Oxygen tolerance and detoxification mechanisms of highly enriched planktonic anaerobic ammonium-oxidizing (anammox) bacteria

高富集浮游厭氧氨氧化（anammox）細菌的耐氧性和解毒機制

來源：ISME Communications (DOI: 10.1038/s43705-023-00251-7)

 

1. 摘要核心內容

 

本研究定量揭示了海洋厭氧氨氧化菌（Anammox）"Candidatus Scalindua sp."的超高氧耐受性（IC??=18.0 μM，DO???=51.6 μM），顯著高于淡水Anammox菌（IC??=2.7–4.2 μM）。通過比較基因組和酶活分析，發現Scalindua獨有的SOD-CAT抗氧化系統（Sod活性22.6 U/mg-protein）是其耐受機制關鍵。氧抑制具可逆性（暴露空氣24h后活性恢復94%），修正了海洋氮循環模型中Anammox的活性邊界。

 

2. 研究目的

 

核心問題：量化不同Anammox菌的氧敏感性差異，解析其抗氧化機制。

應用意義：修正海洋氧最小帶（OMZ）的氮損失模型，優化廢水處理工藝設計。

 

3. 研究思路

 

采用 “生理響應-酶活驗證-基因組關聯”策略：

 

菌種富集：純化5種Anammox菌（1海洋+4淡水）的浮游細胞（純度>98%，圖1）。

 

氧抑制實驗：

動力學參數：Unisense微電極實時監測DO濃度，測定IC??和DO???（圖3）。

 

 

恢復能力：暴露空氣12-24h后檢測活性恢復（圖5）。

 

機制解析：

酶活檢測：SOD、CAT、過氧化物酶活性（圖6）。

 

 

基因組比對：抗氧化基因分布（表1）。

 

 

 

4. 關鍵數據及意義

數據類型 來源圖表 研究意義

氧抑制閾值（IC??/DO???） 圖3 Scalindua的DO???=51.6 μM（淡水種≤26.6 μM），推翻既往20 μM認知，擴展海洋Anammox活性范圍

SOD活性 圖6A Scalindua的Sod活性（22.6 U/mg）為淡水種的10倍以上，直接關聯高氧耐受性

氧還原速率                  圖4    Scalindua慢速耗氧（0.26 μmol/g/h） vs. 淡水種快速耗氧（0.53 μmol/g/h），避免ROS爆發

活性恢復曲線               圖5 Scalindua暴露空氣24h后活性恢復94%（淡水種≤65%），證實氧抑制可逆性

抗氧化基因分布           表1   Scalindua獨有SOD基因（sodA/B）和CAT基因，淡水種依賴Sor-過氧化物酶系統

 

 

 

5. 核心結論

 

氧耐受性層級：Scalindua（海洋） ? Brocadia > Kuenenia ≈ Jettenia（淡水）。

解毒機制：

Scalindua：依賴SOD-CAT系統將O??轉化為H?O?再分解為H?O（O?生成）。

淡水種：缺乏SOD活性，依賴Sor-過氧化物酶系統（無O?生成）。

生態啟示：Scalindua在DO≤51.6 μM水域均有活性，表明海洋OMZ中Anammox貢獻的氮損失被低估。

 

6. Unisense電極數據的深度解讀

技術原理

 

傳感器：Unisense OX-MR氧微電極（500 μm尖端）。

檢測限：0.05 μM DO（傳統Winkler法≥1 μM）。

動態響應：實時監測DO變化（秒級分辨率）。

 

關鍵應用與意義

 

精確控制DO梯度（圖3實驗基礎）：

通過調節頂空O?比例（0–3.5%），結合預標定曲線精確控制DO濃度（0–65 μM）。

意義：排除共存好氧菌耗氧干擾，首次獲得Anammox菌本征氧抑制參數。

 

實時監測氧消耗動力學（圖4）：

測定Scalindua的氧還原速率（0.26 μmol O?/g-protein/h）。

意義：揭示慢速耗氧策略（vs. 淡水種0.53 μmol/g/h）減少ROS生成，與高SOD活性協同提升耐受性。

 

驗證氧抑制可逆性（圖5）：

暴露后恢復實驗中，實時監測DO降至檢測限以下（<0.05 μM），確認嚴格厭氧條件重建。

意義：排除殘留氧干擾，證實活性恢復源于菌體自身修復而非環境氧耗盡。

 

技術優勢總結

 

高靈敏度：直接測量μM級DO變化，捕捉傳統方法無法檢測的微氧區代謝動態。

原位實時性：避免取樣誤差，真實反映Anammox菌在梯度氧環境中的呼吸響應。

跨物種可比性：為不同生態型Anammox菌的氧適應策略提供統一量化標準。

 

7. 研究啟示

 

海洋氮循環模型：需重新評估DO≤50 μM水域的Anammox貢獻（如擴展OMZ邊界）。

廢水處理應用：Scalindua的高氧耐受性支持開發低能耗微氧Anammox工藝。

技術推廣：Unisense電極適用于其他嚴格厭氧菌（如產甲烷菌）的氧應激研究。

 

注：Unisense電極在本研究中的不可替代性在于其兼具高靈敏度與無損監測能力，為揭示微生物在微氧界面的生理響應提供了關鍵技術支撐。