Dissimilatory nitrate reduction by a freshwater cable bacterium

淡水電纜細(xì)菌的異化硝酸鹽還原

來源：The ISME Journal (2022) 16:50–57;

 

摘要核心內(nèi)容

 

本文首次證實(shí)淡水電纜細(xì)菌（Candidatus Electronema sp. GS）通過 異化硝酸鹽還原為銨（DNRA） 途徑還原硝酸鹽（圖3）。研究結(jié)合電化學(xué)電位測量（Unisense電極）、1?N同位素示蹤和轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)：

 

 

DNRA速率（89.7 ± 16 μmol NH?? m?2 h?1）和亞硝酸鹽產(chǎn)量（446 ± 73 μmol NO?? m?2 h?1）在電纜細(xì)菌富集沉積物中顯著高于對照組（圖3）。

 

陰極硝酸鹽還原的電子通量（1.27 ± 0.06 mmol e? m?2 h?1）與DNRA代謝需求（1.61 ± 0.1 mmol e? m?2 h?1）匹配（圖2），證實(shí)DNRA由跨膜電子傳遞驅(qū)動。

 

 

nap操縱子和假想八血紅素細(xì)胞色素c（pOCC）基因高表達(dá)（圖4），暗示其參與硝酸鹽→亞硝酸鹽→銨的轉(zhuǎn)化路徑（圖6）。

 

 

 

研究目的

 

驗(yàn)證假設(shè)：探究電纜細(xì)菌是否通過DNRA途徑還原硝酸鹽（而非反硝化）。

 

解析機(jī)制：闡明DNRA的電子傳遞路徑與關(guān)鍵酶功能（如pOCC）。

 

進(jìn)化溯源：追溯硝酸鹽還原基因的水平轉(zhuǎn)移事件。

 

研究思路

 

采用 多尺度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證框架：

 

沉積物培養(yǎng)：

 

熱滅活沉積物接種電纜細(xì)菌（CB組） vs. 未接種對照組（CB-free組）。

 

好氧預(yù)培養(yǎng)后切換至缺氧硝酸鹽環(huán)境（200 μM 1?NO??）。

 

電化學(xué)監(jiān)測：

 

Unisense電位電極測量沉積物 電位梯度（EP）（圖1-2），計(jì)算電子通量。

 

1?N示蹤：

 

量化DNRA、亞硝酸鹽生成及反硝化速率（圖3）。

 

分子機(jī)制：

 

轉(zhuǎn)錄組分析 nap和 pOCC基因表達(dá)（圖4）。

系統(tǒng)發(fā)育樹重建基因進(jìn)化史（圖5）。

 

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 電位梯度（EP）與電子傳遞（機(jī)制尺度）

 

數(shù)據(jù)來源：

 

EP剖面：Unisense電極捕捉陰極區(qū)0.95 V m?1電位差（圖2），證實(shí)硝酸鹽驅(qū)動電子傳遞。

電子通量：計(jì)算陰極硝酸鹽還原電子流為1.27 ± 0.06 mmol e? m?2 h?1（圖2）。

 

研究意義：

 

首次量化DNRA的 跨膜電子需求，建立電子通量與DNRA速率的能量平衡（1.27 vs. 1.61 mmol e? m?2 h?1）。

排除反硝化途徑：反硝化速率在CB與對照組無差異（圖3），且N?O未激發(fā)電位響應(yīng)。

 

2. 氮轉(zhuǎn)化速率（過程尺度）

 

數(shù)據(jù)來源：

 

DNRA速率：CB組顯著高于對照組（↑100%，圖3）。

亞硝酸鹽生成：CB組達(dá)446 ± 73 μmol m?2 h?1（圖3）。

 

研究意義：

 

證實(shí)電纜細(xì)菌主導(dǎo) 硝酸鹽→亞硝酸鹽→銨 的還原路徑，增加沉積物氮滯留（非脫氮）。

 

3. 基因表達(dá)與進(jìn)化（分子尺度）

 

數(shù)據(jù)來源：

 

轉(zhuǎn)錄組：napFDDAGHB-pOCC基因簇高表達(dá)（RPKM排名前100，圖4A）。

系統(tǒng)發(fā)育：nap和 pOCC基因水平轉(zhuǎn)移自α/β/γ-變形菌（圖5）。

 

研究意義：

 

pOCC基因定位DNRA途徑關(guān)鍵酶（圖6），但功能需純化驗(yàn)證。

進(jìn)化分析表明DNRA能力在淡水/海洋電纜細(xì)菌分化前獲得。

 

結(jié)論

 

生理機(jī)制：

電纜細(xì)菌通過 DNRA途徑 還原硝酸鹽至銨，電子由陽極硫化氫氧化經(jīng)導(dǎo)電纖維傳遞至陰極（圖6）。

陰極細(xì)胞 不通過氧化磷酸化產(chǎn)能，僅作電子"泄放口"。

 

生態(tài)意義：

DNRA增加生態(tài)系統(tǒng) 氮滯留（vs. 反硝化脫氮），可能影響河口氮循環(huán)平衡。

 

進(jìn)化啟示：

nap和 pOCC基因經(jīng)多次水平轉(zhuǎn)移獲得，淡水/海洋菌株共享祖先DNRA能力。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)優(yōu)勢

 

原位高分辨：

毫米級電位剖面（圖1-2）實(shí)時(shí)捕捉 生物電化學(xué)活動，避免沉積物擾動。

電子通量量化：

基于EP梯度計(jì)算陰極電子流（公式1），直接關(guān)聯(lián)DNRA代謝需求。

 

科學(xué)價(jià)值

 

機(jī)制驗(yàn)證：

電位響應(yīng)硝酸鹽添加（圖2）排除反硝化途徑，鎖定DNRA為唯一硝酸鹽還原路徑。

電子供需平衡（1.27 vs. 1.61 mmol e? m?2 h?1）為DNRA提供 直接能量證據(jù)。

 

模型構(gòu)建：

 

電極數(shù)據(jù)支撐 跨細(xì)胞電子傳遞模型（圖6），闡明電纜細(xì)菌"生物導(dǎo)線"功能。

 

研究意義

 

修正氮循環(huán)認(rèn)知：電纜細(xì)菌作為新型DNRA驅(qū)動者，增加沉積物氮滯留潛力。

技術(shù)示范：Unisense電極為沉積物生物電化學(xué)研究提供范式。

 

總結(jié)：本研究通過Unisense電極的高精度電位監(jiān)測，首次揭示淡水電纜細(xì)菌以DNRA途徑耦合硫氧化與硝酸鹽還原，其陰極電子傳遞驅(qū)動的獨(dú)特代謝機(jī)制為環(huán)境生物電化學(xué)研究提供新視角。電極數(shù)據(jù)定量關(guān)聯(lián)電子通量與氮轉(zhuǎn)化，為復(fù)雜沉積物系統(tǒng)提供不可替代的解析能力。