Ammonia-oxidizing archaea possess a wide range of cellular ammonia affinities

氨氧化古菌具有廣泛的細胞氨親和力

來源：The ISME Journal (2022) 16:272–283;

 

摘要核心內容

 

研究通過微呼吸測量法（microrespirometry） 揭示了氨氧化古菌（AOA）的氨親和力存在顯著差異：

 

親和力范圍：Km(app) for NH? 跨越三個數量級（0.002-31.5 μM），顛覆"所有AOA均為寡營養型"的傳統認知；

譜系特異性：Nitrosocosmicus屬（如'Ca. N. franklandus'）親和力最低（Km(app)=12-16 μM），與氨氧化細菌（AOB）相當；

形態學關聯：細胞表面積/體積比（SA/V） 與氨親和力強相關（R2=0.88）；

底物特異性：證實AOA與comammox細菌的氨單加氧酶底物為NH?（非NH??）。

 

研究目的

 

量化不同譜系AOA的氨氧化動力學參數（Km(app)和Vmax）；

探究環境因子（溫度、pH）和細胞形態對動力學特性的影響；

驗證AOA和comammox細菌的酶底物是NH?還是NH??。

 

研究思路

 

菌株選擇：涵蓋4個AOA譜系（Nitrosopumilales, Nitrosotaleales, Nitrososphaerales, Nitrosocaldales）的12株代表菌，來源包括海洋、土壤、熱泉等生境。

動力學測定：

使用丹麥Unisense氧微電極（OX-MR） 監測呼吸耗氧率；

計算Km(app)和Vmax（基于Michaelis-Menten模型）。

環境因子調控：

溫度梯度（25-35℃）測試'Ca. N. oleophilus'；

pH梯度（6.5-8.5）測試'Ca. N. oleophilus'和comammox菌N. inopinata。

形態學關聯：通過電鏡圖像計算細胞SA/V比（公式：球形SA/V=3/r；桿形SA/V=2(1/r + 1/h)）。

 

關鍵數據及研究意義

1. 氨親和力譜系差異（圖2a）

 

數據來源：12株AOA的Km(app)(NH?)箱線圖（圖2a）。

核心發現：

高親和力組（Km(app)≤0.025 μM）：Nitrosopumilales（如海洋菌N. maritimus）；

低親和力組（Km(app)≥12 μM）：Nitrosocosmicus屬（如土壤菌'Ca. N. franklandus'）。

研究意義：推翻"AOA均適應寡營養環境"的范式，解釋Nitrosocosmicus在富營養土壤的競爭優勢。

 

2. 比底物親和力a°（圖2b,d）

 

數據來源：a°=Vmax/(Km(app)×細胞蛋白量)。

核心發現：

AOA的a°(NH?)普遍高于AOB（10-3000倍），但Nitrosocosmicus屬除外；

最高a°：N. maritimus（10? L g?1 h?1）；最低a°：'Ca. N. franklandus'（103 L g?1 h?1）。

研究意義：建立底物競爭效率新指標，解釋AOA在貧營養環境的優勢。

 

3. pH對底物特異性驗證（圖4）

 

數據來源：pH 6.5→8.5時Km(app)變化。

核心發現：

總銨鹽Km(app)下降11倍，NH? Km(app)僅增3-4倍（圖4a,c）；

符合NH?為酶底物的特征（與AOB一致）。

研究意義：統一AOA/AOB/comammox的酶學機制，指導模型構建。

 

4. 細胞形態關聯（圖5）

 

數據來源：SA/V比與log Km(app)的線性回歸（圖5a）。

核心發現：

高SA/V比（≥10 μm?1）：N. maritimus（球徑0.5μm, SA/V=6）→高親和力；

低SA/V比（≤3 μm?1）：'Ca. N. franklandus'（桿狀0.8×1.5μm, SA/V=2.4）→低親和力。

研究意義：首次建立AOM形態-功能關聯，為未培養微生物的動力學預測提供依據。

 

結論

 

親和力多樣性：AOA的氨親和力存在1000倍差異，Nitrosocosmicus屬親和力與AOB相當；

形態決定功能：細胞SA/V比是氨親和力的關鍵預測因子；

統一酶學機制：AOA/comammox與AOB共享NH?為AMO酶底物；

生態位重構：低親和力AOA可能在富銨環境中與AOB競爭共存。

 

丹麥Unisense電極的研究意義

技術原理

 

高靈敏度氧監測：500μm尖端Clark電極（OX-MR型）實時檢測nmol/L級溶解氧變化；

動態呼吸測量：通過底物注射（NH?Cl）觸發瞬時耗氧響應；

校準保障：雙點校準（無氧溶液 vs 空氣飽和培養基）。

 

關鍵數據作用

 

捕獲極端親和力：

成功測量0.002 μM NH?（N. maritimus）的Km(app)，驗證超高親和力；

解析16 μM NH?（'Ca. N. franklandus'）的呼吸動力學，確立低親和力表型。

pH動態解析：

在pH 6.5-8.5范圍維持信號穩定性（圖4），證實Km(app)變化源于酶學特性而非電極漂移。

高溫適應性：

支持70℃熱泉AOA（'Ca. N. yellowstonensis'）測試，擴展古菌生理研究邊界。

 

方法學優勢

參數 Unisense微電極 傳統呼吸儀

樣品體積 ≤2 mL ≥10 mL

檢測限 0.1 μM O? 1 μM O?

時間分辨率 秒級響應 分鐘級

環境兼容性 寬pH/溫度范圍 有限

活細胞監測 非破壞性 需終止反應

行業價值

 

革新古菌生理研究：克服AOA難培養、生長慢的瓶頸，實現免擴增的直接活性量化；

推動環境模型精度：提供實地樣品的瞬時呼吸速率（如熱泉、酸性土壤），校正生態位預測；

標準化微生物動力學：為ISO等標準體系提供可靠工具，支撐廢水處理與土壤修復優化。

 

突破性貢獻：通過Unisense電極的高分辨率呼吸測量，首次在古菌領域建立形態-代謝-環境的定量關聯模型，為微生物資源挖掘提供方法論范式。