N-cycle 氮循环

生物固氮：
自生固氮菌： 好氧细菌——固氮菌属、固氮螺菌属 蓝细菌 兼性厌氧菌——如克雷伯氏菌属 厌氧菌——如梭状芽孢杆菌属 紫细菌 绿细菌 产甲烷古菌 共生固氮菌：根瘤菌属-豆科植物 弗氏菌属-非豆科植物 联合固氮：固氮菌生活在某些植物根的粘质鞘套内或皮层细胞间，不形成 根瘤，但有较强的专一性，如雀稗固氮菌与点状雀稗联合
中NH4+ 与NH3的动态平衡中,倾向于NH4+的方向,使得NH3的浓度很低, 这也是 在硝化作用中氨的氧化成为限速步骤的原因；此外,AMO催化NH3氧化过程中, 只能将O2中的一个O原子加入到NH3中形成羟氨(NH2OH) ,另一个O原子形成 H2O,因此需要提供额外的一对电子。除了NH3外, AMO还可以氧化C-H键和 C=C键。 编码AMO的基因簇amo至少含有3个基因(amoA,amoB和amoC) , 它们位于 一个操纵子中, 其排列顺序为amoC、amoA、amoB. 不同种之间的amo基因 的排列相同且具有很高的相似性, 在一个细胞中一般含有3个拷贝的amo,且不 同拷贝之间具有很高的保守性(>99%). 在欧洲亚硝化单胞菌中, amo 基因的转 录有3种不同的mRNA产物, 其一对应于amoC, 其二对应于amoAB, 其三对应 于amoCAB, 或是源于mRNA的加工过程,或是源于不同的转录起始位点.通过 突变研究表明, amo 基因的3个拷贝都是功能型的,但表达的程度不同.这些基因 受氨及亚硝酸的诱导表达.
Cu-NiR 的晶体结构, 每个单体由 两个亚单位组成 胡朝松等，微生物学通报，2008
亚硝酸盐氧化还原酶 (nitrite oxidoreductase, NOR)
NOR也是由3个不同亚基组成的三聚体膜结合蛋白复合体,3个亚 基的Mr分别为116×103(NorA), 65×103(NorB)和32×103(NorX) NOR复合体还含有铁、钼、硫和铜离子 NOR可以催化亚硝酸盐的氧化,也可以催化硝酸盐的还原 NOR在亚基组成和催化硝酸盐还原上与异化硝酸盐还原酶非常 相似。nor 基因簇中含有3个基因( norA, nor B和norX) , DNA 序列分析表明,他们在染色体上相邻排列: norA、nor X、nor B, 组成一个操纵子, 受亚硝酸及硝酸诱导表达。 nor A约为3000bp、norX为648 bp、norB为1 539bp. 由norB推 测的NorB含有4个与细菌的铁氧化还原蛋白的铁- 硫中心非常同 源的半胱氨酸残基串. norA和norB与大肠杆菌的异化硝酸盐还原 酶基因nr A、nrZ的A亚基和B亚基有较高的相似性,在氨基酸序列 上分别可以达到60%和65%的相似性.
以上四个反应均为放热反应，所以在无氧或缺氧条件下，细 菌可以将硝酸盐（NO3−）作为电子传递链的最终电子受体 （TEA, terminal electron acceptor），来完成物质能量交换
厌氧氨氧化
Anammox
厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation, Anammox) 是一类细菌，属于浮霉菌门，在缺氧环境中，将铵离子 (NH4+)用亚硝酸根(NO2-)氧化为氮气N2 包括(Candidatus Brocadia)、(Candidatus Kuenenia)和, Candidatus "Anammoxoglobus", Candidatus "Jettenia", (Candidatus Scalindua)属。
Nitrogen in the Denitrification by atmosphere 大气中的氮 denitrifying bacteria反硝化细 Nitrogen fixation 菌的反硝化作用 固氮作用 Nitrification by nitrate bacteria硝 化细菌的硝化作用
N-Cycle
www.company.com
N-Cycle in Ecosystem
Leaching淋溶
Nitrate in soil 泥土中 的硝酸盐
Absorption 吸收 Plants植物 Lightning闪电 Nitrogen fixation by symbiotic nitrogen fixing bacteria 共生 固氮细菌的固氮作用
反硝化作用指细菌将硝酸盐(NO3−)中的氮(N)通过一系列中间产 物(NO2−、NO、N2O)还原为氮气分子(N2)的生物化学过程。参与 这一过程的细菌统称为反硝化菌。 反硝化菌在自然界以各种形式广泛存在，如：
Paracoccus denitrificans（自养，氧化氢气H2） Thiobacillus denitrificans（自养，氧化硫化物（S2−）或者硫代硫酸盐（S2O32−）） Pseudomonas stutzeri（异养，氧化有机碳） 反硝化菌主要为原核生物，大量存在于在α-, β- 和γ-变形菌纲中。已知的反硝 化菌的属有Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, Bacillus, Chromobacterium, Flavobacterium, Spirillum, Vibrio, Halobacterium, Methanomonas, Pseudomonas等。 尽管已经发现了自养反硝化菌，但上述反硝化过程主要由异养反硝化菌来完成
NH4+ + NO2- → N2 + 2 H2O, ΔGo = -357 kJ/mol 在厌氧氨氧化过程中，羟胺(NH2OH)和肼(N2H4)作为代谢过 程的中间体。
AOB
依据16S rRNA 基因序列构建的氨氧化细菌的系统发育 董莲华等，应用生态学报，2008
AOA
Pester et al., Current Opinion in Microbiology, 2011
蓝细菌
Nitrification 硝化作用
Nitrite Oxidation 亚硝酸盐氧化
+ amo hao
Ammonium Oxidation 氨氧化
Oxic
PON
NH4
NH2OH
NO2NO2-
