海洋亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的多樣性分布及其生態(tài)功能研究進(jìn)展

洪義國, 焦黎靜, 吳佳鵬, 龍愛民 , 王偉,

1. 廣州大學(xué)大灣區(qū)環(huán)境研究院, 珠三角水質(zhì)安全與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510007;

2. 廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 廣州 510007;

3. 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

4. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 10049

硝化過程是指微生物將氨(NH4+)氧化成為亞硝酸鹽(NO2?), 并進(jìn)一步氧化成為硝酸鹽(NO3?)的過程, 是全球氮循環(huán)過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié), 在維持自然生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行中發(fā)揮重要作用(Ward et al, 2007; Zehr et al, 2011; Kuypers et al, 2018)。一般認(rèn)為硝化過程由兩類功能微生物介導(dǎo): 氨氧化微生物(Ammonia-oxidizing microbes, AOM)和亞硝酸鹽氧化微生物(Nitrite-oxidizing microbes, NOM)。其中, AOM 包括氨氧化細(xì)菌(Ammonia-oxidizing bacteria, AOB)和氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea, AOA), 催化硝化過程的第一階段, 即NH4+氧化生成NO2?的過程。而NOM 目前只發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(Nitrite-oxidizing bacteria, NOB), 催化硝化過程的第二階段, 即NO2?氧化生成NO3?的過程。相較于AOM, 目前對NOB 的認(rèn)知相對較少, 這嚴(yán)重制約了對硝化過程以及相關(guān)微生物功能類群的了解, 原因主要有兩個(gè): 1) 氨氧化過程是硝化過程的限速步驟, 環(huán)境中很少有NO2?的累積。因此, 對于NOB的群落結(jié)構(gòu)及生理特性的探究沒有受到足夠的重視; 2) NOB 通常在生長過程中聚集成簇, 被胞外聚合物包圍, 所以相較于AOB 和AOA, NOB 的分離與鑒定更加困難, 制約了在純培養(yǎng)水平上對NOB 生理功能和遺傳特征的認(rèn)識。隨著現(xiàn)代分子生態(tài)技術(shù)的進(jìn)步, 例如變性梯度凝膠電泳技術(shù)(Denatured Gradient Gel Electrophoresis, DGGE)、鳥槍測序技術(shù)(Shotgun sequencing)、全基因組測序技術(shù)(Whole-genome sequencing)、熒光原位雜交技術(shù)(Fluorescence in situ Hybridization, FISH)、高通量測序(High-throughput sequencing)等技術(shù)的發(fā)展, 我們對NOB 的多樣性、生態(tài)分布以及代謝途徑都有了更深入的了解, 同時(shí)也認(rèn)識到NOB 在海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量代謝中發(fā)揮重要生態(tài)功能, 從而推動(dòng)了海洋亞硝酸鹽氧化過程的研究。本文基于NOB 的最新研究進(jìn)展, 對其在海洋生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)分布和生態(tài)功能進(jìn)行綜述, 以加深對NOB 的進(jìn)一步認(rèn)識。

1 亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的種類

圖1 不同種類亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系[根據(jù)Daims 等(2016)繪制] 圖中括號內(nèi)的數(shù)字表示某個(gè)門或者屬的亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的包含的種的個(gè)數(shù); 內(nèi)環(huán)表示亞硝酸鹽氧化細(xì)菌在門分類水平上的種類和相對豐度; 外環(huán)表示亞硝酸鹽氧化細(xì)菌在屬分類水平上的種類和相對豐度 Fig. 1 Phylogenetic tree among different species of nitrite oxidizing bacteria

