荷兰Radboud大学和德国马克斯普朗克研究所（马普所，MPI）的海洋微生物学院的微生物学家进行的一项研究表明，在一氧化氮浓度足以让其他生命体致命的条件下，厌氧氨氧化菌(Anammox)竟然可以仅靠一氧化氮来生长。他们的研究成果在发表在《自然-通讯》(Nature Communications) 上。对此，科学家们在社交媒体上（Twitter）对该研究团队的通讯作者Boran Kartal博士纷纷发去贺电。2 B( n) D H6 T, e4 Y! ` K7 n
N( [$ u% B5 k
4 B# x5 a2 G' j8 U1998 年10 月12 日，瑞典卡罗林斯卡医学院(Karolinska Institute)把当年的诺贝尔生理学或医学奖授予三名美国科学家。原因是他们在上世纪70-80年代的研究发现：一氧化氮(NO，Nitric Oxide) 是心血管调节血压和血流的信号分子。他们的研究奠定了一个全新概念的生物系统信号转导原理：一个细胞产生的气体信号可透过细胞膜调节另一个细胞的功能。研究一氧化氮的学者们估计自此腰板挺直了不少。
( b3 x, p% V$ b- j( x5 B8 i( w" F* M
一氧化氮(NO)是种“多才多艺”的高活性分子，在大气化学有着重要作用——因为它是破坏臭氧层的催化剂，同时也是温室气体一氧化二氮（N2O）的前体，后者的温室气体强度约为二氧化碳的300倍。而在生态学领域，NO也有一些独特的功能：它既是一种非常厉害的毒素，又是一种信号分子和微生物氮循环的中间物。为了去除有毒的NO，微生物有它们的一套防御机制——通过一系列的酶来感应、搜寻NO，并最终将它转化为活性较低的N2O。正因如此，NO在细胞中的存在浓度非常低，在反硝化和好氧氨氧化反应里它都被视作最后的中间体，并没有引起更多的重视。# N+ o X3 z! q7 k9 p
; F3 O# W* g" A& a9 g7 n在微生物反应中，科学家已经发现NO可以通过含铜或者含细胞色素cd1的亚硝酸还原酶（NIR）催化的还原反应产生，或者通过八辛胺羟胺氧化还原酶（HAO）催化的羟胺氧化得到。
; u* I& l, v7 S1 |* u0 Y- ~2 L. t' s9 j4 H" R, p' Z
但还有一个大问题尚未解答：微生物可以单靠它来生长吗？要知道，在过去的研究里，科学家从未发现有微生物用NO作为其生长的末端电子受体。但马普所的Boran Kartal博士认为这应该是有可能的：“因为在地球大气还没氧气之前，NO可是地球上最强的氧化剂。这表明微生物在生命历史的早期进化阶段，应该是能够用NO作为其末端电子受体。”' }+ V' f# L4 Q" P9 |1 b" V* f7 T
4 @( l0 ]+ h$ x" F$ F) y- K" b
( X0 J0 U3 E0 e5 g) t
, i) Z0 U }# G, [, n9 k+ d
- y' P! Q$ ^' o. N/ A但在此之前，确实没有研究证实微生物能够在高浓度的一氧化氮环境下生长，直到科学家们遇到了一群外表呈红色的细菌。( w2 Q9 k7 h0 B8 B$ @9 ^* o
" p, J+ C: f. X& T. X
Kartal博士在实验室搭建的生物反应器 | 版权：Boran Kartal1 N6 P9 g* }. X9 R
' O D, ]2 [/ f: a3 L1 I( F6 T: t神奇的Anammox
- [* h0 x0 Z6 U# [. S; W
* {2 e+ U! U3 x: b这些红菌又称厌氧氨氧化细菌。顾名思义，它们能够进行厌氧氨氧化的反应（英文简称anammox）。这是氮循环里一种非常重要的微生物反应。它可以发生在天然和人造的生态环境里。研究显示，海洋产生的氮气约50%跟anammox有关，因此它扮演着海洋初级生产力控制者的重要角色。- f/ [6 D) Y5 w* W+ Y! D9 N
, `. C' I/ K5 f7 Q% o& g9 m
此外，厌氧氨氧化工艺也是污水处理界时下热门的研究课题——与传统的硝化反硝化工艺相比，它大大节省了能耗和化学品的使用，从而减少了二氧化碳的排放。5 v8 k7 f- z# R* O( `- W
/ b/ c3 W: n: q+ i而在之前的研究里，科学家认为厌氧氨氧化菌 (anammox)一般使用亚硝态氮作为末端电子受体，产物为硝态氮和氮气。代谢路径可以用下边的方程式表示：! Z+ T' k* A. K
" e. J2 \2 P& u$ h
3 \' \. f; [6 N- Z3 q
Q3 i5 B/ s4 j( A/ ^- i
, Y# @8 R2 T- x$ S% t9 u上边的第四条反应式是关于细胞的固碳作用——因为细菌生长需要电子，而科学家认为这些电子来自亚硝态氮的氧化反应，这恰好与anammox菌的生长实验总是发现硝酸盐的观察结果吻合。8 l4 T$ n$ \/ n% I4 F
, R$ r- \6 u/ J$ D
