量学模拟表明，这种甲酸补充创造了一个非对称的生物能生态位，使只有 GAO 能够在每个循环中获得额外能量收益。在与水力通量解耦的条件下，污泥停留时间控制保留了携带已积累细胞内储备的细胞，从而将每循环中细微的化学计量优势转化为跨越多代的棘轮效应，并驱动群落由 PAO/GAO 共同占优迅速转变为 GAO 占优。通过揭示传统单一底物和单循环稳态模型的局限性，我们的研究结果表明，在保留生物量的微生物生态系统中，无机资源管理与代际代谢复利共同支配着群落组装。
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.26.747204v1?rss=1
🏷️ 微生物生态学 暗CO2固定 乙基丙二酰辅酶A途径 化学计量学 强化生物除磷 群落组装