海洋氮循环中细菌的厌氧氨氧化_洪义国

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。 在上个世纪 90 年代 , 在荷
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兰 Delft 一个酵母厂的污水脱氮流化床反应器中 , 工 人们发 现了一个奇怪的现象 , 反应器中有 NH 4 消 失 , 且随 NH4 和 NO3 的消耗 , 有 N2 生成 。 这一发 现与原来认为的只有在有氧条件下 才能去除 NH 4
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作为电子受体将 NH 3 氧化成 N2 的过程 , 而且认识 到这一过程在自然界的氮循环中可能发挥极其重要 的作用 。 这一发现改变人们对传统氮的生物地球化 学循环的认识 , 近十年来在这一领域取得了很多突 破性进展 。
＊ 通信作者 。 Tel : +86 -20-89023345 ; E -mai : jdgu @hkucc
. hku . hk
作者简介 : 洪义国( 1974) , 内蒙赤峰人 , 博士 , 主要从事海洋环境与分子微生物学的研究 。 E -mail : yghong @scsio . ac . cn 收稿日期 : 2008 -09 -30 ; 修回日期 : 2008 -12-08
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Yiguo Hong et al .Acta Microbiologica Sinica( 2009) 49( 3)
谢过程在自然界可能具有广泛意义 。 经过大量的研 究 , 在 1995 年 , Kuenen 研究小组正式发表了有关厌 氧氨氧化的论文 , 把这一新发现的生物化学过程命 名为 “Anammox ”( Anaerobic ammonia oxidation) , 即厌 氧氨氧化 , 并且申请了 专利 ( EP 0327184A1) 。 利 用生理生化 、 特 异性抑制剂以 及同位素标记 实验 , Kuenen 研究小组进一步证实 Anammox 的本质是一个 [ 4] 微生物 作用的过 程 , 并且富 集到了这 种微生物 。 1999 年 , Delft 大学的 Strous 利用密度梯 度离心的方 法 , 第一次得到了 Anammox 菌 , 16S rDNA 分析显示与 浮霉状细菌( Planctomycetales ) 有较近的进化关系 , 第 一次从自然界中找到了 Broda 当年预测的微生物
小型综述
海洋氮循环中细菌的厌氧氨氧化
洪义国 , 李猛 , 顾继东
2 ( 香港大学生物科学学院 , 香港)
1
2
1, 2 ＊
1 ( 中国科学院南海海洋研究所 , 中国科学院热带海洋环境动力学重点实验室 , 广州 510301)
摘要 : 细菌厌氧氨氧化过程是在一类特殊细菌的厌氧氨氧化体内完成的以氨作为电子供体硝酸盐作为电子 受体的一种新型脱氮反应 。 厌氧氨氧化菌的发现 , 改变人们对传统氮的生物地球化学循环的认识 : 反硝化 细菌并不是大气中氮气产生的唯一生物类群 。 而且越来越多的证据表明 , 细菌厌氧氨氧化与全球的氮物质 循环密切相关 , 估计海洋细菌的厌氧氨氧化过程占到全球海洋氮气产生的一半左右 。 由于氮与碳的循环密 切相关 , 因此可以推测 , 细菌的厌氧氨氧化会影响大气中的二氧化碳浓度 , 从而对全球气候变化产生重要影 响 。 另外 , 由于细菌厌氧氨氧化菌实现了氨氮的短程转化 , 缩短了氮素的转化过程 , 因此为开发更节约能 源、 更符合可持续发展要求的废水脱氮新技术提供了生物学基础 。 关键词 : 厌氧氨氧化( Anammox) 细菌 ; 海洋氮循环 ; 厌氧氨氧化体 中图分类号 : Q938. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 0001-6209 ( 2009)03 -0281 -06 氮是生命活动必需的元素 , 是组成蛋白质 、 核酸 等生物大分子以及氨基酸 、维生素等小分子化合物 的重要成分 。 氮通过在自然界中的不断循环 , 维持 着整个生物圈的生态平衡和物种的不断进化 。 通过 科学家们大量的长期的研究 , 目前对氮的生物地球 化学循环有了基本的了解
[ 5] [ 3]
