Growth of complete ammonia oxidizers on guanidine

nature-完全氨氧化剂在胍上的生长

来源：Nature | Vol 633 | 19 September 2024

摘要核心内容

 

发现：首次证实完全氨氧化菌（comammox）Nitrospira inopinata 能以胍（guanidine）作为唯一能源、电子供体和氮源实现化能自养生长（图3f,g）。

 

机制：通过蛋白组学（Extended Data Fig. 4b）、酶动力学（图4a）和晶体结构（图2d）证明其胍酶（guanidinase）功能；胍代谢受胍-I型核糖开关调控（图1c）。

 

 

 

 

 

环境意义：污水厂（图5）和农业土壤（图6）中comammox能利用胍进行硝化，揭示其新生态位。

 

 

 

研究目的

 

探究氨氧化微生物（尤其comammox）能否代谢胍——一种稳定且广泛存在的含氮化合物（人类尿液、工业污染物）。

解析胍代谢的分子机制及环境相关性，拓展对氮循环的认知。

 

研究思路

 

graph LR

A[生物信息筛选] --> B[纯培养验证]--> C[酶学与结构解析] --> D[环境微生物验证]--> E[生态意义分析]

 

基因组筛选：分析145个AOB和83个comammox基因组，发现76% comammox含胍酶通路（Extended Data Fig. 1；Supplementary Table 1）。

纯培养实验：以N. inopinata为模型，验证胍作为唯一底物的生长能力（图3）。

分子机制：

胍酶异源表达、纯化及晶体结构解析（图2d；Extended Data Fig. 6）。

蛋白组学比较胍 vs 铵培养下的差异表达蛋白（Extended Data Fig. 4b-d）。

环境验证：

污水厂活性污泥：添加胍后comammox胍酶基因转录显著上调（图5a,b）。

农业土壤：胍在硝化活性土壤中被氧化为硝酸盐，且被乙酰炔抑制（图6e）。

 

关键数据及研究意义

测量数据 来源图表 研究意义

胍降解动力学 图4a（酶动力学）、图4b（全细胞） 揭示胍酶高催化效率（Km=13.6 mM），但全细胞胍氧化亲和力极高（Km(app)=1.34 μM），说明细胞高效摄取胍（Extended Data Table 1）。

同位素标记生长 图3f,g（15N-胍/13C-碳酸氢盐） 直接证明胍提供氮源、碳酸氢盐提供碳源，支持化能自养生长。

污水厂转录组 图5a,b（胍酶基因TPM值） 胍添加后comammox胍酶和转运蛋白基因表达上调2.6倍（Padj<10-8），证实环境中的功能活性。

土壤氮转化 图6a,e（硝酸盐积累与胍降解） 胍仅在硝化活性土壤中被降解为NO3-，且被乙酰炔抑制，证明依赖氨氧化微生物。

Unisense电极数据的详细解读

 

数据来源：图4b、Extended Data Fig. 7a-d

技术原理：使用丹麦Unisense微呼吸仪（MicroRespiration system）监测胍依赖的耗氧率，通过底物特异性耗氧动力学反推代谢活性。

 

关键结果与意义：

 

全细胞胍氧化动力学：

胍浓度≤400 μM时，耗氧率符合米氏方程（图4b），计算得：

Km(app) = 1.34 ± 0.25 μM（极高亲和力）

ao（底物特异性亲和力）= 21.6 L/g细胞/h

意义：comammox对胍的亲和力显著高于多数AOA/AOB对NH3的亲和力（Extended Data Fig. 7e-g），使其在低胍环境中具竞争优势。

 

胍抑制效应：

胍浓度>400 μM时抑制呼吸活性（Extended Data Fig. 7c,d），抑制常数Ki = 1.8 mM。

意义：高胍环境（如工业废水）可能抑制comammox，但自然浓度（尿液2-20 μM）远低于抑制阈值。

 

方法学优势：

直接测量完整细胞的代谢通量（包含胍摄取→酶解→氨氧化→呼吸链全过程），比离体酶实验更贴近生理状态。

首次量化comammox胍代谢的完整动力学参数，为环境模型提供关键参数。

 

结论

 

生理突破：Comammox是首个被证实以胍为唯一生长基质的微生物，其胍酶途径无需ATP（区别于其他细菌的胍羧化酶途径），能量效率更高。

生态意义：胍作为新型氮源拓展了comammox的生态位（污水、土壤），可能促进其与AOB/AOA共存（因底物分化）。

应用潜力：胍选择性培养基可分离新comammox菌株；胍类污染物（如二甲双胍）的降解或依赖comammox。