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微呼吸系统在全程氨氧化微生物的单步硝化反应动力学研究的应用

      硝化作用是自然界中连接氧化态和还原态无机氮库的唯一生物学过程,在维持全球氮素平衡中起着关键作用。硝化作用具体过程一般指的是氨被微生物氧化为硝酸盐的过程。分别由氨氧化微生物( AOB 和AOA)和亚硝酸盐氧化细菌( NOB) 主导完成。一个世纪以来,大家都把分步硝化过程当成唯一的硝化途径来学习和研究。然而根据动力学理论推测,环境中应该存在单步硝化作用,即由一种微生物单独完成整个硝化过程,将NH3氧化为NO3- ,但一直没有研究能直接证明该种微生物的存在。
      2015 年底,有三个科研团队(Nature, 2015, 528:555-559; Nature,2015,528:504-509; mSphere, 2015,1( 1) : e00054-15,)分别在不同环境中发现了3 种不同的经过纯培养的细菌 ( Candidatus Nitrospira nitrosa、Candidatus Nitrospira nitrificans 和Candidatus Nitrospira inopinata)和一种未经过纯培养的细菌(类Nitrospir菌),它们都具备单独将氨氧化为硝酸盐的能力,并将这些微生物被定义为全程氨氧化微生物(Comammox)。全程氨氧化微生物( Comammox) 为自养微生物,在土壤中与氨氧化细菌( AOB) 、氨氧化古菌( AOA) 共存,并且都利用氨作为唯一氮源,利用CO2为唯一碳源,它们之间很可能存在着对底物和能源的竞争。
单步硝化作用和全程氨氧化微生物的发现终结了传承百年的理论,并引发了众多关于全球氮素循环的重要科学问题,发现这些微生物在环境中的生态位点及其在硝化作用中的相对贡献等。最近一个科研团队报道了应用微呼吸研究系统就单步硝化作用及全程氨氧化生物的硝化动力学过程展开了相关研究(Nature, 2017, 549, 269-272)。他们发现通过对comammox细菌(全程氨氧化菌)和inopinata硝化螺菌属的纯培养,发现这类微生物能够适应于贫瘠和动态栖息地环境下缓慢生长,主要是基于这类菌具有对氨的高亲和力和最大氨氧化速率,对比来自于土壤的和温泉AOA菌的硝化动力学数据。发现在贫营养的环境中,全程氨氧化菌(comammox)的氨氧化性能要优于氨氧化古菌(AOA),而N.inopinata硝化螺菌属与铵盐底物又具有很好的亲和力。从而表明了氨氧化微生物(comammox)能够在贫瘠和动态环境条件下能够发生硝化作用,能够将铵盐直接转换为硝酸盐。
      研究微生物单步硝化的动力学实验过程中,科研工作者使用微呼吸系统(unisense),在2ml的玻璃微呼吸瓶中加入氨盐类培养基和全程氨氧化生物属,并将玻璃材质的微呼吸瓶放置在循环水浴锅中,使用尖端直径为500um的氧气微电极测试全程氨氧化菌的氧气呼吸率(氧气消耗),通过测试微呼吸瓶中的氧气消耗速率来计算硝化过程中的氨盐的消耗速率,实验过程中还可以通过使用微呼吸瓶上部留有的针头,通过微量进样器补加铵盐,用于研究不同浓度的铵盐对于全程氨氧化菌的单步硝化性能的影响。
      全程氨氧化微生物的发现及单步硝化反应动力学研究的报道引出了大量与硝化作用研究相关的亟待解决的科学问题。如全程氨氧化微生物如何驱动单步硝化作用,单步硝化作用的影响因子是什么,全程氨氧化微生物与分步硝化微生物的相互作用关系以及全程氨氧化微生物的代谢多样性、种群变化和它与环境中其他生物间的相互作用等,而微呼吸系统应用于监控氨氧化细菌在硝化过程中的氧的消耗来换算出体系中氨的损耗,从而全面解析这类全程氨氧化细菌(comammox)在低营养环境下的完整硝化反应过程及硝化动力学。
      应用微呼吸系统研究微生物的单步硝化反应动力学的方法的提出也为今后科研工作者在开展全程氨氧化微生物在各个土壤生态系统中是如何有着比氨氧化细菌更高的丰度和能源利用率,以及氨氧化细菌( AOB) 、氨氧化古菌( AOA) 和全程氨氧化微生物( Comammox) 在土壤硝化作用中的贡献方面的研究发挥重要的作用。
      微呼吸系统是丹麦UNISENSE公司(下图所示)开发的基于气体检测的微呼吸系统可以用于测量微藻、小动物、卵、植物、种子、细胞、线粒体酶的呼吸速率。其中氧微呼吸电极电流精度高,检测下限低,呼吸测量精度可以达到nM/L/h,在进行微生物的呼吸速率的测试过程中还可以使用微量注射器随时补加底物、微量因子、抑制剂等。

微呼吸系统

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