硫酸鹽異化還原作用與其分化模型

不同的外在條件會影響細胞內部的質量流，藉由硫酸鹽異化還原作用的概念 模型，能夠幫助我們了解外在因素如何影響硫酸還原菌細胞內部質量流與最終產 生的同位素分化大小之間的關係。早期認為硫酸鹽異化還原作用僅包含兩個步驟，

分別為硫酸鹽進入細胞內與硫酸鹽還原成硫化物，兩步驟可產生的分化程度差異 很大，因此藉由兩步驟反應速率的差異可產生不同程度的分化 (Thode et al., 1951)。

Harrison and Thode (1958) 提出硫酸鹽異化還原作用可分為三步驟，每個步 驟的同位素分化程度不同，其中步驟一和步驟二為可逆反應。步驟一為硫酸鹽進 入細胞的過程，可以經由擴散作用或是由細胞主動吸收，皆會造成些微的同位素 分化。當硫酸鹽經由擴散作用進入細胞體內，較輕的硫同位素 (³²S) 擴散速度較 快，造成細胞內部的硫酸鹽會富集較輕的硫同位素，產生硫同位素分化。另一方 面，當硫酸鹽不斷進入細胞內部會使得細胞內部電荷轉為負值，造成硫酸鹽無法 再自由通過細胞，因此細胞會開始主動吸收陽離子 (例如：鈉離子)，同時會產 生複合體 (complex)，複合體形成時偏向使用較重的硫同位素 (³⁴S) 產生硫同位 素的分化。硫酸鹽以不同方式進入細胞會造成細胞內部硫酸鹽硫同位素數值變大 或變小，但不論硫酸鹽以何種方式進入細胞，其所造成硫同位素分化較其他步驟 小。步驟二為細胞內部硫酸鹽還原形成亞硫酸鹽的過程，當硫酸鹽進入細胞當中，

細胞內的硫酸鹽會經由酵素作用還原形成亞硫酸鹽 (SO32-)，過程中造成硫同位 素分化的主要原因來自於 ³²S 與 ³⁴S 與氧原子之間鍵結力的不同，氧原子與

32S 之間的鍵結力比起與 ³⁴S 之間的弱，因此酵素作用時，³²S－O 之間的鍵結 較易被破壞，造成產物亞硫酸鹽富集 ³²S，反應物硫酸鹽則會富集 ³⁴S。步驟三 為亞硫酸鹽還原形成硫化氫並排出細胞體外，細胞體內的亞硫酸鹽和氫分子作用 被還原形成硫化氫，並將硫化氫排出細胞體外。

根據 Harrison and Thode (1958) 所提出概念，陸續有更加詳盡與量化的模型

10

被提出，以下分節敘述之。

1.6.1 Rees 模型

Rees (1973) 根據 Harrison and Thode (1958) 所提出的模型，經過修改提 出詳細的硫酸鹽異化還原作用在細胞內部的反應路徑及其相對應的分化係數 (³⁴α)：

SO （SO APS SO H S 1 括弧表示細胞膜，數字表示不同的步驟。此模型中包含四個主要步驟：(1) 硫 酸鹽穿過細胞膜進入細胞，硫酸鹽進出細胞為可逆反應 (Cypionka, 1995)，此 步驟產生的硫同位素分化較小，約 3‰ 到 0‰，(2) 細胞內部的無機硫酸鹽 經由三磷酸腺苷 (adenosine triphosphate，ATP) 活化形成腺苷-5'-磷酸硫酸酐 (adenosine-5'-phosphosulfate，APS)，(3) APS 中硫與氧鍵結斷裂，APS 還原 形成亞硫酸鹽，(4) 經由酵素作用使亞硫酸鹽還原形成硫化氫。步驟 (2) 和 (3) 皆為可逆反應，雖然硫酸鹽活化成為腺苷-5'-磷酸硫酸酐的過程沒有硫同位素 分化產生，但仍有 -22‰ 到 -25‰ 的硫同位素分化分別發生在 APS 還原形 成亞硫酸鹽和亞硫酸鹽還原為硫化物的過程中。由Rees 模型可得知最終硫同 位素分化的大小與哪一步驟是限制步驟有關，若硫酸鹽進入細胞成為限制步 驟，則會表現出最小的硫同位素分化，相反的最大同位素分化則發生在限制 步驟為細胞內部硫酸鹽還原的可逆反應 (Canfield et al., 2006; Hoek et al., 2006)。

1.6.2 Farquhar 模型

由於 Rees 模型僅可定性去推測細胞新陳代謝步驟對硫同位素分化的影 響，因此 Farquhar 模型便將 Rees 模型加入了質量流 (mass flow) 與多重硫 同位素的概念，定量考慮反向反應的分流對同位素分化的影響，幫助我們了 解微生物作用對硫同位素分化的影響 (Farquhar et al., 2003)。此模型假設微生 物硫酸鹽還原反應為一連串熱力學平衡的分化反應的組合，³³λ 值設定為

11

12

測量分化作用產生的多重硫同位素組成，便可依此網格推測微生物硫酸鹽還 原作用中不同微生物內部步驟作用如何表現出不同微量硫同位素組成的特 色。

1.6.3 Brunner and Bernasconi 模型

部分研究發現硫酸鹽異化還原作用產生的分化可大於前人模型中所預估 的最大值46‰ (Rudnicki et al., 2001; Sim et al., 2011)，而較大的硫同位素分化 被認為與三硫磺酸鹽的產生有關，因此Brunner and Bernasconi (2005) 再次修 正模型，考慮亞硫酸鹽還原時的其他複雜路徑。當亞硫酸鹽還原時並非直接 形成硫化氫，而是經由許多中間物質 (S3O62-, S2O32-) 變化所產生，這些反應 被稱為「trithionate pathway」(Akagi, 1995)，trithionate pathway 會使得硫同位 素分化增大，但亞硫酸鹽還原過程究竟是單一反應或是由多個反應組合形成，

仍無法確定 (Rabus et al., 2006)。Trithionate pathway 共有三個反應式：

3SO H 4H S O 3H O S O H S O SO 2H

S O H H S SO

雖然反應更加複雜，但整體的微生物硫酸鹽還原模型仍與前人相近，模型如 下：

SO （SO APS SO S H S H S

牽涉 trithionate pathway 的步驟皆假設為可逆反應，硫化氫可同時存在於細胞 內外，在細胞內部的硫化氫可再氧化形成中間物質或是運輸出細胞體外 (Brunner et al., 2005)。上述不同步驟具有不同的分化係數：³⁴α1＝1.003、³⁴α4b

＝0.975、³⁴α6＝0.947 和³⁴α7＝1.005，α7 定義為亞硫酸鹽轉變為中間物質 (S2O32-、S3O62-) 與中間物質氧化為亞硫酸鹽過程中所產生的硫同位素分化 (Brunner and Bernasconi, 2005)。根據此模型推導最大硫同位素分化可達 75‰，

超過純菌培養得到的同位素分化結果，能夠解釋環境和地質記錄中所觀察到 的變化 (Johnston et al., 2007)，但由於生物體內的中間物質是否存在或者是否

13

每種硫酸鹽還原菌都含有此中間物質仍無法確定，因此此模型仍需要更多的 驗證。