科姆莫-陆地氮循环中新发现的硝化过程外文翻译资料

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J Soils Sediments (2017) 17:2709–2717

DOI 10.1007/s11368-017-1851-9

科姆莫-陆地氮循环中新发现的硝化过程

Hang-Wei Hu1,2 amp; Ji-Zheng He1

Received: 11 September 2017 / Accepted: 10 October 2017 / Published online: 18 October 2017

• Springer-Verlag GmbH Germany 2017

摘要：

试验目的：硝化作用是微生物将氨氧化成硝酸盐的过程，是生物地球化学氮循环的重要组成部分。硝化可分为两个过程，氨氧化被氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB），以及被亚硝酸盐氧化细菌（NOB）催化。然而，这两个功能组之间的长期分工却受到了挑战，原因是在一个生物体（Comammox）中，人们意外的发现了硝化螺属中的完全氨氧化酶，能够将氨转化为硝酸盐。这一突破引出了陆地生态系统中同源微生物与其他典型硝化原核生物生态位专一性和分化的基本问题。

本文的材料和方法综述了近年来对Comammox有机体的基因组分析、生理特性和环境调查的研究进展，这些都极大地改变了我们对好氧硝化过程的看法，通过定量的PCR分析，比较了我国300个不同土壤酸碱度的森林土壤样品中螺旋菌A、B、AOA、AOB和NOB的数量。

Responsible editor: Zhihong Xu

• Ji-Zheng He jzhe@rcees.ac.cn

1. Faculty of Veterinary and Agricultural Sciences, The University of Melbourne, Parkville, VIC 3010, Australia
2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

结果和讨论表明，在自然环境和工程环境中，螺旋菌是一种分布广泛、数量丰富的环境菌。一系列包括氨氧化动力学和代谢多样性的生理数据数据，以及比较基因组分析表明，在高度低营养条件下，Comammox有机体的功能可能优于其他典型硝化菌。这些发现强调了在未来的研究中，有必要重新评估氨氧化微生物群体之间的生态位差异及其对各种陆地生态系统硝化作用的相对贡献，其中包括在这些比较中加入Comammox螺旋菌。

结论：Comammox的发现及其广泛的环境分布为我们对硝化的生物化学和生理学的认识增拓展了新视野，并对认识陆地生态系统的硝化过程、最大限度地提高农业生产力和可持续性具有深远的意义。

关键词：氨氧化，Comammox完全硝化，生态位分离，亚硝酸盐氧化，硝螺旋菌。

1 Comammox的发现：一种转变模式

微生物通过亚硝酸盐(NO₂^minus;)将氨(NH₃)氧化为为硝酸盐(NO₃^minus;)，称为硝化，是生物地球化学氮（N）循环的主要过程（图1）（Prosser 2011年）。传统上认为氨氧化 (NH₃ → NO₂^minus;)和亚硝酸盐氧化(NO₂^minus; → NO₃^minus;)这两个连续的硝化步骤分别由两个生理上不同的氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）分别催化，它们的密切合作对于氨完全转化为硝酸盐很重要（Costa et al. 2006)。

图1是氮循环的主要过程。传统的硝化反应被认为是两个反应过程，由两个有机官能团的生物群体完成，分别为氨氧化微生物群体（AOA和AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）。近年来的研究表明，Comammox硝基螺旋菌既可以进行硝化反应，又可利用新的底物生成铵。（缩写：DNRA，异种还原铵）

