氨氧化古细菌(AOA)的研究进展

氨氧化古细菌（AOA）的研究进展

摘要一直以来，氨氧化细菌（AOB）是硝化反应中负责将NH4+ 转化成为NO2- 的一类无机自养微生物。近几年来国外一些学者于海洋中发现氨氧化古细菌（AOA）存在，它们同样广泛存在于土壤、自然水体、污水处理厂、垃圾渗滤液等产生硝化反应的环境中，负责将氨转化为亚硝酸盐。甚至在某些生态环境中，AOA 占主导地位。概述了国外对不同环境下氨氧化古细菌种群多样性的差异，以及各类环境中共有的氨氧化古细菌种类。最后，对今后氨氧化菌深入研究的方向及其功能作了进一步的展望。

[关键字]：氨氧化古细菌系统发育生态分布

Advances on Ecological Research of Ammoniaoxidizing

Abstract：For long times, ammonia oxidation by ammonia-oxidizing bacteria （AOB）is the key process in thenitration reaction. These ammonia-oxidizing bacteria are a kind of inorganic autotrophic microorganism who have theresponsibility of transferring NH4+ to NO2-. But in these several years, some foreign researchers found ammonia-oxidizingarchaea （AOA）who exist in the marine. They are generally in the environment which contains nitration reaction,such as soils, fresh water, wastewater treatment systems. soils and even wastewater treatment. AOA have thesame function as AOB, and in some certain habit, the AOA are the predominant oxidizer. We also summarize thediversity difference between the AOA in various environments. Here we describe our perspectives for the future researchof AOA in applied ecology and environmental protection．

Keywords：Ammonia-oxidizing archaea; Phylogeny; Ecological distribution

1 氨氧化古细菌在生态环境中的分布

1.1 AOA 的发现

氨氧化细菌（AOB）在泥土、淡水、海水层、河口以及沉积物等各种生态环境中已经得到了广泛关注，并在海洋的上层和深海层中的生物地球化学循环中起到了关键作用。但是近年来，越来越多的研究表明，在氨氧化培养中，有硝化作用的古细菌在海洋泉古菌中有很高的丰富度。这在氨氧化菌的研究方面是一个极大的突破。Landmark 用独立培养的方法

揭示了有很大一部分泉古菌生长在冰冷的含氧海水中[1-2]，例如，海洋泉古菌在全世界的海洋中有1028 之多。这种数量上的优势表明了氨氧化古细菌（AOA）在全球生态地球化学循环中占有重要地位。2005 年，Venter 等进一步深入研究了浮游生物古细菌的新陈代谢能力，并在含马尾藻海洋中，通过对DNA 序列的打靶，研究了微生物基因的多样性。基于他的发现，一个独特的氨单（加）氧酶基因位于相关古细菌的scaffold 处，Venter 等认为一些古细菌也许具有能够执行化能自养硝化作用的能力[3]。同年，Konneke 等从热带海洋水族馆鱼缸里的岩石土壤底层中分离出一株氨氧化古细菌，命名为Nitrosopumilusmaritimus。通过定量PCR 的测定，证明了这些含丰富泉古菌的培养揭示了氨氧化成亚硝酸盐的氧化速率与泉古菌丰富度的增加一致[4]。

1.2 在环境中的分布及环境因子对其分布的影响硝化反应，是微生物的连续氧化过程，将氨氧化到亚硝酸盐再到硝酸盐，它是生物地球化学氮循环中关键的一步。氨氧化微生物催化硝化反应中限速的第一步———氨氧化为亚硝酸盐。直到前些年，氨氧化的微生物群落才逐渐开始被研究清楚，β- 和γ- 变形菌纲的好氧无

