氨氧化微生物总结

氨氧化微生物的研究

这篇文章是本人通过查阅文献总结。

氮循环在整个地球生态物质循环中起着重要的作用，其中微生物在地球氮循环中扮演着关键的角色。，但目前为止，微生物氮代谢机制依然存在许多未解之谜。本文通过氨氧化微生物的发展历史，现状进行了大致的概括，并进一步概述了氨氧化微生物的生理特性，且对今后的氨氧化微生物研究重点进行了一定的展望。氮循环是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的生态系统的物质循环。微生物在其中发挥了主要作用。氮循环主要由固氮、氨化、硝化、反硝化等过程组成。

目前,氮化合物引起的水体污染和富营养化日益加剧,已经造成了生态破坏、资源匮乏、水环境污染等严重后果。生物脱氮技术能够有效地去除污染水体和富营养化水体及底泥环境中的氮素,具有十分重要的意义和极大的实用价值。生物脱氮的理论基础是微生物作用下的硝化作用和反硝化作用。硝化作用作为自然界氮循环的重要环节之一,是指NH4+或NH3被氧化为NO2-至NO3-的一系列生化反应。亚硝化作用则是硝化作用从NH4+或NH3到NO2-的反应过程,是氮素循环的重要环节,由氨氧化细菌(又被称为初级硝化细菌)、亚硝化细菌来完成。从氮转化的角度来看,亚硝化细菌在生态圈中居于重要地位,它们转化无机氨态氮为亚硝酸盐氮,与氨化细菌、硝化细菌等其它微生物共同作用,推动氮素循环的不断进行。作为生物脱氮硝化阶段的重要限速步骤,受到广泛关注。在第一株氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria，AOB)被成功分离的一个多世纪里，AOB 都被认为是唯一具有氨氧化能力的微生物，直到21世纪初，古菌氨单加氧酶α 亚基基因(Ammonia monooxygenase α-subunit ，amoA)的发现以及氨氧化古菌Nitrosopumilus maritimus SCM1的分离培养，才使好氧氨氧化微生物从细菌域扩展到古菌域。氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea，AOA)的发现，重新激起了人们对氨氧化微生物的研究热情。目前，在土壤、湖泊、河口、深海、污水处理池等多种环境中均发现了大量AOA和AOB的16S rRNA 基因、amoA 基因。AOA 和AOB 的研究对环境保护、工农业生产等都具有重要意义。虽然好氧氨氧化微生物的生理学、生态学、基因组学、蛋白质组学等方面的研究使我们对它们有了一定了解，但由于研究方法的限制及其分布的复杂性和对环境胁迫的敏感

性，目前仍无法确定AOA 和AOB 对全球氮循环的相对贡献，也尚不清楚如何调控它们的活性使其在生态修复、废水处理等方面发挥重要作用。其生理生态学差异将有助于我们进一步研究不同环境中AOA 和AOB 的群落组成和活性，但目前很少有文章将两者进行比较。

1氨氧化微生物

1.1 好氧氨氧化微生物

1.1.1氨氧化古菌

2008年，科学家们通过系统发生学和酶学分析，将包括氨氧化古菌在内的部分泉古菌类群重新划分成一个新门——奇古菌门。根据16S rRNA和amoA基因的系统发育分析，目前已知的AOA划分为group I.1a、group I.1b、ThAOA和group I.1a-associated四个类群。N. maritimus SMC1是第一株分离培养的氨氧化古菌，属于group I.1a类群，它的发现使古菌的氨氧化功能得到证实，是好氧氨氧化微生物研究的重要里程碑。之后，人们又成功地从贫瘠土壤、淡水沉积物、农田等多种环境中富集了group I.1a菌株。最近，从地热温泉中富集的Nitrosotenuis uzonensis扩大了我们对这类AOA分布的认识。2008年，第一株group I.1b氨氧化古菌Nitrososphaera gargensis从热泉微生物席中被分离培养。随后又有多株group I.1b中的AOA被富集或分离，其中Nitrososphaera viennensis EN76是第一株从土壤环境中分离培养的AOA，它的纯培养为在土壤环境中广布的group I.1b类群古菌的研究提供了模式生物，是中温古菌研究的又一里程碑。Nitrosocaldus yellowstonii则代表了在高温环境中广泛存在的一个分支——嗜热AOA类群ThAOA。2011年富集到的Nitrosotalea devanaterra是目前唯一的专性嗜酸氨氧化微生物，隶属于group I.1a-associated类群。酸性土壤约占无冰陆地表面30%，并且其中的硝化反应速率较高，是研究全球氮循环不可缺少的一环，所以这个发现为进一步研究氮的生物地球化学循环提供了重要条件。

除了上述已分离或富集培养的AOA之外，基于amoA基因克隆文库的分析表明，自然环境中还存在大量未知AOA。2012年Pester等将从NCBI、IMG/M 以及Camera 3个数据库中获得的所有古菌amoA序列用距离矩阵法、最大简约法和最大似然法3种方法建树，划分为5个簇，其中Nitrosopumilis、Nitrososphaera、Nitrosocaldus、Nitrosotalea cluster分别对应已知AOA分类中的

group I.1a、group I.1b、ThAOA和group I.1a-associated类群，而Nitrososphaera sister cluster类群中还未有AOA被描述。Nitrosopumilis cluster在海洋水体和沉积物AOA中占主导地位，而Nitrososphaera cluster则主要存在于土壤以及潮间带、河口等低盐环境中。

1.1.2 氨氧化细菌

目前为止，已知的AOB均属于β-变形菌纲的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和γ-变形菌纲的亚硝化球菌属(Nitrosococcus)。Purkhold等根据16S rRNA基因的系统发育树将β-变形菌纲中的AOB分为10个簇。Avrahami等根据amoA基因系统发育树将β-变形菌纲中的AOB分为12个簇，其簇与16S rRNA基因系统发育树中的相对应，并新增加了Nitrosospira cluster 9−12。2010年Dang等又在此基础上新划分出3个簇Nitrosospira cluster 13−15。其中，Nitrosospira cluster 2、3、4、10、11、12及Nitrosomonas cluster 7是土壤中主要的氨氧化细菌类群，土壤酸度及氨浓度是影响其分布模式的主要环境因子。Nitrosomonas cluster 6a则是淡水生态系统、废水以及生物滤池中的主要类群，在河口和近岸等受淡水、废水影响较大的低盐环境中也有发现。海洋环境中存在大量Cluster 13−15氨氧化细菌类群：Cluster 13主要分布在近岸海洋环境中；Cluster 14在近岸和深海的高盐度环境均有发现；而Cluster 15则主要存在于近岸和河口，特别在河口环境中尤为常见。由于缺少相应已培养的AOB，Cluster9−15在16S rRNA基因进化树上还无法找到与其对应的分支，需要通过更多的纯培养AOB和克隆序列来进一步确定。

在已纯培养的AOB中，Nitrosomonas europaea作为研究好氧氨氧化微生物生理、生化和系统发育等方面的模式生物之一，是目前研究最多的氨氧化微生物。Nitrosococcus oceani是γ-变形菌纲中唯一在海洋环境中广泛存在的种。2014年，Urakawa等又定义了一个新种Nitrosospira lacus，其标准菌株APG3分离自淡水湖沉积物，是一株耐寒、广pH的陆源氨氧化细菌。这种具有独特生境选择的AOB为自然界中氨氧化微生物的微生物生态学研究提供了新的认知。

1.2厌氧氨氧化微生物