Growth of complete ammonia oxidizers on guanidine

nature-完全氨氧化劑在胍上的生長

來源：Nature | Vol 633 | 19 September 2024

摘要核心內(nèi)容

 

發(fā)現(xiàn)：首次證實完全氨氧化菌（comammox）Nitrospira inopinata 能以胍（guanidine）作為唯一能源、電子供體和氮源實現(xiàn)化能自養(yǎng)生長（圖3f,g）。

 

機(jī)制：通過蛋白組學(xué)（Extended Data Fig. 4b）、酶動力學(xué)（圖4a）和晶體結(jié)構(gòu)（圖2d）證明其胍酶（guanidinase）功能；胍代謝受胍-I型核糖開關(guān)調(diào)控（圖1c）。

 

 

 

 

 

環(huán)境意義：污水廠（圖5）和農(nóng)業(yè)土壤（圖6）中comammox能利用胍進(jìn)行硝化，揭示其新生態(tài)位。

 

 

 

研究目的

 

探究氨氧化微生物（尤其comammox）能否代謝胍——一種穩(wěn)定且廣泛存在的含氮化合物（人類尿液、工業(yè)污染物）。

解析胍代謝的分子機(jī)制及環(huán)境相關(guān)性，拓展對氮循環(huán)的認(rèn)知。

 

研究思路

 

graph LR

A[生物信息篩選] --> B[純培養(yǎng)驗證]--> C[酶學(xué)與結(jié)構(gòu)解析] --> D[環(huán)境微生物驗證]--> E[生態(tài)意義分析]

 

基因組篩選：分析145個AOB和83個comammox基因組，發(fā)現(xiàn)76% comammox含胍酶通路（Extended Data Fig. 1；Supplementary Table 1）。

純培養(yǎng)實驗：以N. inopinata為模型，驗證胍作為唯一底物的生長能力（圖3）。

分子機(jī)制：

胍酶異源表達(dá)、純化及晶體結(jié)構(gòu)解析（圖2d；Extended Data Fig. 6）。

蛋白組學(xué)比較胍 vs 銨培養(yǎng)下的差異表達(dá)蛋白（Extended Data Fig. 4b-d）。

環(huán)境驗證：

污水廠活性污泥：添加胍后comammox胍酶基因轉(zhuǎn)錄顯著上調(diào)（圖5a,b）。

農(nóng)業(yè)土壤：胍在硝化活性土壤中被氧化為硝酸鹽，且被乙酰炔抑制（圖6e）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

測量數(shù)據(jù) 來源圖表 研究意義

胍降解動力學(xué) 圖4a（酶動力學(xué)）、圖4b（全細(xì)胞） 揭示胍酶高催化效率（Km=13.6 mM），但全細(xì)胞胍氧化親和力極高（Km(app)=1.34 μM），說明細(xì)胞高效攝取胍（Extended Data Table 1）。

同位素標(biāo)記生長 圖3f,g（15N-胍/13C-碳酸氫鹽） 直接證明胍提供氮源、碳酸氫鹽提供碳源，支持化能自養(yǎng)生長。

污水廠轉(zhuǎn)錄組 圖5a,b（胍酶基因TPM值） 胍添加后comammox胍酶和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)上調(diào)2.6倍（Padj<10-8），證實環(huán)境中的功能活性。

土壤氮轉(zhuǎn)化 圖6a,e（硝酸鹽積累與胍降解） 胍僅在硝化活性土壤中被降解為NO3-，且被乙酰炔抑制，證明依賴氨氧化微生物。

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

數(shù)據(jù)來源：圖4b、Extended Data Fig. 7a-d

技術(shù)原理：使用丹麥Unisense微呼吸儀（MicroRespiration system）監(jiān)測胍依賴的耗氧率，通過底物特異性耗氧動力學(xué)反推代謝活性。

 

關(guān)鍵結(jié)果與意義：

 

全細(xì)胞胍氧化動力學(xué)：

胍濃度≤400 μM時，耗氧率符合米氏方程（圖4b），計算得：

Km(app) = 1.34 ± 0.25 μM（極高親和力）

ao（底物特異性親和力）= 21.6 L/g細(xì)胞/h

意義：comammox對胍的親和力顯著高于多數(shù)AOA/AOB對NH3的親和力（Extended Data Fig. 7e-g），使其在低胍環(huán)境中具競爭優(yōu)勢。

 

胍抑制效應(yīng)：

胍濃度>400 μM時抑制呼吸活性（Extended Data Fig. 7c,d），抑制常數(shù)Ki = 1.8 mM。

意義：高胍環(huán)境（如工業(yè)廢水）可能抑制comammox，但自然濃度（尿液2-20 μM）遠(yuǎn)低于抑制閾值。

 

方法學(xué)優(yōu)勢：

直接測量完整細(xì)胞的代謝通量（包含胍攝取→酶解→氨氧化→呼吸鏈全過程），比離體酶實驗更貼近生理狀態(tài)。

首次量化comammox胍代謝的完整動力學(xué)參數(shù)，為環(huán)境模型提供關(guān)鍵參數(shù)。

 

結(jié)論

 

生理突破：Comammox是首個被證實以胍為唯一生長基質(zhì)的微生物，其胍酶途徑無需ATP（區(qū)別于其他細(xì)菌的胍羧化酶途徑），能量效率更高。

生態(tài)意義：胍作為新型氮源拓展了comammox的生態(tài)位（污水、土壤），可能促進(jìn)其與AOB/AOA共存（因底物分化）。

應(yīng)用潛力：胍選擇性培養(yǎng)基可分離新comammox菌株；胍類污染物（如二甲雙胍）的降解或依賴comammox。