Ammonia-oxidizing archaea possess a wide range of cellular ammonia affinities

氨氧化古菌具有廣泛的細(xì)胞氨親和力

來源：The ISME Journal (2022) 16:272–283;

 

摘要核心內(nèi)容

 

研究通過微呼吸測量法（microrespirometry） 揭示了氨氧化古菌（AOA）的氨親和力存在顯著差異：

 

親和力范圍：Km(app) for NH? 跨越三個(gè)數(shù)量級（0.002-31.5 μM），顛覆"所有AOA均為寡營養(yǎng)型"的傳統(tǒng)認(rèn)知；

譜系特異性：Nitrosocosmicus屬（如'Ca. N. franklandus'）親和力最低（Km(app)=12-16 μM），與氨氧化細(xì)菌（AOB）相當(dāng)；

形態(tài)學(xué)關(guān)聯(lián)：細(xì)胞表面積/體積比（SA/V） 與氨親和力強(qiáng)相關(guān)（R2=0.88）；

底物特異性：證實(shí)AOA與comammox細(xì)菌的氨單加氧酶底物為NH?（非NH??）。

 

研究目的

 

量化不同譜系A(chǔ)OA的氨氧化動(dòng)力學(xué)參數(shù)（Km(app)和Vmax）；

探究環(huán)境因子（溫度、pH）和細(xì)胞形態(tài)對動(dòng)力學(xué)特性的影響；

驗(yàn)證AOA和comammox細(xì)菌的酶底物是NH?還是NH??。

 

研究思路

 

菌株選擇：涵蓋4個(gè)AOA譜系（Nitrosopumilales, Nitrosotaleales, Nitrososphaerales, Nitrosocaldales）的12株代表菌，來源包括海洋、土壤、熱泉等生境。

動(dòng)力學(xué)測定：

使用丹麥Unisense氧微電極（OX-MR） 監(jiān)測呼吸耗氧率；

計(jì)算Km(app)和Vmax（基于Michaelis-Menten模型）。

環(huán)境因子調(diào)控：

溫度梯度（25-35℃）測試'Ca. N. oleophilus'；

pH梯度（6.5-8.5）測試'Ca. N. oleophilus'和comammox菌N. inopinata。

形態(tài)學(xué)關(guān)聯(lián)：通過電鏡圖像計(jì)算細(xì)胞SA/V比（公式：球形SA/V=3/r；桿形SA/V=2(1/r + 1/h)）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 氨親和力譜系差異（圖2a）

 

數(shù)據(jù)來源：12株AOA的Km(app)(NH?)箱線圖（圖2a）。

核心發(fā)現(xiàn)：

高親和力組（Km(app)≤0.025 μM）：Nitrosopumilales（如海洋菌N. maritimus）；

低親和力組（Km(app)≥12 μM）：Nitrosocosmicus屬（如土壤菌'Ca. N. franklandus'）。

研究意義：推翻"AOA均適應(yīng)寡營養(yǎng)環(huán)境"的范式，解釋Nitrosocosmicus在富營養(yǎng)土壤的競爭優(yōu)勢。

 

2. 比底物親和力a°（圖2b,d）

 

數(shù)據(jù)來源：a°=Vmax/(Km(app)×細(xì)胞蛋白量)。

核心發(fā)現(xiàn)：

AOA的a°(NH?)普遍高于AOB（10-3000倍），但Nitrosocosmicus屬除外；

最高a°：N. maritimus（10? L g?1 h?1）；最低a°：'Ca. N. franklandus'（103 L g?1 h?1）。

研究意義：建立底物競爭效率新指標(biāo)，解釋AOA在貧營養(yǎng)環(huán)境的優(yōu)勢。

 

3. pH對底物特異性驗(yàn)證（圖4）

 

