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。
' t' j* Z3 X+ c: {6 i
3 J) T0 ]) T8 y1 O# ]8 k
3 I+ a4 \, z5 A* |, } n0 j. l3 Y1998 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。
9 Y5 q/ X6 |, x
( } Z" b) ^5 d/ 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。
9 E4 E, t5 p* w8 U2 V
$ e" D7 ^5 _) R3 |% ]9 y+ C8 S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。
" Y8 D2 a/ o8 q6 a p Y$ u P
% q' l: u& l; o6 j/ k+ 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。”- e: _5 |4 }" s- Q
( `5 A9 `5 ~1 X; ~0 J% Q
$ e8 ^4 A4 Y1 H
& K) X0 `+ I6 N0 u
8 U* a" A4 S6 j. R( b& Z
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。' J% G! _( w, H- b4 ~7 J( N
/ R- A; X4 c' E. c( l
Kartal博士在实验室搭建的生物反应器 | 版权：Boran Kartal o7 E) w( e4 d$ k
- k) X2 G4 ?3 z2 ~& b: f神奇的Anammox
7 h/ ~3 P( Q+ I7 U6 P. Y6 F* x `9 Z6 |# u5 V2 U8 N1 X
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。
- n/ t; ^, X- X# y' W4 J; D/ _! g P2 S* w8 e+ Z6 h& {
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。6 W6 ~2 l. |: S" T) z+ f
( {: s1 k# r* y' C* D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：
" L3 b. F' ~1 L' E9 l+ i
6 C: f/ |8 b$ y' M
% b/ q3 C# }: ~/ S& A8 V* F4 Y' |' q' d3 M, `3 V4 e4 s
- u. I0 d0 ~6 |9 E" ~
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。
" }1 x9 [. u" y$ @# n+ R6 ~
- k( V% J' h& wBoran 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。% v' U' E9 B, S
0 g, R( R* Z. K3 n7 s, y
1 b* F$ U% j- ?1 F6 M" ^" W
0 @6 n% u1 a; O. T+ y0 Z+ _- yAnammox在NO作唯一底物的反应方程式5 i+ j0 a$ n0 a
- k$ p2 U* `, \# b% r重构氮循环圈
" a- X( w2 X3 L6 ?6 o$ v7 c- V8 [3 ?+ ?) Q" j U3 E7 j1 H# ^
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。
+ d, a) }, Z$ a# j3 j0 r
3 ]& p, I. E6 N* A, O, o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。”
0 {! x! V" }/ V: U
" N$ [2 s: V4 c7 ~$ o
- z$ q+ _ x5 ]4 i7 u3 i/ d: h6 i: F2 f& C* ~9 R4 K$ _
透射电子显微镜下的K. stuttgartiensis | | 图源：Laura van Niftrik! u% p: e5 ?, x& O; z
" M8 `( R/ \2 @# ^2 [+ x# y2 f7 w1 g
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。
/ x9 u1 u7 ^' M. G2 u; C+ J! a- ? Q; \3 m" c8 g
# Y3 w- l. s6 U% G9 P9 |% }/ W% j! [$ o$ ^% r. w c* J0 @
Kartal博士在他的Twitter上分享研究成果 | 图源：Twitter截图, j# S8 t" o1 o# n$ Q
9 |' J# O' g6 b+ N更多的问题
( `4 C0 m" l% K8 b3 Z. b+ k9 `7 ]
" s% k$ f# f/ D2 x2 ~$ pKartal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。
. s: u8 C. F R! @$ e9 o; o8 r5 c4 @9 h5 x: h
“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。”
% `% s. A0 p% p& P$ A3 t: a: n5 J" I
|
© 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