Boran Kartal博士和他的团队注意到反应(3)的肼氧化释放4个电子，而反应(2)里的NO合成肼只需3个电子，因此他们提出了一个假设：厌氧氨氧化菌能否就靠反应(2)和(3)来生存呢？理论上这似乎真的就足够为微生物的细胞固碳储存能量，以及提供足够的电子。
6 u8 _* c$ W8 Z+ y; u2 C8 y
& e/ l4 x5 W! D$ }
* @2 j' l+ E: g- s) r, v& o6 P
! w3 ~$ g# \. z& U1 w0 ~Anammox在NO作唯一底物的反应方程式
# y7 l9 a& T* Z \, R( n. n$ f! E$ O+ j% E
重构氮循环圈2 F- N$ U5 Z7 l7 e5 g) Y# x8 g
$ h! p! g; D1 f) h s7 z
基于这样的假设，这个荷德跨科学团队用铵盐和一氧化氮作为仅有的底物，在一个连续式的膜生物反应器（MBR）里培养Kuenenia stuttgartiensis菌。结果显示，在没有亚硝态氮的情况下，K. stuttgartiensis只用NO作为最终的电子受体，就可以进行氧化氨的反应，而且氮气是唯一的最终产物，没有产生一氧化二氮和硝态氮。
& ~$ n5 ?2 a- Y' P1 S4 Q9 }% R, Y8 P7 x: D' \" W! k% L
他们的发现意味着，每一个变成氮气的NO分子都意味着少一个笑气排到大气中。“这意味着减少了温室气体的排放，”Kartal博士说，“我们这个研究很重要，它帮助我们进一步了解anammox菌在天然和人工系统里（例如污水处理厂），是如何控制的N2O和NO的排放的。”+ X" w0 Y/ J0 f- i S! v7 Z% y/ z
: ^7 z. f+ \$ Y0 p ]! v
2 n! Y$ H" H3 U/ A8 }3 ~9 R
' [* }1 H0 c0 d4 s2 p8 X: f& M5 y" _0 }: D透射电子显微镜下的K. stuttgartiensis | | 图源：Laura van Niftrik
0 W# N; e( w- J7 \1 w3 }9 W1 d0 [1 S% L% w: O$ ?& p
一氧化氮是全球氮循环圈的中心分子。“这一系列发现将改变我们队地球氮循环圈的认识。以前它往往首先被视作一种毒素，但我们的实验显示anammox菌可以靠它来维生，”Kartal博士说。 E* O- E! t. c4 ?) |
/ o7 K1 [# u/ p, ?
. \* L3 J1 H. u- x: d0 j" S
$ i( |' [' C( K C) O/ n b4 {6 mKartal博士在他的Twitter上分享研究成果 | 图源：Twitter截图
" n* {: I/ h- f. C3 L1 Q. H# y* b( @% z4 m3 ]9 [* @
更多的问题( q& C3 S) V( J# ^
! M d- Z3 t$ h9 \+ X5 D; `! n
Kartal博士和他团队在回答了自己的提问的同时，其实也产生了更多的问题：Anammox这种细菌，并不是按我们以前假设的方式运作的。这种细菌遍布地球各个角落，这意味着，基于一氧化氮生长的anammox应该也是无处不在。
" i9 o# {. U$ n: ]! @8 H% w, v. ^; s* T* [# l% \
“现在我们正在对世界各地不同的生态系统进行探索，寻找那些尚未发现的专门负责氮循环的微生物，” Radboud大学的微生物专家Mike Jetten 教授说，“我们想知道它们是如何跟其他微生物相互作用的，包括其他和氮循环有关的细菌以及甲烷氧化菌。因为这些新的微生物组合也许能够带来污水处理的新工艺。”
7 M% {* n7 q: M% D) R8 }
/ X" V8 M8 S: m+ C0 t8 W |
© 声明：本文仅表作者或发布者个人观点，与环保之家[2TECH.CN]无关。其原创性及陈述文字、内容、数据及图片均未经证实，对本文及其全部或部分内容、图片、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，仅做参考并自行核实。如有侵权,请联系我们处理,在此深表歉意。
|
![[报告]2021年世界水发展报告执行摘要 上篇](data/attachment/block/26/26edfcc068c2e848c8d8a8121831a5c9.jpg)
![[报告]2021年世界水发展报告执行摘要 下篇](data/attachment/block/21/215be821e512fdc16636ad656b4f7e23.jpg)
![[报告]2021年世界水发展报告执行摘要 上篇](data/attachment/block/8e/8e28e46df3c3a206beef50782485f88a.jpg)
[报告]2021年世界水发展报告执行摘要 上篇
深度：关于内回流，你应该知道的！
污泥热水解消化工艺的性能与成本解析
实践：化学氧化+化学还原/固化稳定化协同修
案例：广州京溪污水厂地下式MBR工艺应用
混凝澄清常用设施及调运