《Nature》- "单步硝化菌"，闭幕百年氮轮回教条

造成 发明的故事

一个在氮轮回圈的存在了一百多年的教条貌似要与世长辞了——英国《自然》和美国《迷信》杂志连续报道了一种叫COMAMMOX的微生物种群，中文天下里今朝貌似没人聊这个话题（最少百度搜不到）。作为能够或许是跟踪这个话题的中文第一人，小编权且私行叫它做完整氨氧化，又可俗称“一站式”硝化菌。但若是列位传授专家感觉有加倍得当的名字，接待指教。

“一站式”单步硝化菌

曩昔二十年，大师对微生物界的氮轮回的熟悉一向在不时的批改中进步，对此大师已感觉这外面不甚么是相对的。固然如斯，大师对这个轮回圈的此中一个“实际”仿佛又是再清楚切当不过了——那便是氮的硝化感化须要由两组差别的微生物分两步实现——先把氨氮(NH₃)氧化成亚硝态氮(NO^2–)，终究再氧化成硝态氮(NO^3–)。

这个实际最早是由俄国微生物界传奇维诺格拉斯基 (Sergei Winogradsky)早在19世纪末“胜利”展现，他分手出了担任这两步硝化的微生物，也便是所谓的AOB(ammonia oxidizing bacteria)和NOB(nitrite oxidizing bacteria)。但这个跨越100年汗青的教条在2015年圣诞节前被英国明星迷信杂志《自然》上的两篇同日颁发的标题题目类似的文章和随后一篇在美国微生物学会的文章闭幕了。三个迷信团队发明了三种差别的培育^[1,2]和一种非培育细菌^[3]能够或许各自停止从氨氮到硝态氮的完整硝化进程。

2016年1月22日最新一期的美国明星迷信杂志《迷信》也终究有了响应的综述性概念总结，这显现这个话题在外洋圈子愈来愈火。

荷兰奈梅亨团队的Mike Jetten的推特

若是你大学学过生归天学(固然还要有点物理化学的根本，比方你晓得(或还记得)甚么是吉布斯自在能之类的)，那你应当不难懂得，若是一个反映式在热力学上是可行的，那末实际上微生物是能找到方法让这个反映产生的。以是实际上，一个能够或许产生完整硝化反映的硝化菌(nitrifier)理当从单元摩尔的底物中获得更大的能量(energy)。

固然跟那些停止分步反映的微生物比拟，前者能够或许会因此长得更慢(低成长速度)。十年前，Costa及其团队^[4]对成长速度(growth rate)和成长量(growth yield)之间的衡量机制(trade-off)停止了摹拟，普通来讲前者罕见于长途代谢途径，尔后者标的目的于长线途径。他们发明这类衡量机制应当撑持完整硝化菌的存在，特别当微生物能在克隆群落(clonal colonies)迟缓成长时，比方生物膜，不管是自然的仍是野生的外表。

有了以上的铺垫，你能够或许就对这些完整氨氧化菌的存在不再感应过分诧异了，不管它是来自水生情况^[1]、公开深处的管道^[2]抑或是自来水处置厂的生物活性滤池^[3]。而在今朝发明的三个案例里，这类细菌都同属一个属Nitrospira (中文貌似叫硝化螺菌属)。而在此之前，Nitrospira一向被以为只能氧化亚硝态氮成硝态氮。

单步硝化反映和典范两步反映的对照图

显微镜下的Nitrospira的团簇的样子

至于这个COMAMMOX菌的细节，我就不在本文中持续细谈了，由于已超越了科普的规模，包含了微生物情况基因组(metagenome)乃至是CRISPR^[5] 等很多生物手艺的常识。感乐趣的伴侣若是想再深切领会信息，请浏览参考材料的文章(真的很高能，请自行筹办好充足多的ATP三磷酸腺苷前去旁观)。

文章最初，我想分享一下我和在自来水处置厂发明了这个COMAMMOX的英国格拉斯哥团队的第一作者，有着副传授头衔的Ameet Pinto的邮件交换。

2016年1月7号，我给刚搬到美国波士顿的他email了一个题目：“May I know how you would interpret the importance of this discovery and its long-term influence in the wastewater industry?” 用粗鄙的话诠释便是说，你感觉这发明对污水处置有毛影响吗？固然这小我是研讨自来水的…但他的答复和我也算是想到一个点上了——那便是COMAMMOX和ANAMMOX的合作性。以下是他答复的原文：

Indeed comammox is an exciting discovery and I think will have implications for nitrogen management. From a wastewater perspective, I think for now the focus may be on understanding how comammox may affect short-cut nitrification/denitrification processes and also trying to better understand the interactions between comammox and canonical AOB/AOA and NOB as well as anammox. It is really difficult to say more than this without appropriate experiments involving N balance in these systems.

{C}{C}

My particular interest is in drinking water and nitrification is very important. Within the drinking water plant comammox can be a positive influence in terms of ammonia removal, but in the distribution system it may affect the stability of disinfectant residual in chloraminated systems.

{C}{C}

I am quite interested in this and my group will certainly be focussing on this heavily in the near future. Who know what else will be discovered!

若是你的研讨标的目的和他类似，尽能够跟他接洽，他的推特账号是@watermicrobe，email是 a.pinto@neu.edu

Ameet的推特

本文就如许点到为止。小编不是学霸，如有手艺性毛病，敬请斧正。本文只旨在但愿这里给中国同业开一头，让国际科研团队也插手COMAMMOX的研讨雄师中。

参考文献

1.M.A.H.J. van Kessel et al., Nature 10.1038/nature16459 (2015).

2. H. Daims et al., Nature 10.1038/nature16461 (2015).

3. A. J. Pinto et al., mSphere 10.1128/mSphere.00054-15 (2015).

4. E. Costa, J. Perez, J. U. Kreft, Trends Microbiol. 14, 213 (2006).

5. A short journey into a metagenomic dataset - //merenlab.org/2015/12/09/musings-over-commamox/

6. A.E.Santoro, Science 20.2226/science.aad9671(2016)

(本文转载自微信公家号【奥尼卡水处置立异部落】)