自从发现氨氧化古菌（AOA）作为第二大氨氧化微生物群体(Kouml;nneke et al. 2005)以来，硝化研究为揭示AOA的生态位多样性和生态意义提供了动力，AOA在陆地生态系统中普遍存在且数量丰富(Leininger et al. 2006; He et al. 2007, 2012; Prosser and Nicol 2012; Hu et al. 2014)。尽管AOA和AOB对硝化作用的相对贡献仍存在争议，但是根据AOA和AOB的生理、细胞和基因组差异，越来越多的证据支持它们的生态位分离。高代谢效率以及高底物含量适合酸性土壤和氮环境中AOA的低级营养生活方式 (He et al. 2007, 2012; Lehtovirta-Morley et al. 2011; Zhang et al. 2012; Hu et al. 2015b)。除了它们在硝化过程中的作用很重要以外，AOA还可以在很大程度上促进氧化亚氮(N₂O)的形成 (Stieglmeier et al.2014; Hink et al. 2016)——氧化亚氮(N₂O)是一种强烈的温室气体和一种消耗臭氧层的主要物质 (Hu et al. 2015a, 2017)。相比之下，NOB，包括硝化螺属、硝化细菌属和硝化球菌属的成分，相比之下受到较少的关注，尽管研究发现，在各种生态系统中，硝基螺的数量超过了AOA和AOB的数量(Foesel et al.2008;Gruber-Dorninger et al. 2015)。

一个多世纪以来，氨氧化微生物群体和NOB这两种不同的有机物对这两个硝化步骤的催化作用一直是硝化研究中的主要内容 (Costa et al. 2006)。利用氨氧化与亚硝酸盐氧化的紧密耦合，解释了镍三氧化二氮联合体 (Arp and Bottomley 2006)中氨氧化微生物群体与NOB的频繁共存。然而，这种功能性分离长期以来困扰着科学家，因为理论上认为，与分离的硝化步骤相比，一个生物体内氨完全氧化为硝酸盐具有更大的能量优势(Costa et al. 2006)。因此，假设在自然界中存在一种比标准氨氧化微生物群体生长速率低但生长产量高的生物体，以执行两个硝化步骤(Costa et al. 2006)。这种生物体为完全硝化微生物群体（被称为Bcomammox^—完全氨氧化微生物群体）。在氨耗尽的生物膜、微生物聚集体、土壤和沉积物中，可能比传统氨氧化微生物群体和NOB更具有竞争优势，其中Comammox不必与伴随有机体共享硝化产生的能 (Costa et al. 2006;Kuypers 2015; Nunes-Alves 2016)。

这一假设最近被证明是正确的，因为细菌有机体的能够在深油井中完全硝化 (Daims et al. 2015)以及水产养殖系统 (van Kessel et al. 2015)通过生长生物膜样品，能连续供应低浓度铵。与已知的氨氧化微生物群体和NOB相比，在组装完成的Comammox硝基螺全基因组中，包含氨氧化单加氧酶（AMO）和羟胺脱氢酶（HAO）的全套基因，以及亚硝酸盐氧化还原酶(NXR) 的全套基因被亚硝酸盐氧化 (Daims et al. 2015; van Kessel et al. 2015; Camejo et al. 2017)。表明了其完全硝化的遗传能力。两项经过大量研究的Comammox有机体被重新划分为广泛分布的硝基螺属的第二代，这表明Comammox硝基螺可能是陆地和水生生态系统中常见的硝化物(Daims et al. 2015, 2016)。Comammox的存在可能有助于解释以前的观察结果，例如 (1) 如果Comammox硝基螺在完全硝化过程中不释放中间产物亚硝酸盐，则环境中亚硝酸盐浓度通常较低。(2) 如果其中的一些硝基螺属于Comammox，则硝基螺细菌的数量通常超过AOA和 AOB(Wang et al. 2015; Daims et al. 2016)。

这些发现从根本上改变了我们对好氧硝化过程中微生物调控的观点，并指出，在生物地球化学氮循环中，Comammox硝基螺作为一种新的、重要的硝化物种，其作用很大程度没有被重视(Kuypers 2015; Nunes-Alves 2016; Santoro 2016)。考虑到Comammox潜在的生态重要性、我们对于这类新型氨氧化微生物群体的有限认识、大量的Comammox有机体的生化和生理特性、Comammox的环境调查、还有它们在各种生态系统中对硝化作用的相对影响。其将在不久的将来成为硝化研究的新热点。