机化能自养细菌是目前得到肯定的氨氧化微生物群。但是近几年，对氨氧化菌的研究有了很大的变化和进展[5]。首先，厌氧氨氧化被

认为是一种生物过程的新分支[6-7]；不久，属于泉古菌属的氨氧化古细菌（AOA）的分离培养带来了一次飞跃性的进展[4]。研究发现，在一些不同类型的土壤，北海、大西洋、太平洋和黑海这些陆地和海洋生态系统中，AOA 的数量超过了氨氧化细菌（AOB）。更进一

步的分子学研究也证明了AOA 与海洋海绵体可以共生存[9-12]，而且针对AOA 的amoA 基因的很多研究样品来自范围更广泛的生态环境中[13-15，16-19]。硝化反应中AOA 的发现是微生物的进化历史和多样性研究的巨大变革。

1.2.1 土壤环境

2006 年，S. Leininger 等取土壤样品，通过设定amoA 基因和四醚脂（泉古菌的特征物质）对泉古菌可能的生态影响进行量化研究，发现AOA 的种群结构在不同土层深度是不同的，这也反映了可能存在不同生态类型的AOA。同时，通过为古细菌的amoA和16SrRNA 基因设计的5 种不同引物结合体，得到AOA 比AOB 更占具主导地位的结果[20]。这是第一个关于自然湖水的研究，尤其是针对其中的根际沉积物__ Francis 等[3]定义的水体/ 沉积物菌种（种A1）和土壤/ 沉积物菌种（种B），而且它们在微生物根际和非根

际沉积物中的菌种类型是不同的。研究结果表明，在水生植物根际沉积物中，AOA 在数量上是AOB 的500~8 000 倍。同样的结论在某些土壤生态系统[22]和陆生植物根际环境[23-24]中也可以得出。尽管会呈现空间和季节性的变化，但是AOA 在L.uniflora 的根际环境的氨氧化群落中，始终占主导位置。这种趋势暗示了AOA 很可能比AOB 更能够适应根际的微需氧环境或者更能优先利用根部释放的能源[25-26]。在根际土壤中，根系释放的O2、CO2 等对AOA有很大的影响。在缺氧条件下培养，检测到土壤中AOA 的amoA 基因数量很低，而且氨氧化能力也极大地降低。Bowatte 等在2007 年研究了根系周围的CO2 升高对根系AOB 和AOA 群落的影响，结果发现AOB 的amoA 基因在根系土壤和非根系土壤中几乎没有变化；而AOA 的amoA 基因则占多数，AOA∶AOB 的范围在1.2~69.3。值得一提的是，在根际土壤中硝酸盐增加时，古细菌amoA 基因的cDNA拷贝数有显著的增加，这表明了在含水量大的土壤中，硝酸盐可以反硝化为氨，增加了古细菌amoA 基因在RNA 水平的表达。因此，很有可能AOA 在水稻根系土壤中古细菌占主导地位[21]。2008 年，Tourna 等针对不同环境因子对氨氧化菌的影响进行研究，他们从苏格兰农业大学、Craibstone

、Aberdeen、Scotland 采集表层10 cm 的土壤样品，研究发现非嗜热氨氧化泉古菌的氨氧化作用是以AOA 和AOB 中amoA 基因丰富度为基础，而不是AOA 和AOB 的活性。在硝化反应过程中，DGGE和16SrRNA 以及amoA 基因分析都没有检测到AOB 群落结构的变化；而AOA 在高温培养时期，群落结构发生了很大的变化。在高温期，随着AOA 的

序列类型相对丰富度的增加，其群落结构也有很大的变化，海洋古细菌种有所增加，土壤古细菌反而没有增加。这种现象说明了非嗜热泉古菌在土壤硝化反应中起到了重要的作用[27]。

1.2.2 水体环境

众所周知，海洋是硝化的重要场所，古细菌在海洋中的微生物群体中占主要优势，在Santa Barbara海峡，泉古菌门和亚硝酸盐的浓度显然是随着时间而相互联系。可以认为古细菌的一个部分重要的作用是氧化重新矿化的NH4+（例如，执行化