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。
+ X1 i% u$ _+ `$ w( x9 R0 ^; p w
6 b) U: h5 J7 `" d
, b& u" w8 e" b1998 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。
0 Q" J n' m, v7 H% _" ]3 l, T7 k% f! n' H$ U
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 Y) X. s" A. p9 R5 A* }0 O
( Q- M2 X4 m- o+ e: G( `% D! h
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。
# w) ]2 Z3 I: Y7 m( L8 B
0 Q+ f, U* k. W' |# [7 `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。”% S: @% {/ I- }, r; [, W* _
# M4 l: [3 y0 x2 E- {7 p6 P, s
" e" S- ]" A: {4 N) [; r- b
! x U- Z! C6 g0 J/ v! X
+ ^. Q% e5 ~. Y" }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。3 M+ |! j/ v0 p( w. H9 Z8 I" K
/ j/ } G) f3 Z- |* S( qKartal博士在实验室搭建的生物反应器 | 版权：Boran Kartal$ c. t1 r3 a& r2 b i
8 B& q' ~# `; T; ^神奇的Anammox9 y( h: G5 v: c" q; b
2 y% `- u8 O/ }/ ? V1 M" A3 i3 {( E7 j
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。. D) c' a; Q# d0 m4 ?3 B
$ m6 l, [8 w# z6 O
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 K" V4 P/ z+ B& \# }0 r3 i- X# m* i, n e
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：, M+ e. V/ h3 R
8 p7 e& [- X; W; M) G2 ]( k$ e7 \$ B
9 p `- R2 d/ O% ]+ O$ p
' @1 N6 U" a) R
, g; R% X- i, b" D4 l9 }! O8 O# W
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。 D1 |4 n) M {; w6 p0 f0 ~
. ]3 }2 d2 ]" T# Q0 _2 M
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。
# _# ?5 J' F: c9 m% `" J2 u: R8 E) h
* v- f0 O4 u: }6 C+ n4 g3 Z+ G; @0 L. Z3 Z- N( p7 J0 v0 C# J
Anammox在NO作唯一底物的反应方程式; q9 ?- N `) P7 i
$ K6 Y2 Z: }# c, r( |
重构氮循环圈
5 ~- v' S0 ^/ z; |
9 S% J8 S! u0 r3 r8 C& ~2 ~5 Q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。
3 w/ _" h" w9 v( u! K
4 u7 D! H" Z- f) w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。”9 W1 @8 [! l; @2 t( M
2 t. Q- |% z2 `% _- `; h
/ \, H- m6 @1 ^$ @; Y
! U0 I, F6 e* V6 q( l' G透射电子显微镜下的K. stuttgartiensis | | 图源：Laura van Niftrik
0 r, K& u/ Y: t1 F) D; R n& ?& F ~( F0 s) @( G3 D5 e- O, y
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。1 F( m3 Q' B3 n9 r, ^& A
% K5 x: d5 q" Z. I9 `
, R3 [% l, ^6 e/ Y
+ b* {' J- c: [ v% `. W# ~) E
Kartal博士在他的Twitter上分享研究成果 | 图源：Twitter截图8 F0 o4 q! K/ L9 _# d8 {, j
# R) P9 d% i( Q7 z B( _- r更多的问题
+ ^! h" v: j3 `; h: ^. f4 d7 K* x3 W& h) q
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。
$ k0 a( l9 v6 k7 B" R
- n: r7 m W1 a) |2 G! S“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。”
% f6 E/ W. {+ `- G) `3 x
+ F; E$ v9 `4 J& i; u5 F- l: T |
© 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