首次成功在一氧化氮上培养了一个由两种迄今为止未知的物种主导的微生物群落

　　一氧化氮(NO)是全球氮循环的中心分子，也是有毒的。对于微生物是否以及如何利用NO作为生长基质，我们知之甚少。科学家们现在已经成功地在一氧化氮上培养了一个由两种迄今为止未知的物种主导的微生物群落，并对它们的新陈代谢进行了四年多的详细研究。他们的研究为no呼吸微生物的生理学提供了见解，这些微生物在控制气候活性气体，废物清除以及硝酸盐和氧气呼吸的演变中起着关键作用。

　　

一氧化氮(NO)是一种迷人而多功能的分子，对所有生物和环境都很重要。它是一种高活性和有毒的物质，生物体将其作为一种信号分子，它消耗我们星球大气中的臭氧层，它是温室气体一氧化二氮(N2O)的前体。此外，一氧化氮可能在地球上生命的出现和进化中发挥了重要作用，因为早在氧气出现之前，一氧化氮就作为一种高能氧化剂存在了。

因此，尽管一氧化氮有毒性，但微生物利用一氧化氮生长是完全合理的。然而，关于这一主题的研究很少，到目前为止，还没有培养出在其上生长的微生物。德国不来梅马克斯普朗克海洋微生物研究所的Paloma Garrido Amador和Boran Kartal的科学家在《自然微生物学》杂志上报道说，这种情况现在已经改变了。他们成功地富集了两种未知的微生物，这些微生物生长在生物反应器中的NO上，并揭示了它们生活方式的令人兴奋的方面。

从废水池到生物反应器

这项研究从不来梅的污水处理厂开始。“我们从他们的反硝化罐中收集污泥，”加里多·阿马多尔说。“回到我们的实验室，我们将污泥添加到我们的一个生物反应器中，并通过给它喂食NO来开始孵化。”生物反应器的设计和优化是为了在受控条件下生长微生物，这些条件非常接近于它们的自然环境。然而，加里多·阿马多尔报道说，这种生物反应器的设置非常具有挑战性，“因为NO是有毒的，我们需要特殊的设备，并且为了我们自己的安全，在处理它们时必须非常小心。”尽管如此，我们还是设法让这些培养物生长了四年多，它们仍然快乐健康!”

两种新的微生物

因此，生物反应器中的生存条件有利于微生物在NO的厌氧条件下生存和生长。不来梅马克斯·普朗克研究所微生物生理学研究小组组长博兰·卡尔塔尔说:“最终，两种以前未知的物种在培养中占据了主导地位。”“我们将它们命名为Nitricoxidivorans perserans和Nitricoxidireducens bremensis。”Garrido Amador补充说:“仅从两种在NO上生长的微生物中，我们就非模型微生物，特别是NO还原剂如何生长获得了宝贵的见解。我们的一些观察向我们表明，这些微生物不符合模式生物的行为——模式生物很容易培养，因此被广泛研究——并且显示了仅基于基因组分析的代谢预测的局限性。”

废物清除在环境和应用中的重要性

Kartal解释说:“目前我们对自然和工程环境中生长在NO上的微生物对氮循环的贡献知之甚少。”“尽管如此，我们可以推测，这些微生物可能以其他微生物释放的NO和N2O为食，同时消除亚硝化应激，最大限度地减少这些气候活性气体向大气的排放。”

富集的微生物将NO高效转化为二氮(N2)。“实际上没有温室气体一氧化二氮的排放，”卡尔塔尔补充说。后者是氮气的唯一生产，与应用特别相关:许多其他微生物将NO转化为一氧化二氮，这是一种强有力的温室气体。相反，N2是无害的。因此，每一个转化为氮气而不是氧化亚氮的一氧化氮分子，对气候变化的影响就少一个分子。

下一步，马克斯普朗克的研究人员正在使用自然和工程环境中的样本培养其他no呼吸微生物。“培养和富集更多的no呼吸微生物将有助于阐明n -氧化物还原途径和所涉及的酶的进化。它还将允许破译一氧化氮在已知和未知的氮循环过程中的作用，以及它在这些过程发生的自然和工程环境中的重要性。Garrido Amador总结道。

Journal Reference:

1. Paloma Garrido-Amador, Niek Stortenbeker, Hans J. C. T. Wessels, Daan R. Speth, Inmaculada Garcia-Heredia, Boran Kartal. Enrichment and characterization of a nitric oxide-reducing microbial community in a continuous bioreactor. Nature Microbiology, 2023; DOI: 10.1038/s41564-023-01425-8