在一個(gè)多世紀(jì)以前, Winogradsky 首次分離出亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)和硝化桿菌(Nitrobacter) (Winogradsky et al, 2012), 開啟了NOB 的微生物學(xué)研究。目前, 已鑒定的NOB 共涵蓋4 個(gè)細(xì)菌門, 分別為變形菌門(Proteobacteria)、硝化刺菌門(Nitrospinae)、綠彎菌門(Chloroflexi)以及硝化螺旋菌門(Nitrospirae)。已知的NOB 歸屬于7 個(gè)不同的菌屬, 分別為硝化桿菌屬(Nitrobacter)、硝化球菌屬(Nitrococcus)、硝化螺旋菌屬(Nitrospira)、硝化刺菌屬(Nitrospina)、Nitrolancea 屬以及沒有純培養(yǎng)菌株的 Candidatus Nitrotoga 屬和 Candidatus Nitromaritima 屬(圖1)。此外, Griffin 等從活性污泥和淡水沉積物中通過富集培養(yǎng)分離到一株能利用亞 硝酸鹽作為電子供體進(jìn)行不產(chǎn)氧光合作用的莢硫菌屬菌株Thiocapsa KS1 (Schott et al, 2010)。16S rRNA基因分析表明, 此菌株與桃紅莢硫菌(Thiocapsa roseopersicina)和Nitrococcus 有較高的相似度, 但進(jìn)一步的系統(tǒng)發(fā)育和生物化學(xué)分析顯示, 菌株KS1 的亞硝酸鹽氧化還原酶(Nitrite Oxidoreductase, NXR)是從硝酸鹽還原酶(Nitrate Reductase)的一個(gè)分支進(jìn)化而來, 與傳統(tǒng)的化能自養(yǎng)NOB 的NXR 存在較大差異, 因此通常不歸入傳統(tǒng)的NOB 系列(Hemp et al, 2016)。變形菌門中的 NOB 種類最多, 包括Nitrobacter 屬、Nitrococcus 屬以及 Candidatus Nitrotoga 屬。Nitrobcater 是最早用于研究NOB 的模式微生物, 屬于α 變形菌門。目前已完成全基因測序的 Nitrobacter 菌株有 N. hamburgensis、N. winogradskyi、N. alkalicus 以及N. vulgaris (Meincke et al, 1992; Hemp et al, 2016)。Candidatus Nitrotoga- arctica 是從西伯利亞北極圈的永久凍土中分離的嗜冷型NOB 菌株, 屬于β 變形菌門(Alawi et al, 2007)。Nitrococcus mobilis 分離于南太平洋水體, 隸屬于γ變形菌門(Watson et al, 1971)。

Nitrospinae 菌門在海洋環(huán)境中具有較高的豐度, 目前分離鑒定的有 Nitrospina 屬和 Candidatus Nitromaritima 屬。Nitrospina 最初被歸為δ 變形菌門, 直到2013 年Lücker 等利用基因組測序技術(shù)對從大西洋表層水體中分離得到的菌株N. gracilis strain 3/211 并進(jìn)行基因組測序分析, Nitrospina 被重新歸為Nitrospinae 菌門(Lücker et al, 2013)。隨后, 從黑海水體中分離到的菌株Nitrospina watsonii sp. Nov, 也被歸為Nitrospinae 菌門(Spieck et al, 2014)。2015年Ngugi 等采用單細(xì)胞基因組技術(shù)從紅海海水中分離鑒定的新種 Candidatus Nitromaritima RS 與Nitrospina 親緣關(guān)系較近, 也被歸屬于Nitrospinae菌門(Ngugi et al, 2016)。

Chloroflexi 菌門目前發(fā)現(xiàn)的只有 Nitrolancea hollandica 菌, 分離于硝化反應(yīng)器, 是NOB 中唯一的革蘭氏陽性菌(Sorokin et al, 2012; Kruse et al, 2013)。全基因組測序結(jié)果表明, N. hollandica 中含有卡爾文循環(huán)中相關(guān)的所有CO2固定基因, 能在亞硝酸鹽氧化的同時(shí)固定CO2, 也可以利用甲酸鹽作為能源和碳源(Sorokin et al, 2012)。目前, 在海洋環(huán)境中還沒有發(fā)現(xiàn)這類菌。