1. Comammox硝基螺的环境相关性

硝基螺属植物完全硝化的新代谢能力的发现，引发了人们对不同生态系统中的生态意义和环境关系的重新认识。在许多已经发表的数据库中，基于大量的Comammox氨氧化的功能基因序列，（amoA、amoB、amoC和hao基因）对环境样本进行了超基因组筛选，结果显示在一系列陆生以及水生生态系统中普遍存在已经假定的Comammox硝基螺。包括农业土壤、淡水栖息地、废水处理厂（WWTPS）以及饮用水处理系统(Daims et al. 2015; van Kessel et al.2015; Pinto et al. 2015; Palomo et al. 2016; Bartelme et al.2017; Wang et al. 2017) （表1）。Comammox-amoA基因序列与一些以前经分配的未经过培养的甲烷转化酶的甲烷单加氧酶序列存在着高度的相似(Daims et al. 2015; van Kessel et al. 2015)。因此，以前基于PCR的研究可能已经在环境样本中将Comammox-amoA基因错误的划分为Crenothrix-pmoA基因(Stoecker et al. 2006)。这些研究结果表明，Comammox硝基螺可能比以前想象的具有更加广泛的环境分布，必须将其纳入生态系统的未来硝化研究中。

为了进一步研究该菌的数量、多样性和分布情况，需要采用定量PCR等与培养无关的方法来更有效地检测和定量研究环境样品中的Comammox硝基螺。AMO（AmoA）的亚单位A形成了一个明显的簇，与AOA和AOB amoA基因分离，这就表明了amoA基因可以作为一种针对Comammox有机体的适合系统发育的标记 (Pjevac et al. 2017)。根据Comammox-amoA基因的系统发育，将Comammox硝基螺置于两个单系姐妹族clade A和clade B之中(Daims et al. 2015; van Kessel et al. 2015)。最近的一项研究 (Pjevac et al. 2017)，通过使用新设计的引物，在一些工程系统、稻田土壤、森林土壤、水稻根际和咸水湖沉积物中检测到含有独特amoA基因的Comammox有机体的多样性(Pjevac et al. 2017)。Comammox amoA clade A占水处理厂活性污泥中amoA基因总数量的14-34%，这表明了Comammox很有可能是该工程系统硝化的最重要的贡献者(Pjevac et al. 2017)。森林和水稻土壤中Comammox amoA基因和AOA以及AOB amoA基因的数量差不多，这就表明了Comammox有机体在陆地生态系统中也具有一定的功能相关性(Pjevac et al. 2017)。我们进一步用该引物测定了我国5个森林生物群落中300个森林土壤样品中Comammox，AOA，AOB和NOB的数量(Wang et al. 2016)。经研究发现，在这些森林土壤中，两个亚硝化Comammox的分支的数量都非常大，并且在整个土壤ph梯度上比AOB和NOB更具优势（图2）。在碱性土壤中，Comammox clade A和AOA的数量相当，但在酸性土壤中，Comammox clade A的数量比AOA大（图2）。同样在生物过滤器中，Comammox硝基螺是数量最大的氨氧化微生物群体（约1.9倍AOA） (Bartelme et al. 2017)，而在来自复枪土壤的三个超基因组数据集中，AOA的含量大约是Comammox硝基螺含量的3.8到10.5倍(Wrighton et al. 2012; Daims et al. 2015)。广泛存在的Comammox硝基螺与以前的发现大体一致，即在不同的生境中存在一些未经过特征化的Comammox硝基螺群(Ke et al. 2013; Pester et al. 2014)。尽管我们刚刚开始了解Comammox的环境相关性，但这些发现对全球氮循环具有重要意义，尤其是当这些生物体在功能上有完全硝化的活性时。随着从环境中检索到越来越多的Comammox序列，将需要更精细、覆盖率更高的引物来更好地从陆地生态系统中捕获Comammox硝基螺。

1. Comammox硝基螺与标准硝化菌的生态位分离

研究发现Comammox硝基螺作为土壤中有限氨源的新竞争对手及其与AOA和AOB的共存，需要重新评估生态位划分以及Comammox硝基螺及其他硝化原核生物对硝化

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