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一氧化氮浓度-《自然》重磅 | 厌氧氨氧化菌可仅靠一氧化氮生长,氮循环教条再被改写

时间:2021-04-14 16:10:23 来源:多种气体检测仪器仪表中心 点击:

科学家发现厌氧氨氧化菌新能力

1998 年10 月12 日,瑞典卡罗林斯卡医学院( )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, ) 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。

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。

在微生物反应中一氧化氮浓度,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。

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 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。”

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。

博士在实验室搭建的生物反应器 | 版权:

神奇的

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)。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%跟有关,因此它扮演着海洋初级生产力控制者的重要角色。

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。

而在之前的研究里,科学家认为厌氧氨氧化菌 ()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:

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,这恰好与菌的生长实验总是发现硝酸盐的观察结果吻合。

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。

在NO作唯一底物的反应方程式

重构氮循环圈

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 菌。结果显示,在没有亚硝态氮的情况下,K. 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。

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,”博士说,“我们这个研究很重要,它帮助我们进一步了解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。”

氮氮二甲基苯胺密度_一氧化氮浓度_氮氮二甲基甲酰胺沸点

透射电子显微镜下的K. | | 图源: van

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,但我们的实验显示菌可以靠它来维生,”博士说。

博士在他的上分享研究成果 | 图源:截图

更多的问题

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: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应该也是无处不在。

“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,” 大学的微生物专家Mike 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。”

小结

各位读者也许会问,荷兰和德国科学家的这个发现对污水处理究竟有什么用呢?作为一个平凡的搬砖工作者,小编显然不够资格回答这么高难度的问题。但据个人理解,小编认为这个研究最重要的信息在于告诉从事厌氧氨氧化研究的博士和教授们,你们的眼光不用再仅仅局限在水处理领域了,因为厌氧氨氧化可以直接对一氧化氮进行处理。另一方面,正如教授上述所说的,这个单一发现显然还不能改变什么,但一系列的跟进研究也许将有助优化现有的厌氧氨氧化工艺。

总之一氧化氮浓度,认准自己热爱的事业,好好干活就好了。要知道,教授当年刚开始研究的时候也被人嘲笑过,因为人们当时觉得研究这玩意没用。如今20年过去了,估计大家再会觉得教授他当年的决定是个笑话了。最后,小编想和大家回顾一个教授接受欧盟科研创新基金项目的宣传片的采访视频:

小编在过往的“学术星期四”专栏里,已经有好几篇关于厌氧氨氧化工艺研究的进展报道,我将这些文章整理如下,作为此文的拓展阅读素材:

参考资料

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