ESE｜亚硝酸盐驱动的厌氧乙烷氧化

图片摘要

成果简介

近日，哈尔滨工业大学任南琪院士团队谢国俊教授在ESE上发表了题为“Nitrite-driven anaerobic ethane oxidation”的论文。本文通过长期运行供应亚硝酸盐和乙烷的生物反应器富集了能够进行亚硝酸盐驱动厌氧乙烷氧化的微生物培养物。在连续运行过程中，亚硝酸盐和乙烷可以实现稳定地同步去除，且在微生物培养过程中乙烷对亚硝酸盐的去除是必不可少的。代谢功能分析表明，属于Rhodocyclaceae科的'Candidatus Alkanivoras nitrosoreducen'可能进行亚硝酸盐驱动的厌氧乙烷氧化。尽管没有鉴定到已知的乙基琥珀酸酯合成酶基因，但'Ca. A. nitrosoreducen'编码了可进行厌氧乙烷氧化的富马酸盐添加途径和可将亚硝酸盐还原为氮气的完整反硝化途径。这些发现促进了研究人员对亚硝酸盐驱动的厌氧乙烷氧化的理解，突出了以前被忽视的厌氧乙烷氧化在自然生态系统中的影响。

引言

乙烷是天然气中含量第二丰富的短链烷烃，作为一种被忽视的温室气体，其全球变暖潜势是二氧化碳的12.8倍。天然气开采和原油精炼导致了大量的人为乙烷排放，约占全球乙烷排放量的60%。在自然环境中也广泛观察到生物和非生物乙烷的产生。目前，全球乙烷排放量已高达18.7 Tg yr⁻¹，严重影响全球气候变化。此外，由于乙烷是光化学反应的前体，乙烷排放也可导致臭氧层耗损、大气空洞和光化学污染。因此实现乙烷排放的削减十分重要。在厌氧或缺氧环境中，微生物活动减少了短链烷烃的排放。在尼罗河深海扇泥火山中发现了厌氧乙烷氧化与其他短链烃气体氧化。属于Deltaproteobacteria的细菌也被预测在热液喷口和泥火山沉积物中介导厌氧乙烷氧化和硫酸盐还原。丙烷氧化细菌'Candidatus Alkanivorans nitratireducens'也被证明可以进行硝酸盐驱动的厌氧乙烷氧化。在当前的研究中，古细菌可通过乙基辅酶M还原酶激活和氧化乙烷，并进一步通过逆向Wood-Ljungdahl途径产生CO₂；而细菌可以通过同步将硝酸盐还原为氮气来独立完成厌氧乙烷氧化。亚硝酸盐是淡水生态系统中常见的电子受体，在温泉中可以与乙烷共存。作为乙烷氧化的潜在电子受体，亚硝酸盐比硫酸盐和硝酸盐在热力学上更可行。然而，是否存在亚硝酸盐驱动的厌氧乙烷氧化尚不清楚。本研究通过长期运行接种温泉沉积物的生物反应器，对亚硝酸盐驱动厌氧乙烷氧化的微生物培养物进行富集和表征。研究人员采用16S rRNA基因扩增子测序研究了长期运行过程中微生物群落变化，并采用宏组学技术分析了功能微生物和相关的代谢机制。

图文导读

导读内容一：亚硝酸盐驱动的厌氧乙烷氧化微生物的富集培养

文章首先通过长期反应器运行来富集亚硝酸盐驱动厌氧乙烷氧化的微生物培养物，并研究其脱氮性能（图1）。在启动阶段，脉冲式供应亚硝酸盐来培养亚硝酸盐驱动的厌氧乙烷氧化微生物。推测在此期间，亚硝酸盐大部分被异养反硝化微生物去除，部分微生物衰减产生有机物进行反硝化。随后转入连续流运行，从第86天到第210天，通过缩短HRT提高进水中亚硝酸盐氮负荷率，亚硝酸盐的去除率由8.7 mg N L⁻¹ d⁻¹提高到25.0 mg N L⁻¹ d⁻¹，出水亚硝酸盐氮浓度低于检测限。为避免生物量损失，在第210天将进水中亚硝酸盐浓度从100 mg N L⁻¹提高到500 mg N L⁻¹，并将HRT从4.0提高到20.0 d，以保持亚硝酸盐氮负荷率为25.0 mg N L⁻¹ d⁻¹。连续运行至350天，亚硝酸盐氮的去除率稳定在25.0 mg N L⁻¹ d⁻¹，理论乙烷氧化速率稳定在11.48 mg C₂H₆ L⁻¹ d⁻¹左右。

