Nitrous oxide respiration in acidophilic methanotrophs

嗜酸性甲烷菌中的一氧化二氮呼吸

來(lái)源：Nature Communications | (2024) 15:422

 

摘要核心內(nèi)容

 

發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)認(rèn)為嚴(yán)格需氧的甲烷氧化菌（如Methylocella tundrae和Methylacidiphilum caldifontis）可在厭氧條件下以N?O為電子受體生長(zhǎng)，甚至在pH 2.0的極端酸性環(huán)境中實(shí)現(xiàn)N?O還原（突破已知微生物N?O消耗的pH極限）。

關(guān)鍵機(jī)制：

Methylocella tundrae在低氧條件下同時(shí)消耗CH?和N?O，其N(xiāo)?O還原酶（N?OR）在O?存在時(shí)仍保持活性。

添加N?O可提高O?限制條件下CH?氧化效率（單位O?氧化的CH?量增加37%）。

生態(tài)意義：該能力使甲烷氧化菌在動(dòng)態(tài)環(huán)境中擴(kuò)大生態(tài)位，同步減少CO?、CH?和N?O三種溫室氣體的釋放。

 

研究目的

 

驗(yàn)證含*N?O還原酶基因（nosZ）*的甲烷氧化菌能否以N?O為電子受體生長(zhǎng)。

闡明其在厭氧/低氧環(huán)境中的代謝靈活性及對(duì)溫室氣體減排的貢獻(xiàn)。

解析N?O還原與O?呼吸的協(xié)同機(jī)制。

 

研究思路

 

基因組篩選：

分析1,200+個(gè)甲烷氧化菌基因組，發(fā)現(xiàn)來(lái)自Pseudomonadota、Verrucomicrobiota和Gemmatimonadota門(mén)的菌株含clade I/II nosZ基因（圖1，補(bǔ)充數(shù)據(jù)集1）。

 

生理驗(yàn)證：

選擇含完整nos操縱子的菌株（M. tundrae T4和M. caldifontis IT6）進(jìn)行厭氧培養(yǎng)，以甲醇、丙酮醇、丙酮酸或H?為電子供體，N?O為電子受體（圖2）。

 

 

動(dòng)力學(xué)與耐受性：

微呼吸儀（Microrespirometry, MR）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解O?/N?O濃度變化，測(cè)試N?OR對(duì)O?的敏感性（圖4, 5）。

 

 

轉(zhuǎn)錄組分析：

比較厭氧（CH?OH + N?O）、低氧（CH? + O? + N?O）和好氧條件下的基因表達(dá)差異（圖6）。

 

生態(tài)關(guān)聯(lián)：

關(guān)聯(lián)酸性濕地（如泥炭地）中N?O減排與甲烷氧化菌的分布。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)測(cè)量及意義

1. 厭氧生長(zhǎng)與N?O還原（圖2, 表2）

 

數(shù)據(jù)：

M. tundrae T4和M. caldifontis IT6在厭氧條件下以N?O為電子受體生長(zhǎng)（OD???↑），N?O被還原至N?；陰性對(duì)照菌（無(wú)nosZ）不生長(zhǎng)。

生物量產(chǎn)率：厭氧N?O呼吸（4.64 g DW/mol N?O）顯著低于好氧O?呼吸（10.41 g DW/mol O?）（因N?O呼吸不泵質(zhì)子，能量守恒效率低）。

意義：首次證實(shí)甲烷氧化菌的厭氧生長(zhǎng)依賴(lài)N?O呼吸，拓展了其生存策略。

 

2. N?O還原的pH極限（圖2H）

 

數(shù)據(jù)：M. caldifontis IT6在pH 2.0下實(shí)現(xiàn)N?O還原（此前記錄為pH 5.7）。

意義：揭示酸性環(huán)境（如泥炭地、熱泉）中微生物N?O消耗的潛力，挑戰(zhàn)了“酸性抑制N?O還原”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

 

3. O?與N?O的協(xié)同代謝（圖4, 5, 表1）

 

