无氧世界的古菌氨氧化(古菌通过自身产氧维持其在无氧环境中好氧氨氧化)

Archaeal nitrification without oxygen(The single-cell organism can self-produce oxygen for ammonia oxidation)

Science [IF: 47.728]

DOI：https://DOI.org/10.1126/science.abn0373

发表日期：2022-01-06

第一作者：Willm Martens-Habbena¹

通讯作者：Willm Martens-Habbena(w.martenshabbena@ufl.edu)¹

合作作者：Wei Qin(秦玮)²

主要单位：

¹美国佛罗里达大学(Department of Microbiology and Cell Science, University of Florida, Institute for Food and Agricultural Sciences, Fort Lauderdale Research and Education Center, Davie, FL 33314, USA)

¹美国俄克拉荷马大学(Department of Microbiology and Plant Biology, University of Oklahoma, Norman, OK 73019, USA.)

摘要

氨氧化古菌(AOA)约占海洋浮游微生物总量的30%，在海洋氮碳循环中扮演着关键角色。海洋AOA和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)接力将氨氮氧化成硝态氮，从而构成了海洋无机氮库的主要组份。经典研究范式认为，AOA和NOB代谢均依赖环境中的分子氧(O₂)。但最近研究证据表明，AOA和NOB在严格缺氧海区也广泛存在，这对经典认知提出了挑战。近期，Kraft等人利用超高灵敏溶解氧探针以及同位素示踪技术，首次证明海洋AOA (Nitrosopumilus maritimus SCM1)在缺氧条件下，可以自身产生氧气用于其氨氧化，并同时将亚硝酸盐还原为氧化亚氮(N₂O)和氮气(N₂)。这一重大发现为海洋无氧区中AOA的存在提供了合理解释，暗示AOA在海洋无氧区氮移除过程中可能发挥了重要作用，并对地球氮循环演化史的研究有重要启示。

正文

氨氧化古菌的发现极大地改变了我们对全球氮循环的认识。基于多种分子钟模型的基因组进化分析表明古菌氨氧化起源于至少10亿年前。现代AOA是目前地球上丰最高、生态上最为成功的明星微生物类群之一。尤其是AOA具有极高的底物氨亲和力和高效自养固碳途径，对寡营养、低能量供给的深海等极端环境表现出优越的适应性。并且作为海洋氨氧化过程的主导微生物类群，AOA能够产生强温室气体N₂O。然而，AOA在海洋缺氧环境中存在的生理生态意义迄今仍然是一个未解之谜。

尽管AOA在全球生物地球化学循环中的重要性已毋庸置疑，但其众多重要的生理代谢机制却仍十分不清晰。这一是源于AOA与已有的模式微生物(遗传操作系统)的同源性较低，基因组层面功能注释不全；二是受限于AOA纯化培养难度较大和生物量产量较低的客观因素。

Kraft等人的研究揭示了海洋AOA具备产生O₂和N₂的能力，把我们对AOA代谢功能和适应性的认知提升到一个新的维度。通过使用超高灵敏度(可以探测低至1纳摩尔/升)的微溶解氧传感器，并结合15N稳定同位素标记技术，首次证明了N. maritimus在缺氧条件下仍然具备将氨氧化为亚硝酸盐，并将亚硝酸盐还原为N₂O和N₂的能力。当外部氧气耗尽后，N. maritimus开始产生氧气，并使周围环境中的氧气浓度恢复到50-200纳摩尔/升，这表明该菌株能够同时产生和(通过氨氧化)消耗氧气。此外，作者进行了一系列的对照实验校正NO对于氧气测量的干扰，并同时排除其他可能的活性氮和氧组分的干扰，以确保其研究结果的可靠性。虽然AOA自身产氧氨氧化速率低于外源氧气供给条件下的氨氧化速率，且依赖于外部亚硝酸盐的供给，但基于海洋无氧区中AOA细胞数量和AOA产N₂速率，作者评估发现该区域中AOA对产N₂贡献率与经典的反硝化以及厌氧氨氧化相当。

当前的生物地球化学模式均假设经典硝化作用不能在缺氧环境中进行。Kraft等研究结果表明，海洋缺氧区中的氮循环可能比以前认识的更为复杂。值得注意的是，最近有学者提出海洋无氧区中的亚硝酸盐可能通过歧化产生氧气，进而支撑海洋缺氧区活跃的NOB代谢活动。然而，这一理论机制仍有待实验验证。在N. maritimus中检测到游离O₂的产生则引出了一个新的科学问题，即AOA产生的这部分O₂是否可以用于无氧区的亚硝酸盐氧化过程。显然，进一步解析低氧海洋环境中复杂的微生物氮循环网络，深入剖析全球海洋氮损失过程，还有赖于未来更多的研究。