Nitrospirae 菌門中目前只有Nitrospira 菌屬, 在Nitrospirae 菌門的亞硝酸氧化還原酶基因(nxr)系統(tǒng)發(fā)育分析中形成獨(dú)立的一個(gè)分支, 并且被認(rèn)為是分布最廣且多樣性最高的 NOB。目前已鑒定的Nitrospira 屬分離于海水(Watson et al, 1986; Hentschel et al, 2002; Spieck et al, 2006; Haaijer et al, 2013)、供暖系統(tǒng)(Ehrich et al, 1995)、污水處理系統(tǒng)(Lebedeva et al, 2008; Ushiki et al, 2013; Nowka et al, 2015)以及熱泉(Lebedeva et al, 2011)等不同生態(tài)系統(tǒng)。2015 年通過富集培養(yǎng)得到的3 株完全硝化菌(Comammox): Candidatus Nitrospira inopianata (Daims et al, 2015)、Candidatus Nitrospira nitrosa 和 Candidatus Nitrospira nitrificans (van Kessel et al, 2015), 都屬于Nitrospira 菌屬。

2 亞硝酸鹽氧化細(xì)菌多元起源的系統(tǒng)進(jìn)化

基于純培養(yǎng)、富集培養(yǎng)和基因組分析鑒定的NOB 的種屬信息, 利用16S rRNA 和nxr 基因序列的系統(tǒng)進(jìn)化分析, 揭示了不同種屬NOB 之間的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系。Pester 等依據(jù)Nitrospira 純培養(yǎng)菌的16S rRNA 的系統(tǒng)進(jìn)化, 對Nitrospira 菌屬的NOB 進(jìn)行了亞群(Sublineage)分類, Ca. N. defluvii 歸屬于Sublineage Ⅰ; N. lenta、N. moscoviensis、N. japonica以及Comammox 類的Ca. N. nitrosa、Ca. nitrificans和Ca. N. inopinata, 在系統(tǒng)發(fā)育樹上聚集成一簇, 歸屬于Sublineage Ⅱ; N. marina 和N. Ecomare 的進(jìn)化關(guān)系較近, 歸屬于Sublineage Ⅳ; Sublineage Ⅴ中包含Ca. N. bockiana; Sublineage Ⅵ中包含N. calida; 而Sublineage Ⅲ中目前還沒有分離出純培養(yǎng)菌(Pester et al, 2014) (圖1)。由于Comammox 類的NOB 在Nitrospira 屬中不能形成獨(dú)立的分支, 因此無法通過16S rRNA 基因?qū)⑵渑c傳統(tǒng)的Nitrospira分開。

基于nxrB 基因的系統(tǒng)發(fā)育分析, 可以進(jìn)一步分析 NOB 之間的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系(圖 1)。歸屬于Sublineage Ⅰ的Ca. N. defluvii 在功能基因進(jìn)化關(guān)系上與Sublineage Ⅱ比較接近, 表明Sublineage Ⅰ可能是從Sublineage Ⅱ進(jìn)化而來。此外, N. inopinata與其他 NOB 進(jìn)化距離較遠(yuǎn), 表明完全硝化菌 N. inopinata 的nxrB 基因與其他Nitrospira 菌的nxrB基因進(jìn)化關(guān)系有所不同。N. inopinata 對硝酸鹽親和性較高, 甚至高于AOB 和陸源的氨氧化古菌(AOA), 但對亞硝酸鹽親和性較低(Kits et al, 2017)。所以在多數(shù)亞硝酸鹽濃度較低的自然環(huán)境中, N. inopinata可能不僅發(fā)揮亞硝酸鹽氧化功能, 也可能具有較強(qiáng)的反硝化能力(Kuypers et al, 2018)。同樣, 在基于nxrB 基因的分析中, Comammox 類的 NOB 在Nitrospira 菌屬中也不能形成獨(dú)立的分支, 因此也無法通過nxrB 基因?qū)⑵渑c傳統(tǒng)的Nitrospira 菌分開。對比目前已鑒定種屬信息的Nitrospira 純菌的16S rRNA 基因系統(tǒng)發(fā)育樹和nxrB 基因系統(tǒng)發(fā)育樹可知, 兩基因在進(jìn)化關(guān)系上具有一定的相對一致性, 但Sublineage Ⅰ的功能基因可能與Sublineage Ⅱ發(fā)育關(guān)系更近。除N. inopinata 外, 其他兩種Comammox菌的 16S rRNA 基因和 nxrB 基因均與其他傳統(tǒng)Nitrospira 菌進(jìn)化一致。

