既能產(chǎn)氧氣又能產(chǎn)氮氣的氨氧化奇古菌

氨氧化奇古菌（Ammonia-oxidizing archaea，AOA）是地球海洋中最豐富的微生物之一，占海洋中浮游微生物的30%，在海洋的氮循環(huán)和碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。氨氧化奇古菌可以在有氧條件下將氨氧化為亞硝酸鹽（NH3+1.5O2→NO2-+H2O+H+）。古菌中氨氧化生理功能的發(fā)現(xiàn)極大地改變了人們對全球氮循環(huán)的認識。系統(tǒng)基因組學和分子鐘分析表明，可以進行氨氧化的古菌可能在10億年前就已經(jīng)出現(xiàn)。現(xiàn)代環(huán)境中的氨氧化奇古菌展現(xiàn)出對深海低營養(yǎng)和低能量通量環(huán)境非凡的適應能力，它們具有高效的有氧固碳能力，也被認為是溫室氣體N2O的主要來源之一。然而，氨氧化奇古菌在缺氧環(huán)境（比如海洋最低含氧區(qū)，圖1）中的存在以及其生理和代謝機制仍然令人困惑。

圖1 海洋最低含氧區(qū)示意圖（修改自Martens-Habbena et al., 2022）

最近，Kraft等利用高靈敏度氧傳感器研究了氨氧化奇古菌Nitrosopumilus maritimus在氧氣濃度較低的環(huán)境中的代謝過程。他們發(fā)現(xiàn)當O2被消耗到1nM后，體系中的O2開始緩慢增加（圖2），并且O2的產(chǎn)生還伴隨著 N2的生成。為了探究N.maritimus在產(chǎn)氧的同時是否會繼續(xù)氧化氨，Kraft等通過同位素標記法（15N-NH4+）對氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的過程進行了示蹤。實驗結(jié)果表明，N.maritimus在產(chǎn)氧的過程中，氨也被氧化為亞硝酸鹽。并且，N.maritimus產(chǎn)生的大部分氧氣都立即被氨氧化消耗掉。

圖2 氨氧化奇古菌N. maritimus的產(chǎn)氧過程。氧氣被消耗后，體系中氧濃度立即開始增加（0至8小時）。當N. maritimus的培養(yǎng)過程不受干擾且不添加含氧水時，氧氣濃度會隨著時間的推移而繼續(xù)增加（8至20小時）（Kraft et al, 2022）

前人雖然提出了三種非光合產(chǎn)氧的途徑：亞氯酸鹽的歧化反應（ClO2-→Cl-+ O2）、活性氧物質(zhì)的降解（例如 H2O2的歧化反應H2O2→H2+O2）和一氧化氮（NO ) 的歧化反應（2NO2-→ 2NO→N2+O2）。由于N. maritimus的培養(yǎng)基中不包括高氯酸鹽、氯酸鹽或亞氯酸鹽，排除了亞氯酸鹽歧化反應的可能性。并且，Kraft等通過在培養(yǎng)基中添加丙酮酸，也排除了H2O2通過歧化反應產(chǎn)生氧氣的可能性（丙酮酸可以與H2O2發(fā)生脫羧反應）。由于N. maritimus在正常有氧條件下進行氨氧化時可以產(chǎn)生NO，因此NO可能是N. maritimus產(chǎn)氧的重要中間產(chǎn)物之一。但是同位素標記（15N-NO2-）實驗發(fā)現(xiàn)，在N. maritimus培養(yǎng)的前20小時內(nèi)，O2和N2的產(chǎn)出是不耦合的，這說明在NO轉(zhuǎn)變?yōu)镹2和O2之間還存在著進一步的中間產(chǎn)物。Kraft等推測這個中間產(chǎn)物可能是 N2O（2NO→N2O+0.5O2），這也得到了反應速率測量和同位素標記實驗結(jié)果的支持：N2和N2O的產(chǎn)出速率與O2的產(chǎn)出速率在誤差范圍內(nèi)一致；以15N-亞硝酸鹽為底物培養(yǎng)N. maritimus的過程中，46N2O比30N2的產(chǎn)出更早（圖 3A和B）。并且，同位素標記實驗結(jié)果表明，N.maritimus生成的N2O全部來自于亞硝酸鹽（圖 3B）。

圖3 以15N-亞硝酸鹽（15N-NO2-）或15N-銨（15N-NH4+）為底物培養(yǎng)氨氧化奇古菌N. maritimus產(chǎn)生的30N2（A）。以14N-銨（14N-NH4+）或15N -亞硝酸鹽（15N-NO2-）為底物培養(yǎng)氨氧化奇古菌N. maritimus產(chǎn)生的46N2O（B）（修改自Kraft et al, 2022）

目前已知的NO歧化反應只發(fā)生在NC10菌群中，其歧化反應產(chǎn)生的氧氣用于甲烷的氧化。由于NC10菌群中氧氣的產(chǎn)生和消耗是緊密耦合的，因此NC10菌群無法將自由氧釋放到環(huán)境中。N2O中間產(chǎn)物的生成將N. maritimus的代謝機制與 NC10 細菌的代謝機制區(qū)分開來，后者生成O2的過程中不需要N2O作為中間產(chǎn)物。由于缺乏生化方面的先例，Kraft等根據(jù)細胞數(shù)量、速率測量和同位素分析的實驗結(jié)果，提出了N. maritimus產(chǎn)生氧氣和氮氣的代謝途徑（圖4）。（1）氨氧化途徑（灰色）：氧氣通過氨單加氧酶（ammonia monooxygenase，AMO）激活氨氧化，氧化NH4+的兩個電子進入電子轉(zhuǎn)移鏈，并被轉(zhuǎn)移到末端氧還原酶從而還原O2。（2）產(chǎn)氧途徑（黑色）：亞硝酸鹽被亞硝酸鹽還原酶NirK還原為NO。NO通過歧化反應生成O2和N2O。累積的O2在氨氧化過程中被消耗，而N2O則被進一步還原為N2。但是目前N. maritimus中的N2O還原酶尚未可知。

圖4 N. maritimus產(chǎn)生氧氣和氮氣的代謝途徑（Kraft et al, 2022）

綜上所述，Kraft等人證實了氨氧化奇古菌N. maritimus在缺氧條件下，不僅可以產(chǎn)生用于自身氨氧化的O2，同時可以將亞硝酸鹽還原為N2，這是一種新的N2的產(chǎn)生途徑。氨氧化奇古菌與亞硝酸鹽氧化細菌（nitrite-oxidizing bacteria，NOB）共同為海洋提供了主要的無機氮源（圖5）。N. maritimus作為少數(shù)幾種已知能在黑暗中產(chǎn)生氧氣的生物之一，為氨氧化奇古菌在海洋最低含氧區(qū)的存在提供了解釋。考慮到全球海洋中氨氧化奇古菌的豐度及其在氮循環(huán)中的關(guān)鍵作用，氨氧化奇古菌的產(chǎn)氧過程可能對缺氧環(huán)境中微生物的生態(tài)體系和元素的生物地球化學循環(huán)具有深遠的意義。

圖5 氨氧化奇古菌（AOA）和亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）在海洋最低含氧區(qū)氮循環(huán)中的作用示意圖（修改自Martens-Habbena et al., 2022）

主要參考文獻

Kraft B, Jehmlich N, Larsen M, et al. Oxygen and nitrogen production by an ammonia-oxidizing archaeon[J]. Science, 2022, 375: 97-100.

Martens-Habbena W and Qin W. Archaeal nitrification without oxygen[J]. Science, 2022, 375:27-28.