數(shù)據(jù)（丹麥Unisense電極測(cè)量）：

M. tundrae T4在低氧條件（5–170 μM O?）下同步還原O?和N?O（圖5A-B），N?O還原速率達(dá)1.32 ± 0.25 mmol·h?1·g DW?1（表1）。

添加N?O后，單位O?氧化的CH?量增加37%，生物量增加34%（表2）。

意義：

Unisense電極的高靈敏度（檢測(cè)限：O? 0.3 μM, N?O 0.1 μM）首次實(shí)時(shí)揭示甲烷氧化菌在微氧界面協(xié)調(diào)O?（用于CH?活化）和N?O（用于呼吸）的能力，為理解動(dòng)態(tài)環(huán)境中溫室氣體協(xié)同減排提供機(jī)制基礎(chǔ)。

 

4. 轉(zhuǎn)錄調(diào)控響應(yīng)（圖6, 補(bǔ)充圖9-11）

 

數(shù)據(jù)：

nos操縱子基因在厭氧/低氧條件下上調(diào)2–10.7倍。

厭氧生長(zhǎng)時(shí)，Zn2?依賴(lài)型甲醇脫氫酶（T4_03199）表達(dá)上調(diào)13.8倍，替代需氧的PQQ依賴(lài)型酶。

意義：闡明N?O呼吸的分子基礎(chǔ)及碳代謝途徑的適應(yīng)性重編程。

 

核心結(jié)論

 

厭氧生長(zhǎng)能力：含clade I/II nosZ的甲烷氧化菌能以N?O為電子受體，利用甲醇、C?–C?底物或H?厭氧生長(zhǎng)。

極端酸性耐受：N?O還原可在pH 2.0下進(jìn)行，拓寬了微生物N?O消耗的已知生理極限。

代謝靈活性：

M. tundrae通過(guò)同時(shí)利用O?和N?O優(yōu)化低氧條件下的CH?氧化與生長(zhǎng)。

N?O呼吸釋放的O?可被優(yōu)先用于甲烷單加氧酶（MMO），提升CH?處理效率。

生態(tài)與氣候意義：該類(lèi)菌株可定殖于濕地氧-厭氧界面，同步減少CH?和N?O排放，為酸性生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體減排提供新策略。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的特殊研究意義

 

丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（OX-MR和N?O-MR傳感器）在本研究中發(fā)揮了以下關(guān)鍵作用：

 

高分辨率動(dòng)力學(xué)：

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解O?/N?O的μM級(jí)變化（圖4, 5），揭示M. tundrae在O?存在下仍保持N?OR活性（傳統(tǒng)認(rèn)為O?強(qiáng)烈抑制N?OR）。

代謝協(xié)同的直接證據(jù)：

捕捉到CH?氧化過(guò)程中O?與N?O的同步消耗（圖5A-B），證明電子傳遞鏈可同時(shí)利用兩種電子受體。

定量能量分配：

精確測(cè)定N?O還原速率（表1），發(fā)現(xiàn)低氧條件下N?O呼吸速率（1.32 mmol·h?1·g DW?1）高于O?呼吸（0.95 mmol·h?1·g DW?1），說(shuō)明N?O作為"電子溢流通道"的重要性。

環(huán)境真實(shí)性：

模擬自然環(huán)境中瞬態(tài)氧濃度波動(dòng)（如濕地水淹-落干循環(huán)），為模型預(yù)測(cè)提供參數(shù)。

 

總結(jié)

 

本研究通過(guò)多組學(xué)與生理實(shí)驗(yàn)證明，酸性甲烷氧化菌具有獨(dú)特的N?O呼吸能力，可在厭氧/酸性環(huán)境中生長(zhǎng)，并通過(guò)協(xié)調(diào)O?與N?O代謝提升CH?氧化效率。Unisense電極數(shù)據(jù)為理解這一過(guò)程提供了高時(shí)空分辨率的動(dòng)力學(xué)證據(jù)，凸顯了該類(lèi)菌株在溫室氣體減排中的應(yīng)用潛力。