Comammox 不僅具有亞硝酸氧化功能, 還能氧化氨。因?yàn)镃omammox 基因組中存在氨氧化基因(amo) 和羥胺氧化基因(hao), Daims 等推測Comammox 的amoA 基因可能是從β-AOB 中水平轉(zhuǎn)移而來, 并且在轉(zhuǎn)移后經(jīng)歷了不同的進(jìn)化過程, 從而導(dǎo)致基因差異的出現(xiàn)(Daims et al, 2015)。由于Comammox 的amoA 基因與AOA/AOB 的相關(guān)基因存在差異, 因此amoA 基因被用作分子標(biāo)記區(qū)分這3種功能類菌群(Xia et al, 2018)。雖然Comammox 具有直接將氨代謝生成硝酸鹽的功能, 但相對豐度檢測結(jié)果表明, Comammox 幾乎不可能是自然生境中的唯一硝化菌群, Comammox 在環(huán)境中與傳統(tǒng)的AOM、NOB 同時(shí)存在(Koch et al, 2018)。但是Comammox 和AOA、AOB 以及NOB 間的相互關(guān)系目前還尚不清楚。值得肯定的是, Comammox 具有廣泛的生態(tài)位, 因?yàn)樯砩鷳B(tài)學(xué)研究表明, Comammox 具有較強(qiáng)的底物攝取能力, 并且能適應(yīng)較低的溶氧環(huán)境。目前, Comammox 被發(fā)現(xiàn)廣泛分布于地下水系統(tǒng)、飲用水系統(tǒng)、地下水快速濾砂系統(tǒng)以及土壤中(Pjevac et al, 2017)。

縱觀NOB 的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)NOB 分屬于不同的菌門和菌屬, 推測NOB 的進(jìn)化是多源的, 是經(jīng)過多次獨(dú)立的進(jìn)化而產(chǎn)生不同的基因型。對于nxr基因的同源性分析表明, NOB 的多樣性是基因轉(zhuǎn)移和獨(dú)立進(jìn)化共同作用的結(jié)果(Hong et al, 2020)。基于不同種屬NOB 的功能基因的同源性, 需要提出這樣的問題: 最初的亞硝酸鹽氧化微生物是什么？如果亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的祖先是變形菌, 那么很可能亞硝酸鹽氧化最初在變形菌的微生物中出現(xiàn), 然后向其他類型細(xì)菌轉(zhuǎn)移擴(kuò)散, 形成現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)中的NOB 的多樣性種群結(jié)構(gòu)。雖然NOB 是多源進(jìn)化的, 但是其多樣性卻是有限的, 在系統(tǒng)進(jìn)化上歸于較小的群體種類。因此可以使用分子探針容易的檢測環(huán)境中NOB 細(xì)菌多樣性組成, 形成了關(guān)于自養(yǎng)NOB多樣性和生態(tài)分布的認(rèn)知體系, 而且對于進(jìn)一步研 究NOB 提供了可以借鑒的方法。

3 亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的亞硝酸鹽氧化以及自養(yǎng)固碳機(jī)制