图1  运行350天的反应器性能。a. 亚硝酸盐氮的负荷率和去除速率。b. HRT，进水中亚硝酸盐氮浓度，出水中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮的浓度。阶段Ⅰ为启动阶段，阶段II为连续流阶段。

通过对照实验考察了乙烷氧化与亚硝酸盐还原之间的关系（图2）。当提供乙烷时，亚硝酸盐浓度在2小时内从9.73 mg N L⁻¹下降到1.66 mg N L⁻¹。当用惰性气体Ar代替乙烷时，亚硝酸盐浓度在2 h内由9.77 mg N L⁻¹降至8.90 mg N L⁻¹。有乙烷的亚硝酸盐平均去除速率为4.03 mg N L⁻¹ h⁻¹，远高于无乙烷的去除速率。由于实验中乙烷是唯一可用的电子供体，这些结果表明发生了亚硝酸盐驱动的乙烷厌氧氧化，并且亚硝酸盐还原所需的电子是由乙烷氧化产生的。

图2  第209天对照试验中亚硝酸氮盐去除性能。

导读内容二：长期运行过程中的微生物群落变化

图3展示了反应器长期运行过程中微生物群落结构的动态变化。在启动阶段（0 ~ 87 d），变形菌门、酸杆菌门和拟杆菌门微生物数量最多，平均分别占48.4%、15.73%和14.21%。Burkholderiales、Blastocatellales、Chitinophagales和Rhizobiales是主要的目级分类群。虽然隶属于这些目的微生物可能参与亚硝酸盐还原，但在长期运行中，这些微生物的减少（Burkholderiales除外）表明其可能不进行厌氧乙烷氧化。在连续流阶段， Candidatus Kerfeldbacteria、Burkholderiales和Ignavibacteriales为优势目级类群。随着进水浓度的增加，属于Candidatus Kerfeldbacteria的微生物迅速扩大了实际生态位宽度，这可能有助于稳定微生物群落，尽管其确切的生态意义尚不清楚。没有发现已知的能够介导厌氧乙烷氧化的古细菌。因此，Burkholderiales作为整个生物反应器运行的优势类群，可能在亚硝酸盐驱动的厌氧乙烷氧化中发挥重要作用。

图3  长期运行过程中的微生物群落变化。

导读内容三：微生物培养物的碳氮代谢途径解析

文章对培养物的氮代谢和碳代谢进行了关键基因丰度和宏转录组水平的评估（图4）。在宏基因组中检测到亚硝酸盐还原酶基因（nirK和nirS）、一氧化氮还原酶基因（norBC）和氧化亚氮还原酶基因（nosZ）。这些基因的高转录水平表明微生物培养物可介导亚硝酸盐氮完全还原为N₂。在这些宏基因组中还鉴定出甲烷单加氧酶（pmoABC，图4b）。尽管pmoABC具有广泛的底物特异性，并可在有氧条件下氧化乙烷，但未检测到其转录，这表明pmoABC在该培养物中不催化乙烷氧化。甲/乙醇脱氢酶和乙酰辅酶A脱碳酶/合成酶也低表达，这些结果进一步表明乙烷氧化过程不太可能涉及甲烷单加氧酶。在基因组和转录组数据中未发现编码烃基琥珀酸合成酶和甲基/乙基辅酶M还原酶的基因。然而，编码富马酸添加途径涉及的多种酶的基因在宏基因组数据中被鉴定，并以高水平表达（图4b）。参与β氧化的基因也被发现并实现转录，这些结果表明了一条潜在的乙烷的厌氧降解途径，即乙烷通过富马酸盐添加途径和进一步的β氧化彻底氧化为CO₂。同时，乙烷氧化产生的电子可以通过经典的反硝化途径将亚硝酸盐氮还原为N₂。

