Nitrous oxide respiration in acidophilic methanotrophs

嗜酸性甲烷菌中的一氧化二氮呼吸

來源：Nature Communications | (2024) 15:422

 

摘要核心內容

 

發現：傳統認為嚴格需氧的甲烷氧化菌（如Methylocella tundrae和Methylacidiphilum caldifontis）可在厭氧條件下以N?O為電子受體生長，甚至在pH 2.0的極端酸性環境中實現N?O還原（突破已知微生物N?O消耗的pH極限）。

關鍵機制：

Methylocella tundrae在低氧條件下同時消耗CH?和N?O，其N?O還原酶（N?OR）在O?存在時仍保持活性。

添加N?O可提高O?限制條件下CH?氧化效率（單位O?氧化的CH?量增加37%）。

生態意義：該能力使甲烷氧化菌在動態環境中擴大生態位，同步減少CO?、CH?和N?O三種溫室氣體的釋放。

 

研究目的

 

驗證含*N?O還原酶基因（nosZ）*的甲烷氧化菌能否以N?O為電子受體生長。

闡明其在厭氧/低氧環境中的代謝靈活性及對溫室氣體減排的貢獻。

解析N?O還原與O?呼吸的協同機制。

 

研究思路

 

基因組篩選：

分析1,200+個甲烷氧化菌基因組，發現來自Pseudomonadota、Verrucomicrobiota和Gemmatimonadota門的菌株含clade I/II nosZ基因（圖1，補充數據集1）。

 

生理驗證：

選擇含完整nos操縱子的菌株（M. tundrae T4和M. caldifontis IT6）進行厭氧培養，以甲醇、丙酮醇、丙酮酸或H?為電子供體，N?O為電子受體（圖2）。

 

 

動力學與耐受性：

微呼吸儀（Microrespirometry, MR）實時監測溶解O?/N?O濃度變化，測試N?OR對O?的敏感性（圖4, 5）。

 

 

轉錄組分析：

比較厭氧（CH?OH + N?O）、低氧（CH? + O? + N?O）和好氧條件下的基因表達差異（圖6）。

 

生態關聯：

關聯酸性濕地（如泥炭地）中N?O減排與甲烷氧化菌的分布。

 

關鍵數據測量及意義

1. 厭氧生長與N?O還原（圖2, 表2）

 

數據：

M. tundrae T4和M. caldifontis IT6在厭氧條件下以N?O為電子受體生長（OD???↑），N?O被還原至N?；陰性對照菌（無nosZ）不生長。

生物量產率：厭氧N?O呼吸（4.64 g DW/mol N?O）顯著低于好氧O?呼吸（10.41 g DW/mol O?）（因N?O呼吸不泵質子，能量守恒效率低）。

意義：首次證實甲烷氧化菌的厭氧生長依賴N?O呼吸，拓展了其生存策略。

 

2. N?O還原的pH極限（圖2H）

 

數據：M. caldifontis IT6在pH 2.0下實現N?O還原（此前記錄為pH 5.7）。

意義：揭示酸性環境（如泥炭地、熱泉）中微生物N?O消耗的潛力，挑戰了“酸性抑制N?O還原”的傳統認知。

 

3. O?與N?O的協同代謝（圖4, 5, 表1）

 

數據（丹麥Unisense電極測量）：

M. tundrae T4在低氧條件（5–170 μM O?）下同步還原O?和N?O（圖5A-B），N?O還原速率達1.32 ± 0.25 mmol·h?1·g DW?1（表1）。

添加N?O后，單位O?氧化的CH?量增加37%，生物量增加34%（表2）。

意義：

Unisense電極的高靈敏度（檢測限：O? 0.3 μM, N?O 0.1 μM）首次實時揭示甲烷氧化菌在微氧界面協調O?（用于CH?活化）和N?O（用于呼吸）的能力，為理解動態環境中溫室氣體協同減排提供機制基礎。

 

4. 轉錄調控響應（圖6, 補充圖9-11）

 

數據：

nos操縱子基因在厭氧/低氧條件下上調2–10.7倍。

厭氧生長時，Zn2?依賴型甲醇脫氫酶（T4_03199）表達上調13.8倍，替代需氧的PQQ依賴型酶。

意義：闡明N?O呼吸的分子基礎及碳代謝途徑的適應性重編程。

 

核心結論

 

厭氧生長能力：含clade I/II nosZ的甲烷氧化菌能以N?O為電子受體，利用甲醇、C?–C?底物或H?厭氧生長。

極端酸性耐受：N?O還原可在pH 2.0下進行，拓寬了微生物N?O消耗的已知生理極限。

代謝靈活性：

M. tundrae通過同時利用O?和N?O優化低氧條件下的CH?氧化與生長。

N?O呼吸釋放的O?可被優先用于甲烷單加氧酶（MMO），提升CH?處理效率。

生態與氣候意義：該類菌株可定殖于濕地氧-厭氧界面，同步減少CH?和N?O排放，為酸性生態系統溫室氣體減排提供新策略。

 

Unisense電極數據的特殊研究意義

 

丹麥Unisense微電極系統（OX-MR和N?O-MR傳感器）在本研究中發揮了以下關鍵作用：

 

高分辨率動力學：

實時監測溶解O?/N?O的μM級變化（圖4, 5），揭示M. tundrae在O?存在下仍保持N?OR活性（傳統認為O?強烈抑制N?OR）。

代謝協同的直接證據：

捕捉到CH?氧化過程中O?與N?O的同步消耗（圖5A-B），證明電子傳遞鏈可同時利用兩種電子受體。

定量能量分配：

精確測定N?O還原速率（表1），發現低氧條件下N?O呼吸速率（1.32 mmol·h?1·g DW?1）高于O?呼吸（0.95 mmol·h?1·g DW?1），說明N?O作為"電子溢流通道"的重要性。

環境真實性：

模擬自然環境中瞬態氧濃度波動（如濕地水淹-落干循環），為模型預測提供參數。

 

總結

 

本研究通過多組學與生理實驗證明，酸性甲烷氧化菌具有獨特的N?O呼吸能力，可在厭氧/酸性環境中生長，并通過協調O?與N?O代謝提升CH?氧化效率。Unisense電極數據為理解這一過程提供了高時空分辨率的動力學證據，凸顯了該類菌株在溫室氣體減排中的應用潛力。