NO2?的氧化(NO2?+H2O→NO3?+2H++2e?)是由亞硝酸鹽氧化還原酶(NXR)催化完成的, 產(chǎn)生的電子運(yùn)輸?shù)侥┒搜趸腹┭鯕庀?2H++2e?+0.5O2→H2O)。整個(gè)反應(yīng)(NO2?+0.5O2→NO3?)產(chǎn)生中等大小的能量(△G0= 82kJ·mol?1), 這解釋了通常NOB 較慢的生長率。NOB 的功能基因nxrA、nxrB 和nxrC 分別編碼NXR 的α、β 及γ 亞基。α 亞基主要是與底物結(jié)合, β亞基及γ 亞基則負(fù)責(zé)電子轉(zhuǎn)運(yùn)?；贒aims 等綜合NOB 菌株的細(xì)胞生物化學(xué)和基因組學(xué)信息, 構(gòu)建了兩種NOB 亞硝酸鹽氧化的作用模型以及在氧化亞硝酸鹽時(shí)可能發(fā)生的電子轉(zhuǎn)運(yùn)過程(Daims et al, 2016)( 圖 2) 。 其 中, Nitrospira 、 Nitrospina 和 Candidatus Nitromaritima 的α 亞基分布于周質(zhì)空間, 而Nitrobacter、Nitrococcus 和Nitrolancea 的α 亞基則分布于細(xì)胞質(zhì)中。在第一種模型中, NXR 在周質(zhì)空間將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的同時(shí)水解水分子, 形成質(zhì)子驅(qū)動(dòng)勢能, 通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP和NADH, 為其自養(yǎng)還原性三羧酸代謝固碳過程提供能量。在第二種模型中, 電子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白把亞硝酸鹽泵進(jìn)細(xì)胞內(nèi), NXR 在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)氧化亞硝酸鹽, 產(chǎn)生ATP 和NADH, 為卡爾文循環(huán)固碳提供能量。在這種模式下, 轉(zhuǎn)運(yùn)硝酸鹽和亞硝酸鹽需要消耗能量, 導(dǎo)致這種亞硝酸鹽氧化過程產(chǎn)生的能量較低。

這兩種NXR 的工作原理及不同固碳模式反映了不同種類NOB 的進(jìn)化過程。具有細(xì)胞質(zhì)朝向NXR的NOB 細(xì)菌可能是從光合細(xì)菌進(jìn)化而來。由于電子傳遞鏈?zhǔn)琴|(zhì)子或電子在一系列復(fù)合物中依次傳遞的過程, 復(fù)合物的轉(zhuǎn)向一般不容易發(fā)生顛倒, 否則會影響電子在下游復(fù)合物中的傳遞(Lücker et al, 2010)。對于光合細(xì)菌而言, 細(xì)胞膜電勢是由光驅(qū)動(dòng)的電子流維持, 細(xì)胞質(zhì)朝向的NXR 有利于亞硝酸鹽氧化過程和電子傳遞鏈的發(fā)生。因此, 當(dāng)功能菌從光合營養(yǎng)型向化能自養(yǎng)型轉(zhuǎn)變時(shí), NXR 維持朝向不變。這一推論與Griffin 等發(fā)現(xiàn)的以亞硝酸鹽為電子供體的不產(chǎn)氧光合細(xì)菌相吻合, 且該菌與Nitrococcus 進(jìn)化關(guān)系較近(Griffin et al, 2007)。相反, Nitrospira 與光合菌進(jìn)化關(guān)系較遠(yuǎn), 周質(zhì)空間朝向的NXR 表明它們可能是從厭氧菌或微好氧菌進(jìn)化而來, 這同時(shí)也能解釋Nitrospira 中存在的還原性三羧酸代謝固碳途徑(Lücker et al, 2010)。

圖2 亞硝酸鹽氧化細(xì)菌兩種不同的亞硝酸鹽氧化和自養(yǎng)固碳模型 a. 第一種模型: 在周質(zhì)空間氧化亞硝酸鹽偶聯(lián)還原性三羧酸循環(huán)自養(yǎng)固碳; b. 第二種模型: 在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)氧化亞硝酸鹽偶聯(lián)卡爾文循環(huán)自養(yǎng)固碳 Fig. 2 Two different modes of nitrous oxide coupled to autotrophic carbon sequestration by nitrous oxide bacteria (NOB). The first mode is to oxidize nitrite coupled with reductive tricarboxylic acid in the periplasmic space, and the second one is to oxidize nitrite coupled with Calvin cycle in the cytoplasm

