Nitrous oxide respiration in acidophilic methanotrophs

嗜酸性甲烷菌中的一氧化二氮呼吸

来源：Nature Communications | (2024) 15:422

 

摘要核心内容

 

发现：传统认为严格需氧的甲烷氧化菌（如Methylocella tundrae和Methylacidiphilum caldifontis）可在厌氧条件下以N₂O为电子受体生长，甚至在pH 2.0的极端酸性环境中实现N₂O还原（突破已知微生物N₂O消耗的pH极限）。

关键机制：

Methylocella tundrae在低氧条件下同时消耗CH₄和N₂O，其N₂O还原酶（N₂OR）在O₂存在时仍保持活性。

添加N₂O可提高O₂限制条件下CH₄氧化效率（单位O₂氧化的CH₄量增加37%）。

生态意义：该能力使甲烷氧化菌在动态环境中扩大生态位，同步减少CO₂、CH₄和N₂O三种温室气体的释放。

 

研究目的

 

验证含*N₂O还原酶基因（nosZ）*的甲烷氧化菌能否以N₂O为电子受体生长。

阐明其在厌氧/低氧环境中的代谢灵活性及对温室气体减排的贡献。

解析N₂O还原与O₂呼吸的协同机制。

 

研究思路

 

基因组筛选：

分析1,200+个甲烷氧化菌基因组，发现来自Pseudomonadota、Verrucomicrobiota和Gemmatimonadota门的菌株含clade I/II nosZ基因（图1，补充数据集1）。

 

生理验证：

选择含完整nos操纵子的菌株（M. tundrae T4和M. caldifontis IT6）进行厌氧培养，以甲醇、丙酮醇、丙酮酸或H₂为电子供体，N₂O为电子受体（图2）。

 

 

动力学与耐受性：

微呼吸仪（Microrespirometry, MR）实时监测溶解O₂/N₂O浓度变化，测试N₂OR对O₂的敏感性（图4, 5）。

 

 

转录组分析：

比较厌氧（CH₃OH + N₂O）、低氧（CH₄ + O₂ + N₂O）和好氧条件下的基因表达差异（图6）。

 

生态关联：

关联酸性湿地（如泥炭地）中N₂O减排与甲烷氧化菌的分布。

 

关键数据测量及意义

1. 厌氧生长与N₂O还原（图2, 表2）

 

数据：

M. tundrae T4和M. caldifontis IT6在厌氧条件下以N₂O为电子受体生长（OD₆₀₀↑），N₂O被还原至N₂；阴性对照菌（无nosZ）不生长。

生物量产率：厌氧N₂O呼吸（4.64 g DW/mol N₂O）显著低于好氧O₂呼吸（10.41 g DW/mol O₂）（因N₂O呼吸不泵质子，能量守恒效率低）。

意义：首次证实甲烷氧化菌的厌氧生长依赖N₂O呼吸，拓展了其生存策略。

 

2. N₂O还原的pH极限（图2H）

 

数据：M. caldifontis IT6在pH 2.0下实现N₂O还原（此前记录为pH 5.7）。

意义：揭示酸性环境（如泥炭地、热泉）中微生物N₂O消耗的潜力，挑战了“酸性抑制N₂O还原”的传统认知。

 

3. O₂与N₂O的协同代谢（图4, 5, 表1）

 

数据（丹麦Unisense电极测量）：

M. tundrae T4在低氧条件（5–170 μM O₂）下同步还原O₂和N₂O（图5A-B），N₂O还原速率达1.32 ± 0.25 mmol·h⁻¹·g DW⁻¹（表1）。

添加N₂O后，单位O₂氧化的CH₄量增加37%，生物量增加34%（表2）。

意义：

Unisense电极的高灵敏度（检测限：O₂ 0.3 μM, N₂O 0.1 μM）首次实时揭示甲烷氧化菌在微氧界面协调O₂（用于CH₄活化）和N₂O（用于呼吸）的能力，为理解动态环境中温室气体协同减排提供机制基础。

 

4. 转录调控响应（图6, 补充图9-11）

 

数据：

nos操纵子基因在厌氧/低氧条件下上调2–10.7倍。

厌氧生长时，Zn²⁺依赖型甲醇脱氢酶（T4_03199）表达上调13.8倍，替代需氧的PQQ依赖型酶。

意义：阐明N₂O呼吸的分子基础及碳代谢途径的适应性重编程。

 

核心结论

 

厌氧生长能力：含clade I/II nosZ的甲烷氧化菌能以N₂O为电子受体，利用甲醇、C₂–C₃底物或H₂厌氧生长。

极端酸性耐受：N₂O还原可在pH 2.0下进行，拓宽了微生物N₂O消耗的已知生理极限。

代谢灵活性：

M. tundrae通过同时利用O₂和N₂O优化低氧条件下的CH₄氧化与生长。

N₂O呼吸释放的O₂可被优先用于甲烷单加氧酶（MMO），提升CH₄处理效率。

生态与气候意义：该类菌株可定殖于湿地氧-厌氧界面，同步减少CH₄和N₂O排放，为酸性生态系统温室气体减排提供新策略。

 

Unisense电极数据的特殊研究意义

 

丹麦Unisense微电极系统（OX-MR和N₂O-MR传感器）在本研究中发挥了以下关键作用：

 

高分辨率动力学：

实时监测溶解O₂/N₂O的μM级变化（图4, 5），揭示M. tundrae在O₂存在下仍保持N₂OR活性（传统认为O₂强烈抑制N₂OR）。

代谢协同的直接证据：

捕捉到CH₄氧化过程中O₂与N₂O的同步消耗（图5A-B），证明电子传递链可同时利用两种电子受体。

定量能量分配：

精确测定N₂O还原速率（表1），发现低氧条件下N₂O呼吸速率（1.32 mmol·h⁻¹·g DW⁻¹）高于O₂呼吸（0.95 mmol·h⁻¹·g DW⁻¹），说明N₂O作为"电子溢流通道"的重要性。

环境真实性：

模拟自然环境中瞬态氧浓度波动（如湿地水淹-落干循环），为模型预测提供参数。

 

总结

 

本研究通过多组学与生理实验证明，酸性甲烷氧化菌具有独特的N₂O呼吸能力，可在厌氧/酸性环境中生长，并通过协调O₂与N₂O代谢提升CH₄氧化效率。Unisense电极数据为理解这一过程提供了高时空分辨率的动力学证据，凸显了该类菌株在温室气体减排中的应用潜力。