數(shù)據(jù)來源：pH 6.5→8.5時(shí)Km(app)變化。

核心發(fā)現(xiàn)：

總銨鹽Km(app)下降11倍，NH? Km(app)僅增3-4倍（圖4a,c）；

符合NH?為酶底物的特征（與AOB一致）。

研究意義：統(tǒng)一AOA/AOB/comammox的酶學(xué)機(jī)制，指導(dǎo)模型構(gòu)建。

 

4. 細(xì)胞形態(tài)關(guān)聯(lián)（圖5）

 

數(shù)據(jù)來源：SA/V比與log Km(app)的線性回歸（圖5a）。

核心發(fā)現(xiàn)：

高SA/V比（≥10 μm?1）：N. maritimus（球徑0.5μm, SA/V=6）→高親和力；

低SA/V比（≤3 μm?1）：'Ca. N. franklandus'（桿狀0.8×1.5μm, SA/V=2.4）→低親和力。

研究意義：首次建立AOM形態(tài)-功能關(guān)聯(lián)，為未培養(yǎng)微生物的動(dòng)力學(xué)預(yù)測提供依據(jù)。

 

結(jié)論

 

親和力多樣性：AOA的氨親和力存在1000倍差異，Nitrosocosmicus屬親和力與AOB相當(dāng)；

形態(tài)決定功能：細(xì)胞SA/V比是氨親和力的關(guān)鍵預(yù)測因子；

統(tǒng)一酶學(xué)機(jī)制：AOA/comammox與AOB共享NH?為AMO酶底物；

生態(tài)位重構(gòu)：低親和力AOA可能在富銨環(huán)境中與AOB競爭共存。

 

丹麥Unisense電極的研究意義

技術(shù)原理

 

高靈敏度氧監(jiān)測：500μm尖端Clark電極（OX-MR型）實(shí)時(shí)檢測nmol/L級溶解氧變化；

動(dòng)態(tài)呼吸測量：通過底物注射（NH?Cl）觸發(fā)瞬時(shí)耗氧響應(yīng)；

校準(zhǔn)保障：雙點(diǎn)校準(zhǔn)（無氧溶液 vs 空氣飽和培養(yǎng)基）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)作用

 

捕獲極端親和力：

成功測量0.002 μM NH?（N. maritimus）的Km(app)，驗(yàn)證超高親和力；

解析16 μM NH?（'Ca. N. franklandus'）的呼吸動(dòng)力學(xué)，確立低親和力表型。

pH動(dòng)態(tài)解析：

在pH 6.5-8.5范圍維持信號(hào)穩(wěn)定性（圖4），證實(shí)Km(app)變化源于酶學(xué)特性而非電極漂移。

高溫適應(yīng)性：

支持70℃熱泉AOA（'Ca. N. yellowstonensis'）測試，擴(kuò)展古菌生理研究邊界。

 

方法學(xué)優(yōu)勢

參數(shù) Unisense微電極 傳統(tǒng)呼吸儀

樣品體積 ≤2 mL ≥10 mL

檢測限 0.1 μM O? 1 μM O?

時(shí)間分辨率 秒級響應(yīng) 分鐘級

環(huán)境兼容性 寬pH/溫度范圍 有限

活細(xì)胞監(jiān)測 非破壞性 需終止反應(yīng)

行業(yè)價(jià)值

 

革新古菌生理研究：克服AOA難培養(yǎng)、生長慢的瓶頸，實(shí)現(xiàn)免擴(kuò)增的直接活性量化；

推動(dòng)環(huán)境模型精度：提供實(shí)地樣品的瞬時(shí)呼吸速率（如熱泉、酸性土壤），校正生態(tài)位預(yù)測；

標(biāo)準(zhǔn)化微生物動(dòng)力學(xué)：為ISO等標(biāo)準(zhǔn)體系提供可靠工具，支撐廢水處理與土壤修復(fù)優(yōu)化。

 

突破性貢獻(xiàn)：通過Unisense電極的高分辨率呼吸測量，首次在古菌領(lǐng)域建立形態(tài)-代謝-環(huán)境的定量關(guān)聯(lián)模型，為微生物資源挖掘提供方法論范式。