與其他類型微生物的相互協(xié)作也是NOB 的重要生存策略。N. moscoviensis 含有編碼脲酶的基因, 可以水解尿素產(chǎn)生CO2和氨, 并將氨提供給AOB, AOB 則將氨氧化產(chǎn)物亞硝酸鹽提供給 N. moscoviensis 作為代謝底物, 從而達(dá)到互惠共生的作用(Koch et al, 2015)。Ca. N. bockiana 在純培養(yǎng)條件下不能利用有機(jī)質(zhì), 但在自然條件下, Ca. N. bockiana 與 Nocardioides sp.共生, 有機(jī)質(zhì)能為Nocardioides sp.提供反應(yīng)底物促進(jìn)其生長, 與此同時(shí), Nocardioides sp.能將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽從而為Ca. N. bockiana 提供反應(yīng)底物。目前對于不同硝化微生物間的相互作用機(jī)制仍了解較少, 是未來的重要研究方向(Koch et al, 2015)。

4 亞硝酸鹽氧化細(xì)菌在海洋碳氮生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮重要功能

NOB 在海洋生態(tài)系統(tǒng)中廣泛分布, 是海洋生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)的重要參與者。在太平洋東南部季節(jié)上升流區(qū)以及沉積物中, Nitrospina 屬類細(xì)菌是亞硝酸鹽氧化氧化的主要驅(qū)動(dòng)者, 占到總細(xì)菌的5% (Levipan et al, 2014; Rani et al, 2016)。其中Nitrospina 屬和Nitrococcus 屬是海洋環(huán)境中NOB 的優(yōu)勢種群。在納米比亞氧氣最小區(qū)域(Namibian oxygen minimum zone, OMZ), 利用16S rRNA 的酶聯(lián)熒光原位雜交技術(shù)(Catalyzed Reporter Deposition Fluorescent in situ Hybridization, CARD-FISH) 僅檢測到Nitrospina 屬和Nitrococcus 屬, 且兩種微生物分別占總微生物量的 5.4%和 4.9% (Füssel et al, 2012); Nitrospina 在東熱帶北太平洋(Eastern Tropical North Pacific Ocean, ETNP)表層水體及OMZ 區(qū)域總細(xì)菌群落中占據(jù)9.25% (Beman et al, 2013); 在紅海水體中, Nitrospina 屬占據(jù)咸水～海水交界面細(xì)菌 16S rRNA 基因序列總量的 1/3, 而Candidatus Nitromaritima 則主要分布在高鹽高溫環(huán)境中(Ngugi et al, 2016)。最近使用宏基因組手段對海洋無光層NOB 的研究發(fā)現(xiàn), NOB 在海洋中層緯度上的差異很小, 主要表現(xiàn)在垂直剖面上的分布差異, 這可能是因?yàn)樵诤Ｑ笾袑泳暥壬蠝囟炔町愋? 而在垂直剖面上溫度、營養(yǎng)鹽、溶解氧濃度和靜水壓力都有很大不同(Pachiadaki et al, 2017 )。另外也發(fā)現(xiàn)海洋中層NOB 擁有一個(gè)高吸附性的亞硝酸鹽氧化還原酶(NXR), Nitrospira 屬在海洋中層分布廣泛、豐度高可能與該酶有關(guān)。與 Nitrococcus 屬和Nitrobacter 屬相比較, 擁有一個(gè)高吸附性的NXA 酶能夠使Nitrospira 屬在亞硝酸鹽濃度很低的海洋環(huán)境中較好的生存(Pachiadaki et al, 2017 )。

