Methane-dependent denitrification by Methylomirabilis: an indirect nitrous oxide sink?
期刊：Trends in Microbiology
影响因子（5年）：17.0
DOI：https://doi.org/10.1016/j.tim.2024.07.008
文章摘要
主要内容
作为甲烷和氮循环的重要组成部分，甲烷型反硝化菌（Methane-dependent Denitrifiers, MDs）在氧化甲烷的同时，可将硝酸盐或亚硝酸盐（NO₃⁻/NO₂⁻）还原为氧化亚氮（N2O）或氮气（N2）。在厌氧微生物类群中，甲烷依型全程反硝化主要包括甲烷型硝酸盐还原（CH4 + 4NO3⁻ → CO2 + 4NO2⁻ + 2H2O）和亚硝酸盐还原（3CH4 + 8NO2⁻ + 8H+ → 3CO2+ 4N2 + 10H2O），分别由两类不同的微生物介导完成。甲烷型硝酸盐还原过程由ANME-2d分支的厌氧甲烷氧化古菌Candidatus Methanoperedens nitroreducens催化完成，隶属NC10门中Candidatus Methylomirabilis细菌则负责将NO₂⁻进一步经过NO还原为N2。近期研究发现，某些好氧甲烷氧化菌（如Methylomonas和Methylobacter）也能在缺氧条件下利用甲烷氧化中间产物（如甲酸、甲醇等有机物）进行异养反硝化。在此类反应中，NO₃⁻/NO₂⁻可作为O2的替代性电子受体以克服缺氧限制，最终被还原为N2O。
2010年，Ettwig等人利用CH4和NO₂⁻成功富集了一株NC10门细菌Candidatus Methylomirabilis oxyfera，并证实了该菌进行NO歧化胞内产氧并氧化甲烷的反应。三年后，Haroon等人获得甲烷氧化古菌Methanoperedenaceae和厌氧氨氧化细菌的共培物，证实了Candidatus Methanoperedens nitroreducens（ANME-2d古菌）通过反向产甲烷途径将NO₃⁻还原为NO₂⁻。此后，ANME-2d古菌和Methylomirabilis细菌之间的协同共生关系在学界中成为共识。然而，在自然生境和工程系统中均发现，在仅存在NO₃⁻的情况下，Methylomirabilis并非时刻与ANME-2d古菌共存，这似乎与传统观点相悖。近期，我们团队成功揭示了这个现象背后的微生物学机制：Candidatus Methylomirabilis sinica（M. sinica）能够独立完成甲烷型全程反硝化（Yao et al., 2024, Nat. Microbiol.），这个全新过程的证实突破了传统观念，为上述生态现象的“迷思”提供了解答。
M. sinica的生理和生化特征，包括其氮代谢多样性，可能会促学界进一步研究该类微生物的生态位，特别是它们在缺氧/低氧环境中与好氧甲烷氧化菌之间的相互作用，可能会对甲烷和氧化亚氮等温室气体的排放造成影响。
2.甲烷型全程反硝化菌的代谢多样性
甲烷型全程反硝化菌M. sinica首先通过周质空间硝酸盐还原酶NapAB完成从NO₃⁻到NO₂⁻的还原，随后NO₂⁻在细胞色素cd1型亚硝酸盐还原酶NirS的催化下转化为 NO，NO进一步通过未知一氧化氮歧化酶（Nod）进行歧化反应，最终生成N2和O2。产物O2则通过颗粒型甲烷单加氧酶（pMMO）用于甲烷的氧化（图1）。该菌株不仅具有全程反硝化的代谢能力，同时也能单独利用NO₂⁻进行甲烷氧化，且对两种底物的亲和力均较高，这使其在生态位的竞争中具备了潜在优势。由于结构组成中缺乏醌醇（quinol）结合位点，Nod无法像传统NO还原酶Nor一样进行由外向内的电子传递以还原NO至N2O。虽然M. sinica也编码了Nor，但其几乎不表达该酶以产生N2O。目前仅有一项研究表明，在高浓度NO₂⁻环境中，类Ca. M. oxyfera细菌会将约12.5%的NO转化为N2O。综上，该菌的生理特性和代谢特征使其具备了同时减排温室气体CH4和N2O的潜力。
图1.甲烷型全程反硝化菌Ca. M. sinica的代谢路径
在过去40年中，全球N2O的年均排放量为18.3 Tg N y-1，农业系统和陆地土壤是N2O的主要自然来源。N2O的土壤源主要来自反硝化细菌、反硝化真菌、氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）和完全氨氧化细菌（comammox）（图2A）。由于缺乏N2O还原酶，AOA、AOB和反硝化真菌通常是N2O的净排放源，相比之下，反硝化细菌则可以同时作为N2O的汇和源，或两者兼具。
氧气被认为是调控N2O排放的主要因素之一（图2B）。当氧气充足时，N2O主要作为氨氧化过程中代谢的中间产物产生；在缺氧条件下，AOB将NO₂⁻还原为N2O，同时反硝化微生物（包括好氧甲烷氧化细菌）也会产生N2O。γ变形菌纲的好氧甲烷氧化细菌（主要包括Methylomonas和Methylobacter），则会将甲烷氧化为甲酸和乙酸等中间产物并用于反硝化过程，最终生成N2O。因此，在缺氧区，反硝化作用是N2O排放的主要途径。
N2O还原为N2的反应是N2O减排的主要途径之一。尽管这一过程在各类自然环境中广泛存在，但仍有大量的N2O释放到大气中。根据酶催化理论，N2O与其还原酶N2ORs的催化中心铜（Cu）之间的相互作用较弱，虽然N2O的还原反应在热力学上是自发的（ΔG⁰ = –81 kcal mol⁻¹），但N-O键的键能高达59 kcal mol⁻¹，这直接导致了反应动力学上存在阻碍。因此，探寻减缓N2O排放的新途径仍意义重大。
图2.N2O主要的产生途径、影响机制及潜在减排途径
总结
第一作者简介
第一作者 姚翔午：浙江大学2023届博士毕业生，现为浙江大学环境与资源学院助理研究员，2024年度中国博士后创新人才支持计划入选者。主要从事新功能环境微生物的种质资源挖掘和代谢调控研究，重点关注甲烷-氮循环生物地球化学过程。目前主持中国博士后科学基金面上资助和浙江省“尖兵”计划重点研发项目子课题等项目，作为骨干成员参加国家级和省级课题4项。近年在Nature Microbiology、Trends in Microbiology等期刊发表论文近20篇，其中以第一作者发表在Nature Microbiology上的研究论文同时入选ESI热点论文和高被引论文，申请国家专利3项。曾获国际微生物生态学会ISME Travel Grants、中国微生物学会“简浩然环境微生物学基金”优秀论文奖等荣誉。
作者：姚翔午 审核：胡宝兰
作者单位：浙江大学环境生态研究所
来源|浙江大学环境微生物课题组
本文编辑|姚翔午
责任编辑|赵俊贤
点击左下角“阅读原文”访问浙江大学环境微生物课题组胡宝兰教授个人主页
历史文章推荐阅读
1.重要进展！浙大胡宝兰教授团队在Nat.Commun.发表最新研究成果！
2.研究成果|厌氧氨氧化对不同价态铁离子的响应及机制：基于预测和分类机器学习的新认知
3.研究成果|基于外源铁载体的anammox群落定向调控以实现高效脱氮
