《Nature Microbiology》全球氮之谜

开创性的研究揭示了氨氧化微生物是如何通过偏好不同的氮源而共存的，这极大地促进了我们对全球氮循环的理解，并为减少氮相关的环境污染提供了新的策略。

　　

俄克拉荷马大学领导的一项研究增强了对氨氧化的科学认识。

俄克拉荷马大学助理教授Wei Qin领导的一项新研究从根本上改变了人们对氨氧化的认识，氨氧化是全球氮循环的关键因素。这项研究最近发表在《Nature Microbiology》杂志上。

氨氧化微生物，通常被称为AOM，以氨为能量，每年在土壤、淡水、地下和人造生态系统中氧化约2.3万亿公斤的氮。几十年来一直没有答案的一个主要问题是不同的AOM物种如何在同一环境中共存:它们是竞争氨还是使用其他替代化合物来满足它们的能量需求?

“AOM的不同谱系在同一环境中同时生长，被认为主要是争夺氨，”Qin说。“我们的合作研究重点是确定这些代谢保守的谱系为什么以及如何能够在没有无机氮(氨)直接竞争的情况下共存，我们检查了它们使用有机氮(尿素)的能力。”

尿素在AOM多样性与共存中的作用

超过一半的AOM品种已经适应利用尿素作为替代能源，尿素是一种广泛存在的有机氮化合物，约占肥料中所有氮的40%。然而，这个过程需要AOM使用额外的能量，因为尿素是一种更复杂的分子结构，需要首先在AOM细胞内分解成氨，然后才能进一步利用。了解到这一点，秦的合作团队试图了解当氨和尿素同时存在时，AOM是如何获取和代谢氨和尿素的。

Qin说:“我们一直把尿素称为氨的替代底物。“现在，我们意识到AOM的主要谱系实际上更喜欢尿素，并在尿素存在时抑制氨的使用。这一发现挑战了自第一个AOM物种培育以来持续了100多年的主流假设。”

研究结果表明，不同的AOM谱系对氨或尿素的利用采用不同的调控策略，从而最大限度地减少彼此之间的直接竞争，并允许共存。这些不同的偏好揭示了一种隐藏的生理生物多样性，并对现实世界产生了影响，需要进一步探索。

“AOM会产生硝酸盐，渗入地下水和周围水体，导致富营养化，或者产生一氧化二氮，这是一种强大的温室气体，”Qin说。“一旦我们确定哪些AOM谱系更喜欢尿素，我们就可以研究它们对环境中硝酸盐浸出和温室气体产生的贡献。这对于开发可持续和实用的方法来减少自然和工程生态系统中的这些氮污染物是必要的。这可能是未来研究的重点。”

参考:“Ammonia-oxidizing bacteria and archaea exhibit differential nitrogen source preferences” by Wei Qin, Stephany P. Wei, Yue Zheng, Eunkyung Choi, Xiangpeng Li, Juliet Johnston, Xianhui Wan, Britt Abrahamson, Zachary Flinkstrom, Baozhan Wang, Hanyan Li, Lei Hou, Qing Tao, Wyatt W. Chlouber, Xin Sun, Michael Wells, Long Ngo, Kristopher A. Hunt, Hidetoshi Urakawa, Xuanyu Tao, Dongyu Wang, Xiaoyuan Yan, Dazhi Wang, Chongle Pan, Peter K. Weber, Jiandong Jiang, Jizhong Zhou, Yao Zhang, David A. Stahl, Bess B. Ward, Xavier Mayali, Willm Martens-Habbena and Mari-Karoliina H. Winkler, 31 January 2024, Nature Microbiology.