近日，浙江大學生命科學學院程磊教授-肖璟研究員團隊在《Soil Biology & Biochemistry》期刊上發(fā)表題為“How nitrifiers denitrify?”的觀點分析文章。浙江大學生命科學學院張凱杭博士為本文第一作者，程磊教授為通訊作者。

團隊系統(tǒng)梳理了近期關(guān)于亞硝酸鹽還原酶和一氧化氮還原酶的酶學和熱力學研究進展。文章指出，傳統(tǒng)關(guān)注的含銅型亞硝酸鹽還原酶(NirK)以及細胞色素c依賴型一氧化氮還原酶(cNOR)，缺乏與跨膜“能量獲取”相耦合的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；同時，NirK的表達主要受亞硝酸鹽積累影響而非低氧直接調(diào)控，因此更可能主要承擔降低亞硝酸鹽及相關(guān)中間產(chǎn)物毒性的作用。相比之下，AOB體內(nèi)還廣泛存在一種含血紅素-銅中心的一氧化氮還原酶(sNOR)。根據(jù)理論推測，sNOR活性位點具有保守的質(zhì)子通道結(jié)構(gòu)：當AOB利用sNOR將NO還原時，可能同時跨膜轉(zhuǎn)運質(zhì)子并形成質(zhì)子驅(qū)動力(PMF)，從而在以氫氣、丙酮酸等非氨底物作為電子供體的厭氧呼吸中獲得可用能量。

AOB進行硝化菌反硝化的生理基礎(chǔ)與系統(tǒng)發(fā)育分布

通過對全球氨氧化細菌基因組數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)發(fā)育分析，團隊進一步發(fā)現(xiàn)，sNOR基因存在于近96%的已測序AOB基因組中，涵蓋了從陸地到海洋的廣泛譜系。相比之下，cNOR僅存在于約56%的AOB中，并在部分與缺氧生境相關(guān)的譜系中缺失。這一結(jié)果表明，利用sNOR介導反硝化作用來獲取能量，可能是AOB應對缺氧脅迫的一種普遍且核心的生存策略。

文章進一步指出，隨著氣候變化導致的全球水體和低地生態(tài)系統(tǒng)“脫氧”(deoxygenation)趨勢加劇，具備sNOR的AOB可能會在未來的缺氧環(huán)境中占據(jù)競爭優(yōu)勢。這將導致硝化菌反硝化過程成為全球N?O排放的一個重要且可能持續(xù)增長的來源，尤其是在受氣候變化影響顯著的水生和低地生態(tài)系統(tǒng)中。文章提出，未來的氣候模型亟需重新評估硝化菌反硝化的貢獻，以更準確地預測全球N?O排放趨勢。