Candidatus“ Scalindua ” 、Candidatus “ Anammoxoglobus” 和 最 新 鉴 定 的 Candidatu s “ Jettenia ” 。 其 中 , Candidatus“ Scalindua ” 属已经鉴定了 4 个种 , 分别是 Candidatus “ Scalindua Sorokinii ” 、 Candidatus “ Scalindua brodae ” 、Candidatus“ Scalindua wagneri” 和 Candidatus “ Scalindua Arabica ” , Candidatus “ Brocadia fulgida” 也是最新报道的新物种 , 它们之间的系统进 [ 6 -10] 化关系见图 1 。 16S rRNA 基因分析表明 , 这些 Anammox 菌属于单一进化群体 , 起源于共同的祖先 , 从浮霉状菌门( Phylum Planctomycetales)分支进化而 来 。 Anammox 菌 属 种 之 间 的 进 化 距 离 较 大 , Candidatus“ Brocadia ” 与 Candidatus“ Scalindua ”的 16S rRNA 基因平均只有 85 %的序列 同源性 , 这种 大的 差异还没有找到更合理的解释 , 可能是由于其早期 起源 和 快 速 进 化 的 结 果 。 厌 氧 氨 氧 化 菌 的 16S rRNA 和 23S rRNA 基因没有分离 , 它们与 ISR 同时 转录 。 而且发现 Candidatus “ Brocadia ” 和 Candidatus “ Kuenenia” 的 16S rRNA 基因中的第九个螺旋中包含 一个 20bp 的插入序列 , 二级结构分析预测有两个亚 螺旋 9a 和 9b , 这种 插入在 ARB 数据库 ( www . arbhome . de ) 的其它 16S rRNA 基因中还没有发现
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。 具有蛋白质的 S 层 , 细胞壁上存在漏斗状结
。 有关厌氧氨氧化体的进化 , 是一个非常有趣
构 , 无肽聚糖 , 对青霉素不敏感 。 厌氧氨氧化菌有一
的研究课题 , 它是第一个从原核厌氧氨氧化 . 微生物学报( 2009) 49( 3)
[ 11]
。
2 厌氧氨氧化菌具有特殊的生理生化 和细胞生物学特征
2. 1 已知的厌氧氨氧化菌都属于霉状菌门的单一 进化群体 到目 前为止 , 还 没有 得到 Anammox 纯培 养菌 株 。 用现代分子生物学技术 , 无需纯培养 , 已经鉴定 到多 个 Anammox 物 种 , 它 们 分 别 属 于 5 个 属 : Candidatus “ Brocadia ” 、 Candidatus “ Kuenenia ” 、
。 传统的观点认为 , 大
气中的氮气主要来源于微生物的硝化 ( Nitrification) 和反硝化作用( Denitrification) , 氨( NH 3) 只能在有氧 条件下才能被氧化成亚硝氮 ( NO ) 或硝氮 ( NO ) , NO2 或 NO3 再被还原成氮气( N2 )释放 。 近年来 , 微生物家发现了在厌氧条件 下微生物能够以 NO2
[ 1]
1 厌氧氨氧化的发现缘于偶然
长期以来 , NH4 的氧化一直被认为是在绝对有 氧条件 下进行的 。 1977 年 , Broda 根 据热力学 反应 自由能计算和生物进化关系的分析 , 推测自然界中 可能存在化能自养微生 物将 NH 4 氧化 成 N2 , 但一 直没有找到实验证据
[ 2] + +
。
图 1 厌氧氨氧化菌的系统进化关系( 其中 M1 、M2 、M3 、M7 和 M11 是从中国南海深海底泥中扩增出的序列)
Fig . 1 Phylogenic relationship of Anammox bacteria . . M1、 M 2 、M3 、M7and M11 are the clones from the sediment of South China Sea . The numbers in parentheses represent the sequences' accession number in G enBank . The number in each branch point is the percentage supported by bootst rap . The bar represents 1 % sequence divergence .
