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，占海洋中浮遊微生物的30%，在海洋的氮循環和碳循環中發揮着關鍵作用。氨氧化奇古菌可以在有氧條件下将氨氧化為亞硝酸鹽（NH₃ 1.5O₂→NO₂^- H₂O H ）。古菌中氨氧化生理功能的發現極大地改變了人們對全球氮循環的認識。系統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10億年前就已經出現。現代環境中的氨氧化奇古菌展現出對深海低營養和低能量通量環境非凡的适應能力，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境（比如

圖1 海洋最低含氧區示意圖（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境中的代謝過程。他們發現當O₂被消耗到1nM後，體系中的O₂開始緩慢增加（圖2），并且O₂的産生還伴随着 N₂的生成。為了探究N.maritimus在産氧的同時是否會繼續氧化氨，Kraft等通過同位素标記法（¹⁵N-NH₄ ）對氨轉化為亞硝酸鹽的過程進行了示蹤。實驗結果表明，N.maritimus在産氧的過程中，氨也被氧化為亞硝酸鹽。并且，N.maritimus産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的産氧過程。氧氣被消耗後，體系中氧濃度立即開始增加（0至8小時）。當N. maritimus的培養過程不受幹擾且不添加含氧水時，氧氣濃度會随着時間的推移而繼續增加（8至20小時）（Kraft et al, 2022）

前人雖然提出了三種非光合産氧的途徑：亞氯酸鹽的歧化反應（ClO₂^-→Cl^- O₂）、活性氧物質的降解（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等通過在培養基中添加丙酮酸，也排除了H₂O₂通過歧化反應産生氧氣的可能性（丙酮酸可以與H₂O₂發生脫羧反應）。由于N. maritimus在正常有氧條件下進行氨氧化時可以産生NO，因此NO可能是N. maritimus産氧的重要中間産物之一。但是同位素标記（¹⁵N-NO₂^-）實驗發現，在N. maritimus培養的前20小時内，O₂和N₂的産出是不耦合的，這說明在NO轉變為N₂和O₂之間還存在着進一步的中間産物。Kraft等推測這個中間産物可能是 N₂O（2NO→N₂O 0.5O₂），這也得到了反應速率測量和同位素标記實驗結果的支持：N₂和N₂O的産出速率與O₂的産出速率在誤差範圍内一緻；以¹⁵N-亞硝酸鹽為底物培養N. maritimus的過程中，⁴⁶N₂O比³⁰N₂的産出更早（圖 3A和B）。并且，同位素标記實驗結果表明，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-铵（¹⁵N-NH₄ ）為底物培養氨氧化奇古菌N. maritimus産生的³⁰N₂（A）。以¹⁴N-铵（¹⁴N-NH₄ ）或¹⁵N -亞硝酸鹽（¹⁵N-NO₂^-）為底物培養氨氧化奇古菌N. maritimus産生的⁴⁶N₂O（B）（修改自Kraft et al, 2022）

目前已知的NO歧化反應隻發生在NC10菌群中，其歧化反應産生的氧氣用于甲烷的氧化。由于NC10菌群中氧氣的産生和消耗是緊密耦合的，因此NC10菌群無法将自由氧釋放到環境中。N₂O中間産物的生成将N. maritimus的代謝機制與 NC10 細菌的代謝機制區分開來，後者生成O₂的過程中不需要N₂O作為中間産物。由于缺乏生化方面的先例，Kraft等根據細胞數量、速率測量和同位素分析的實驗結果，提出了N. maritimus産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移鍊，并被轉移到末端氧還原酶從而還原O₂。（2）産氧途徑（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産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，不僅可以産生用于自身氨氧化的O₂，同時可以将亞硝酸鹽還原為N₂，這是一種新的N₂的産生途徑。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作為少數幾種已知能在黑暗中産生氧氣的生物之一，為氨氧化奇古菌在海洋最低含氧區的存在提供了解釋。考慮到全球海洋中氨氧化奇古菌的豐度及其在氮循環中的關鍵作用，氨氧化奇古菌的産氧過程可能對缺氧環境中微生物的生态體系和元素的生物地球化學循環具有深遠的意義。

圖5 氨氧化奇古菌（AOA）和亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）在海洋最低含氧區氮循環中的作用示意圖（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.

美編：傅士旭

校對：萬鵬

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!