图4  a. 编码氮代谢的基因的相对丰度和转录水平；b. 编码碳代谢的基因的相对丰度和转录水平。

导读内容四：MAGs代谢功能分析和功能微生物鉴定

从三个宏基因组中回收了一组高质量非冗余的50个宏基因组组装基因组（MAGs）。其中，9个MAGs编码了经典的反硝化途径可将亚硝酸盐氮完全还原为N₂（图5）。这9个MAGs中除了MAG_22外，其余MAGs都编码了与厌氧短链烷烃（乙烷/丙烷/正丁烷）氧化途径相关的基因（图5）。这些结果表明，这些MAGs可能具有亚硝酸盐驱动的厌氧乙烷氧化的潜力。为确定亚硝酸盐驱动厌氧乙烷氧化的关键类群，对具有亚硝酸盐驱动厌氧乙烷氧化潜力的MAGs进行了转录分析。在几个MAG中检测到编码亚硝酸盐还原酶的基因转录本，表明微生物培养中的亚硝酸盐还原可能是由多种微生物介导的。其中，MAG_36（被命名为'Candidatus Alkanivoras nitrosoreducens'）的参与亚硝酸盐还原和乙烷氧化的关键基因的转录丰度很高。参与β氧化的基因也在细菌'Ca. A. nitrosoreducens'中被鉴定到。在'Ca. A. nitrosoreducens'基因组中还发现逆向Wood-Ljungdahl途径也具有转录活性，这表明了二氧化碳产生的潜在途径。

图5  具有潜在功能的MAGs的系统发育关系和代谢潜力。

根据以上结果，本文构建了一个亚硝酸盐驱动的细菌'Ca. A. nitrosoreducens'厌氧乙烷氧化的代谢模型（图6）。乙烷通过富马酸盐添加和β 氧化途径被氧化为乙酰辅酶A。然后，乙酰辅酶A进入TCA循环或逆向Wood-Ljungdahl途径，被氧化为CO₂。同时，亚硝酸盐氮通过反硝化途径还原为N₂。

图6  'Ca. A. nitrosoreducens'进行亚硝酸盐驱动厌氧乙烷氧化的代谢模型。

结论

本研究以乙烷和亚硝酸盐为底物，对亚硝酸盐驱动的乙烷厌氧氧化微生物进行富集培养。基于宏基因组学分析，'Ca. A. nitrosoreducens'编码并表达了厌氧乙烷氧化的富马酸添加途径和亚硝酸盐氮还原为N₂的完整反硝化途径，尽管乙基琥珀酸酯合成酶(assAs)和琥珀酸辅酶A连接酶(sucCD)的基因需要进一步鉴定。系统进化亲缘关系分析显示，'Ca. A. nitrosoreducens'与先前报道的能够进行硝酸盐驱动的厌氧乙烷氧化的'Candidatus Alkanivorans nitratireducens'具有遥远的遗传关系，这表明不同自然环境下的功能微生物存在差异。本研究验证了亚硝酸盐驱动厌氧乙烷氧化能发生在温泉沉积物的富集培养物中。这些发现将提高对富含亚硝酸盐和短链烷烃的环境中乙烷和氮循环的理解，突出了以前被忽视的乙烷厌氧氧化在自然生态系统中的影响。

作者简介

通讯作者：谢国俊，哈尔滨工业大学环境学院环境生态系教授、博士生导师。主要从事污水处理与资源化、厌氧甲烷氧化与利用、微生物驱动碳氮硫循环等方面的研究，主持国家自然基金面上项目、国家自然基金青年项目、国家重点研发计划子课题、昆士兰大学博士后基金等多项课题，获得霍英东教育基金会高等院校青年教师基金、微生物生态青年科技创新奖（优秀奖）、昆士兰大学“UQ Early Career Researcher”及昆士兰大学“UQ Postdoctoral Research Fellowship”，共发表SCI收录论文120余篇，H因子38，被邀请为国际SCI期刊BioMed Research International、Water Science and Technology特约编辑。

第一作者：党成成，哈尔滨工业大学环境学院博士研究生。

论文信息

原文标题：Nitrite-driven anaerobic ethane oxidation

引用信息：Dang, C. C., Jin, Y. Z., Tan, X., Nie, W. B., Lu, Y., Liu, B. F., ... & Xie, G. J. (2024). Nitrite-Driven Anaerobic Ethane Oxidation. Environmental Science and Ecotechnology 21: 100438.

doi: 10.1016/j.ese.2024.100438

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