NO3NO3Denitrification 反硝化作用 NO2-
Suboxic
Reminerlization
Organic N
nir
nor
NO
NH4
+
Anammox 厌氧氨氧化
N2O N
固氮作用 Nitrogen Fixation
固氮作用是分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程 非生物固氮：
工业固氮：哈伯-博施法 N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) 200bar 400℃ Fe3+ 电离固氮：电离作用和大自然中的闪电能使空气中的N2和O2产生化合作用 形成 NO，NO极其不稳定，会瞬间被氧化成NO2。
亚硝酸还原酶 (NiRs)
亚硝酸还原酶(NiRs) 是反硝化过程中 的关键作用酶, 它使NO2− 转变成NO 根据辅基的不同, NiRs 分为血红素cd1 型亚硝酸还原酶(cd1-NiRs) 和铜型亚 硝酸还原酶(Cu-NiRs) 两种。Cu-NiRs 呈三聚体结构, 每个单体都含有两种类 型的铜原子, 它们在酶催化过程中起着 传递电子的重要作用。在催化过程中, Cu-NiRs 中部分残基的结构变化有利 于催化反应的进行。 Cu-NiR由nirK 基因编码, 该基因已从 Pseudomonas aureofaciens 中分离并 测序, nirK 编码含有363 个氨基酸的多 肽, 该多肽含有一段由24个氨基酸组成 的起蛋白输出作用的信号肽
Free living nitrogen fixing bacteria 自由生活的固氮细菌
Absorption 吸收
Death 死亡
Ingestion 摄食
Industrial Death Dead remains, Nitrate in synthesis 死亡 egesta,excreta soil 泥土中 工业合成 尸体，粪便，排泄物 的亚硝酸盐 (fertilizers 肥料) Ammonification or Nitrification by putrefaction by AOA & AOB putrefying bacteria and Ammonia and 硝化作用 fungi 腐败细菌及真菌的氨 ammonium 化作用或腐败作用 compound 氨及铵化合物
Animals动物 Death, egestion, excretion 死亡, 排泄
N-Cycle in Ocean
Francis et al., ISME J,2007
Microbial nitrogen transformations above, below and across N 2 N2 an oxic/anoxic interface in the marine environment N2 fixation 固氮
硝化作用 Nitrification
硝化作用是生物用氧气将NH4 转化为NO2 继而将亚硝酸盐 氧化为NO3-的作用。
氨氧化 NH4
+
+
-
NO2
-
AOB 氨氧化细菌主要集中在几个属: 亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas), 亚 硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化球菌属(Nitrosococcus) AOA 奇古菌 Thaumarchaea
Possible mechanism of marine AOB and AOA
David A. and Stahl, The Annual Review of Microbiology, 2012
亚硝酸盐氧化
百度文库
NO2-
NO3-
硝酸细菌属(Nitrobacter)；硝酸刺菌属 (Nitrospina)和硝酸球菌属 (Nitrococcus)。其中以硝酸细菌属为主，常见的有维氏硝酸细菌 (Nitrobacter winogradskyi)和活跃硝酸细菌 (N. agilis)等。
反硝化作用
Denitrification
羟氨氧化还原酶 ( hydroxylamine oxidoreductase, HAO)
HAO是一种有相同亚基( Mr= 64×103) 构成的三聚体细胞周质蛋 白,它可以氧化羟氨(NH2OH), 并释放出2对电子, 其中一对直接用 于NH3的氧化过程, 另一对用于细胞物质的合成以及ATP的产生 对于羟氨氧化酶基因(hao)研究得较为详细的是欧洲亚硝化单胞 菌的hao 基因, 长度为1710bp, 受氨及亚硝酸的诱导表达,转录为 一个单顺反子的mRNA,与其他细胞周质蛋白一样, 该基因也编码 有一个18~ 24氨基酸残基序列的前导肽,该前导肽在HAO的转运 和成熟过程中被切除 欧洲亚硝化单胞菌中含有3个hao 基因拷贝,且它们相距甚远；除 了一个拷贝的一个核苷酸外,3个拷贝的编码区域的核苷酸序列完 全一样,只是在它们的编码区上游的序列有些差异 从AMO和HAO两种酶的作用特性可以预见亚硝化过程的低速和 产能的低效率,由此极大地限制了亚硝化细菌生长的速率.
氨单加氧酶( ammonia monooxygenase, AMO) 及其基因amo
AMO是由3个不同亚基组成的三聚体膜结合蛋白, 3个亚基的分子量分别为
27×103(AmoA)、38×103(AmoB)和31.4×103(AmoC).
AMO只能催化非离子氨(NH3) 氧化,而不能催化离子氨(NH4+)氧化, 而在环境
总的反硝化过程可以用以下方程式表示： 2 NO3− + 10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O, ΔG0 = −333 kJ/mol
• • • • NO3−还原为NO2−：2 NO3− + 4 H+ + 4 e− → 2 NO2− + 2 H2O NO2−还原为NO：2 NO2− + 4 H+ + 2 e− → 2 NO + 2 H2O NO还原为N2O：2 NO + 2 H+ + 2 e− → N2O + H2O N2O还原为N2：N2O + 2 H+ + 2 e− → N2 + H2O