Dissimilatory nitrate reduction by a freshwater cable bacterium

淡水電纜細菌的異化硝酸鹽還原

來源：The ISME Journal (2022) 16:50–57;

 

摘要核心內容

 

本文首次證實淡水電纜細菌（Candidatus Electronema sp. GS）通過 異化硝酸鹽還原為銨（DNRA） 途徑還原硝酸鹽（圖3）。研究結合電化學電位測量（Unisense電極）、1?N同位素示蹤和轉錄組分析，發現：

 

 

DNRA速率（89.7 ± 16 μmol NH?? m?2 h?1）和亞硝酸鹽產量（446 ± 73 μmol NO?? m?2 h?1）在電纜細菌富集沉積物中顯著高于對照組（圖3）。

 

陰極硝酸鹽還原的電子通量（1.27 ± 0.06 mmol e? m?2 h?1）與DNRA代謝需求（1.61 ± 0.1 mmol e? m?2 h?1）匹配（圖2），證實DNRA由跨膜電子傳遞驅動。

 

 

nap操縱子和假想八血紅素細胞色素c（pOCC）基因高表達（圖4），暗示其參與硝酸鹽→亞硝酸鹽→銨的轉化路徑（圖6）。

 

 

 

研究目的

 

驗證假設：探究電纜細菌是否通過DNRA途徑還原硝酸鹽（而非反硝化）。

 

解析機制：闡明DNRA的電子傳遞路徑與關鍵酶功能（如pOCC）。

 

進化溯源：追溯硝酸鹽還原基因的水平轉移事件。

 

研究思路

 

采用 多尺度實驗驗證框架：

 

沉積物培養：

 

熱滅活沉積物接種電纜細菌（CB組） vs. 未接種對照組（CB-free組）。

 

好氧預培養后切換至缺氧硝酸鹽環境（200 μM 1?NO??）。

 

電化學監測：

 

Unisense電位電極測量沉積物 電位梯度（EP）（圖1-2），計算電子通量。

 

1?N示蹤：

 

量化DNRA、亞硝酸鹽生成及反硝化速率（圖3）。

 

分子機制：

 

轉錄組分析 nap和 pOCC基因表達（圖4）。

系統發育樹重建基因進化史（圖5）。

 

 

測量數據及其研究意義

1. 電位梯度（EP）與電子傳遞（機制尺度）

 

數據來源：

 

EP剖面：Unisense電極捕捉陰極區0.95 V m?1電位差（圖2），證實硝酸鹽驅動電子傳遞。

電子通量：計算陰極硝酸鹽還原電子流為1.27 ± 0.06 mmol e? m?2 h?1（圖2）。

 

研究意義：

 

首次量化DNRA的 跨膜電子需求，建立電子通量與DNRA速率的能量平衡（1.27 vs. 1.61 mmol e? m?2 h?1）。

排除反硝化途徑：反硝化速率在CB與對照組無差異（圖3），且N?O未激發電位響應。

 

2. 氮轉化速率（過程尺度）

 

數據來源：

 

DNRA速率：CB組顯著高于對照組（↑100%，圖3）。

亞硝酸鹽生成：CB組達446 ± 73 μmol m?2 h?1（圖3）。

 

研究意義：

 

證實電纜細菌主導 硝酸鹽→亞硝酸鹽→銨 的還原路徑，增加沉積物氮滯留（非脫氮）。

 

3. 基因表達與進化（分子尺度）

 

數據來源：

 

轉錄組：napFDDAGHB-pOCC基因簇高表達（RPKM排名前100，圖4A）。

系統發育：nap和 pOCC基因水平轉移自α/β/γ-變形菌（圖5）。

 

研究意義：

 

pOCC基因定位DNRA途徑關鍵酶（圖6），但功能需純化驗證。

進化分析表明DNRA能力在淡水/海洋電纜細菌分化前獲得。

 

結論

 

生理機制：

電纜細菌通過 DNRA途徑 還原硝酸鹽至銨，電子由陽極硫化氫氧化經導電纖維傳遞至陰極（圖6）。

陰極細胞 不通過氧化磷酸化產能，僅作電子"泄放口"。

 

生態意義：

DNRA增加生態系統 氮滯留（vs. 反硝化脫氮），可能影響河口氮循環平衡。

 

進化啟示：

nap和 pOCC基因經多次水平轉移獲得，淡水/海洋菌株共享祖先DNRA能力。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術優勢

 

原位高分辨：

毫米級電位剖面（圖1-2）實時捕捉 生物電化學活動，避免沉積物擾動。

電子通量量化：

基于EP梯度計算陰極電子流（公式1），直接關聯DNRA代謝需求。

 

科學價值

 

機制驗證：

電位響應硝酸鹽添加（圖2）排除反硝化途徑，鎖定DNRA為唯一硝酸鹽還原路徑。

電子供需平衡（1.27 vs. 1.61 mmol e? m?2 h?1）為DNRA提供 直接能量證據。

 

模型構建：

 

電極數據支撐 跨細胞電子傳遞模型（圖6），闡明電纜細菌"生物導線"功能。

 

研究意義

 

修正氮循環認知：電纜細菌作為新型DNRA驅動者，增加沉積物氮滯留潛力。

技術示范：Unisense電極為沉積物生物電化學研究提供范式。

 

總結：本研究通過Unisense電極的高精度電位監測，首次揭示淡水電纜細菌以DNRA途徑耦合硫氧化與硝酸鹽還原，其陰極電子傳遞驅動的獨特代謝機制為環境生物電化學研究提供新視角。電極數據定量關聯電子通量與氮轉化，為復雜沉積物系統提供不可替代的解析能力。