目前已知的生物产氧过程主要包括通过光系统 II 蛋白利用H₂O产生氧气，其相关生物包括植物、藻类、蓝细菌；通过过氧化氢酶和超氧化物歧化酶利用活性氧(ROS)产生氧气；通过微生物高氯酸盐/氯酸盐还原酶利用高氯酸盐/氯酸盐产生氧气；以及亚硝酸盐依赖型甲烷氧化细菌通过一氧化氮歧化过程产生氧气和氮气。然而，除了两个假定的亚硝酸盐还原酶同源蛋白外，N. maritimus基因组未找到任何编码上述产氧过程关键酶的基因，并且通过实验数据进一步排除了该菌株缺氧条件下利用ROS产氧的可能性。因此，N. maritimus产生氧气和氮气的过程机理目前尚不清晰。

由于缺乏生物化学研究先例，Kraft等只能初步推测该途径潜在的过程机理。基于同位素证据，作者提出了最简单和热力学上最可行的代谢途径，包括亚硝酸盐还原，NO转化为O₂和N₂O，然后N₂O还原为N₂。虽然该代谢模型赋予了所有嗜常温AOA中假定亚硝酸盐还原酶经典的代谢功能，但它进一步生物化学机制仍不明确，这也为迄今尚未完全厘清的古菌氨氧化路径提供了一种新的研究思路。未来研究应进一步聚焦这种产氧氨氧化是否仅局限于缺氧条件，亦或与经典古菌氨氧化过程广泛欧联，以及这种代谢方式是否广泛存在于土壤、沉积物、以及海洋和陆地次表层的AOA中。在远源的亚硝酸盐依赖型甲烷氧化细菌和氨氧化古菌中均检测到的细胞内部产氧途径，暗示了这种细胞内产氧(并同时耗氧)过程可能在多种微生物中广泛存在。因此推测，在24亿年前的大氧化事件导致的地球氧气浓度上升之前，这一代谢方式可能是促使微生物硝化过程和地球氮循环演化的主要动力。

微氧区中的氮循环

氨氧化古菌 (AOA) 和亚硝酸盐氧化细菌 (NOB) 在微氧区中的海洋氮循环中的作用的概念图。硝化作用发生在海洋水体中的透光区之下。但到目前为止，人们认为在缺氧区是不可能的。Kraft 等人的论文改变了这种可能性。图形：N. CARY/SCIENCE

作者简介

秦玮，美国俄克拉荷马大学(University of Oklahoma)，助理教授(Assistant Professor)。

• 2006-2010，北京师范大学环境科学，学士学位；
• 2010-2016，美国华盛顿大学（University of Washington, Seattle）环境微生物学，博士学位（导师，美国工程院院士David A. Stahl）；
• 2017-2019，·华盛顿大学海洋学院，博士后研究（Simons Foundation Postdoctoral Fellow）；
• 2020年-迄今，俄克拉荷马大学（University of Oklahoma）微生物与植物生物学系（Department of Microbiology and Plant Biology），助理教授。

作为核心骨干参与完成了多项跨学科交叉科研项目，包括美国自然基金会多维度生物多样性项目(NSF Dimensions of Biodiversity Program)，Simons基金会海洋过程与生态学合作研究项目(Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology; SCOPE)；参加了4次国际合作远洋科考航次；撰写了Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology中“海洋和土壤氨氧化古菌分类学，生理学和生态学”共6个章节；参与了《土壤氮循环实验研究方法》第15章“氮转化过程功能微生物表征方法”的撰写；在国际著名学术期刊Science, PNAS，ISME Journal，Environmental Microbiology, Environmental Science and Technology，Water Research，Limnology and Oceanography上发表学术论文近30篇；受邀在加州理工学院，普林斯顿大学，康奈尔大学等高校做学术报告；担任美国自然基金会(NSF)研究项目评审，以及Nature Communications，ISME Journal，Environmental Microbiology，Microbiome，mBio，Limnology and Oceanography等学术期刊审稿人。曾获得“国家优秀自费留学生奖学金”(2016)、“美国Simons基金会海洋微生物生态学博士后奖学金(Simons Foundation Postdoctoral Fellowship in Marine Microbial Ecology，首位获得该奖学金华人)”(2017-2020) 、“美国大学国家海洋实验室系统首席科学家培训项目奖学金(UNOLS Chief Scientist Training Program Fellowship)”(2019)等。

翻译：王保战，万显会，郑越

责编：马腾飞 南京农业大学

审核：刘永鑫 中科院遗传发育所

Reference

Martens-Habbena, W., Qin, W.. Archaeal nitrification without oxygen. Science,(2022), 375: 27-28.
https://DOI.org/10.1126/science.abn0373.