前沿关注 进展:特定环境下仅靠一氧化氮实现厌氧氨氧化菌生长 [复制链接]

1989 0
京东
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。
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1998 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。& V; |" I# o( p$ H, i

" \- `3 J( E$ L/ N, `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。
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9 p9 Y+ j! {* F  P( X: f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。4 O8 V. I2 g9 f
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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。”8 k3 F' n# s, \# x6 s$ x$ E& }+ p
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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。7 J1 W3 s4 }- u2 Y9 |/ J% M
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Kartal博士在实验室搭建的生物反应器 | 版权:Boran Kartal4 ~3 O/ N. T- m- x' U

8 g9 n4 I0 J4 d, P9 f6 e  G神奇的Anammox8 g) [1 ?& J4 l: ]2 j

" r/ Q9 Y! _; V9 f1 n2 b( k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。
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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。
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' ?- L6 \+ X! b) N: t$ a, V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:$ x7 `6 h0 P, x: I) }# l- I
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5 G3 M2 I, v- @5 U  M; Z9 R9 }) m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。
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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。% p3 L4 U+ E: N5 S9 d+ g7 F
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Anammox在NO作唯一底物的反应方程式4 \# P! n0 W7 {1 _

' [. A# [+ P5 K3 n重构氮循环圈3 J0 T( p8 `* ^6 x" }$ O/ E/ w; M

8 Z. C' h! z; ~- u4 |( X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。' q/ J( w3 L, D3 Y7 q" |

! }( c( U( b; v7 u9 t5 X- Y' b. ~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。”
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6 r6 n# M& e- H2 W, ?- P透射电子显微镜下的K. stuttgartiensis | | 图源:Laura van Niftrik
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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。2 ?. ]$ d8 s2 p( U; e

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Kartal博士在他的Twitter上分享研究成果 | 图源:Twitter截图
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更多的问题
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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。$ C& a6 y9 }" }; H
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“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。”
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