新发现的氨氧化菌能力或有助于减少农业中的一氧化二氮排放

维也纳大学微生物与环境系统科学中心 (CeMESS) 领导的国际研究小组发现，他们于 2015 年首次发现的 comammox 细菌能够以富含氮的有机化合物胍作为唯一的能量和氮源进行生长。这种独特的能力为有针对性地培养这些神秘的微生物开辟了新途径，也可能为减少农业一氧化二氮排放提供关键。

硝化作用是指将氨通过亚硝酸盐转化为硝酸盐的过程，由一种称为硝化菌的特殊微生物完成。这一过程对于几乎所有生态系统中的全球生物地球化学氮循环都极为重要，但它在全球变化中扮演着矛盾的角色。

一方面，硝化作用会导致强效温室气体和臭氧消耗物质一氧化二氮的排放，并导致农业中大量肥料损失，从而导致水体富营养化。另一方面，硝化作用是污水处理厂去除营养物质的生物净化步骤中不可或缺的，从而保护水体免受污水中过量氮的输入。该研究的作者现在已经找到了一种可能在环境中促进硝化细菌排放较少一氧化二氮的方法。

“绿色”硝化菌

Comammox 细菌被认为是“绿色”硝化菌，因为与许多其他硝化菌不同，它们在代谢过程中只产生少量的一氧化二氮副产品，并能有效地去除污水处理厂废水中的氮化合物。自 19 世纪发现硝化菌以来，人们一直认为这些微生物只能呼吸氨和尿素。2015 年，Michael Wagner 和 Holger Daims 领导的研究小组证明，一些硝化菌也可以利用化学不稳定的氰酸盐进行能量代谢。

“在最近发表的论文中，我们的团队已经表明，comammox 细菌也能在非常规底物胍的情况下生长，”该研究的第一作者 Marton Palatinszky 解释道。“comammox 细菌使用一种转运蛋白和一种酶，我们在结构和功能上对其进行了详细描述，这使得它们能够在细胞内以高能效的方式从胍中生产铵。”

胍是微生物和植物的代谢产物。人们对其在人类和动物代谢中的作用知之甚少。它是在土壤中合成肥料添加剂降解过程中形成的，也是在废水中常用药物二甲双胍分解过程中形成的。然而，人们对胍在环境中的分布和进一步加工知之甚少。

该国际研究团队由来自德国莱比锡亥姆霍兹环境研究中心和丹麦奥尔堡大学的微生物学家组成，他们证实胍不仅存在于人类尿液中，也存在于牲畜排泄物中，并且氨氧化菌在污水处理厂中利用胍。他们还表明胍在农业土壤中被硝化菌代谢。

种植和减少一氧化二氮的新机遇

目前，维也纳的微生物学家正尝试利用胍从环境样本中富集和分离广泛存在的氨氧化细菌，因为目前全世界只有一种菌株可进行纯培养。

“这似乎特别有希望，因为我们测试的其他硝化菌种都不能以胍作为唯一的能量和氮源生长，”CeMESS 高级科学家 Katharina Kitzinger 解释道。该团队还想研究在农业肥料中添加胍是否可以增加耕地土壤中氨氧化菌的数量，从而减少农业一氧化二氮的排放。

研究负责人瓦格纳说：“如果没有 2023 年启动的‘微生物组驱动地球健康’卓越集群中众多研究人员的密切合作，这项工作就不可能实现。我们向奥地利科学基金 (FWF) 的特别支持表示诚挚的感谢。”

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