NOB 在全球海洋氮循環(huán)中發(fā)揮了重要作用。NOB 可以使亞硝酸鹽停留在生態(tài)系統(tǒng)中, 有效降低了生態(tài)系統(tǒng)中氮的丟失, 對于貧營養(yǎng)海洋生態(tài)系統(tǒng)的氮素維持有著重要的作用。作為亞硝酸鹽氧化的產(chǎn)物, 硝酸鹽一方面可以為微生物及植物提供氮源, 另一方面也可以在低氧環(huán)境中為微生物呼吸產(chǎn)能提供硝酸鹽電子受體。在海洋環(huán)境中, Nitrospinae 菌門是NOB 的主要群體。雖然Nitrospinae 菌門比AOA的豐度低, 但是卻有高的生長率, 有一半以上的氮需求是由有機(jī)氮和氰酸鹽供給的, 在深海的氮素循環(huán)平衡中發(fā)揮重要作用(Palatinszky et al, 2015; Kitzinger et al, 2019)。此外, 在海洋環(huán)境尤其是深海環(huán)境中, NOB 可能是固碳的優(yōu)勢種群。通過對來自太平洋、地中海、近北極的太平洋海域深海微生物樣品的宏轉(zhuǎn)錄組和宏蛋白組分析, 發(fā)現(xiàn)在昏暗的大洋深部具有高豐度的Nitrospinae 菌門的NOB, 亞硝酸鹽氧化是亞硝酸鹽能量產(chǎn)生的主要途徑, 產(chǎn)生的能量固定了北大西洋 15%到 45%的無機(jī)碳(Pachiadaki et al, 2017 )。張瑤等研究表明, NOB 對底物就有高的親和力, 亞硝酸鹽氧化是深海自養(yǎng)固碳的重要驅(qū)動(dòng)力(Zhang et al, 2020)。

5 海洋亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的研究展望

亞硝酸鹽氧化是海洋氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié), 對維持海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量循環(huán)有重要的功能。但由于亞硝酸鹽氧化不是海洋硝化作用的限速步驟, 在很長的時(shí)間里沒有受到充分的重視。但近年來, 在亞硝酸鹽氧化的研究領(lǐng)域取得了很多突破性進(jìn)展, 對于亞硝酸鹽氧化的機(jī)制有了更深入的理解, 未來的研究可以注重以下幾個(gè)方面:

1) NOB 的遺傳多樣性與亞硝酸鹽氧化速率的分布和調(diào)節(jié)是否相關(guān)？分子生態(tài)學(xué)的方法能夠使我們從基因水平了解參與硝化作用每個(gè)過程的微生物群體分布的多樣性, 純培養(yǎng)NOB 以及自然樣品的亞硝酸鹽氧化速率的測定將會更清晰的探索NOB 適宜的小生境, 是否遺傳類型不同的NOB 在不同的生態(tài)環(huán)境中有不同的活性？微生物群體是以多大的時(shí)間尺度響應(yīng)環(huán)境條件的改變？什么樣的環(huán)境條件的改變最可能會影響環(huán)境的亞硝酸鹽氧化速率呢？生物地球化學(xué)和分子生物學(xué)的綜合方法將會解決這些問題。

2) 亞硝酸鹽氧化速率測定的優(yōu)化。雖然當(dāng)前的一些直接測定硝化的方法以及地球化學(xué)的參數(shù)提供了一些關(guān)于亞硝酸鹽氧化速率大小和分布的一些認(rèn)識, 但是準(zhǔn)確測定環(huán)境中的亞硝酸鹽氧化速率的方法還需要進(jìn)一步提高。微量的氮穩(wěn)定同位素示蹤劑添加不會改變培養(yǎng)體系中的底物濃度, 因此基于氮穩(wěn)定同位素的方法是目前準(zhǔn)確測定亞硝酸鹽氧化速率的最佳選擇。此外, 通過氮、氧天然穩(wěn)定同位素組成也能實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽氧化速率的測定。

3) 更多純培養(yǎng)NOB 的分離和鑒定。目前, 已經(jīng)分離鑒定了幾株純培養(yǎng)的NOB 菌株, 但是仍然需要更多的NOB 純培養(yǎng)菌的分離和鑒定, 以便更深入的揭示不同種類NOB 的作用機(jī)制和生態(tài)功能。而且, 氨氧化古菌的發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步研究亞硝酸鹽氧化古菌(NOA)的存在提供了重要思考, NOA 的發(fā)現(xiàn)也是我們所期待的。