2. 2 厌氧氨氧化菌都具有特殊的细胞构造和化学 组成 厌氧氨氧化菌 是革兰氏阴性 椭球状化能自养 菌 , 专性 厌氧 , 直径 不到 1 μ m , 菌体呈现 明亮的红 色
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个单一双分子层的厌氧氨氧化体 ( Anammoxosome) , 占细胞总体积的 30 %以上 , 实验证据表明 , 厌氧氨 氧化体是一个独立的产能细胞器 , 它是厌氧氨氧化 菌最具特征 的结构 , 是发 挥厌 氧氨 氧化的 核心 场 所
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产能细胞器 。 我们从细胞的 、分子的以及代谢途径 等多方面对厌氧氨氧化的进化做了探索 , 初步认为 这一细胞结构是内共生起源 。 厌氧氨氧化菌普遍具有生长缓慢 、对光和氧气 敏感的特点 。 目前 , 还未获得厌氧氨氧化菌的纯培 养菌株 , 密度梯度离心法是分离和纯化厌氧氨氧化 菌的有效方法 , 而且厌氧氨氧化的活性对细胞密度 [ 5] 具有很强的依赖性 。 在富集培养期间 , 厌氧氨氧 化菌污泥颜色从棕色变为深红 。 对厌氧氨氧化菌细 胞和细胞提取物的可见光谱分析发现 c 型细胞色 素的吸收明显增加 。 77K 的细胞光谱分析表明没有 a 型 、b 型和 d 型的细胞色素 。 在厌氧氨氧化活性 增加期间 , 468 nm 处的吸收值逐渐增加并达到最高 [ 13] 值 , 用 CO 处理后就消失 。 厌氧氨氧化菌脂质含有酯连接和醚连接的混合 脂肪酸 , 具有独特的膜脂结构 : 环状系统 X 、环状系 统 Y 和 2 种不同的环状系统 ( X +Y) 。 环状系统 X 和 Y 的所有环被 cis 环连接 , 形成楼梯式的结构 , 因 此定义为梯式烷脂 ( Ladderane lipids) 。 有研究表明 在 Candidatus “ B . anammoxidan ” 中 , Ladderane X 和 Ladderane Y 占总脂的 34 %。 目前这种梯式烷膜脂 只在厌氧氨氧化菌中发现 , 估计与厌氧氨氧化的功 能密切相关 。 2. 3 利用环境基因组学的方法完成了厌氧氨氧化 菌 Kuenenia astuttgartiensis 的基因组全序列测定 随着近些年的研究进展 , 科学家们逐渐认识到 厌氧氨氧化菌在海洋氮物质循环和废水处理中发挥 极其重要的作用 , 迫切需要从分子水平深入认识厌 氧氨氧化机制 。 在多家机构联合努力下 , 于 2006 年 利用环境基 因组学的 方法 ( Environmental genomics) 基本 完成 了 这一 非纯 培养 菌株 -厌 氧 氨氧 化菌 Candidatus “Kuenenia astuttgartiensis” 的全基因组序列 测定 , 结 果 发 表 在 Nature 杂 志 上 。 这 一 全 长 6 4. 2× 10 大小的基因组学数据展示了厌氧氨氧化这 一特殊代谢功能的基因图谱 , 共包含 200 多个基因 参与其呼吸代谢过程 。 如此多的基因参与呼吸代谢 过 程 只 在 异 养 菌 如 Geobacter sulfureducens 和 Shewanella oneidensis 中发现 , 这表明厌氧氨氧化菌可 能存在其他分支呼吸链 , 可以从不同的电子受体中 获得 能 源 。 此外 , 这一 全 基 因 组 的测 定 , 解 决了 Planctomycetales 的系 统进化关系 , 并且鉴 定了梯脂 生物合成以及肼代谢相关的基因 。 基因组学信息使 我们认识到 , 厌氧氨氧化菌不是一类特殊的微生物 , 而是通常微生物的一类 。 厌氧氨氧化是多种生命代