題目：The microbial nitrogen-cycling network

Nature Reviews Microbiologyhttps://doi.org/10.1038/nrmicro.2018.9Published: 05 February 2018
第一作者：Marcel M. M. Kuypers通訊作者：Marcel M. M. Kuypers mkuypers@mpi-bremen.de合作作者：Hannah K. Marchant and Boran Kartal作者單位：德國(guó)，柏林，馬普海洋微生物研究所

翻譯：翟志文 中科院遺傳發(fā)育所責(zé)編：劉永鑫 中科院遺傳發(fā)育所
參考文獻(xiàn)：Kuypers M. M. M., Marchant H. K. & Kartal B. The microbial nitrogen-cycling network. Nat Rev Microbiol. 2018, 16: 263-276.
摘要Abstract?????氮是所有生物的重要組成部分，也是限制我們星球上所有生命體的主要營(yíng)養(yǎng)成分。目前為止，可自由獲得氮的主要來(lái)源是大氣中的氮?dú)猓谴蟛糠稚锸且蕾嚿锟衫玫牡问絹?lái)生長(zhǎng)，比如銨鹽和硝酸鹽。而這些基質(zhì)的可利用性是依賴于不同的氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)，這些氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)是由具有多種多樣新陳代謝功能的微生物構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)而實(shí)現(xiàn)的。本綜述在目前獲得的新研究和新發(fā)現(xiàn)的背景下，對(duì)當(dāng)前由微生物參與的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行描述，包括這些微生物構(gòu)成的氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)，參與氮轉(zhuǎn)化的微生物以及它們的生理和環(huán)境功能，也對(duì)那些并未發(fā)現(xiàn)但可能會(huì)發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行了描述。此外，我們對(duì)由氮轉(zhuǎn)化微生物之間的相互作用而構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和其對(duì)全球生物化學(xué)氮循環(huán)的影響進(jìn)行了討論。Nitrogen is an essential component of all living organisms and the main nutrient limiting life on our planet. By far, the largest inventory of freely accessible nitrogen is atmospheric dinitrogen, but most organisms rely on more bioavailable forms of nitrogen, such as?ammonium and nitrate, for growth. The availability of these substrates depends on diverse nitrogen-transforming reactions that are carried out by complex networks of metabolically versatile microorganisms. In this Review, we summarize our current understanding of the microbial nitrogen-cycling network, including novel processes, their underlying biochemical pathways, the involved microorganisms, their environmental importance and industrial applications.? ? ? ? ?
Key points?????氮是所有生物的基本組成部分，也是限制地球生命的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。其可用性取決于微生物進(jìn)行的多種氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)。Nitrogen is an essential component of all living organisms and the main nutrient limiting life on our planet. Its availability depends on diverse nitrogen-transforming reactions that are carried out by microorganisms.????氮轉(zhuǎn)化微生物在代謝上是多功能的，這使得它們的分類僅僅局限于硝化器、反硝化器和類似的類別。Nitrogen-transforming microorganisms are metabolically versatile, rendering their classification as mere nitrifiers, denitrifiers and similar classes inadequate.????經(jīng)典的氮循環(huán)是不可能存在的，它由不同的過(guò)程以有序的方式相互遵循組成。在自然界中，微生物形成了連接氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。The classical nitrogen cycle consisting of distinct processes that follow each other in an orderly fashion does not exist. In nature, microorganisms form complex networks that link nitrogen-transforming reactions.????微生物氮轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)會(huì)減弱和加劇由人類引起的全球變化。它們產(chǎn)生和消耗強(qiáng)大的溫室氣體一氧化二氮(氧化亞氮，N2O)，導(dǎo)致水生系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化，同時(shí)從廢水中去除氮。Microbial nitrogen-transforming networks both attenuate and exacerbate human-induced global change. They produce and consume the powerful greenhouse gas nitrous oxide, lead to eutrophication of aquatic systems and, at the same time, remove nitrogen from wastewater.????還有許多未發(fā)現(xiàn)的氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)是熱力學(xué)上可行的。催化這些反應(yīng)的微生物以及相關(guān)的生化途徑等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。There are still many undiscovered nitrogen-transforming reactions that are thermodynamically feasible. The microorganisms catalysing these reactions and the involved biochemical pathways are waiting to be discovered.
名詞解析還原劑：氧化還原反應(yīng)中的給電子供體化合物。Reductants：The electron-donating compounds in a redox reaction.產(chǎn)氧光養(yǎng)生物：從光中獲取能量并利用水作為電子供體，形成分子氧和糖作為產(chǎn)物的生物。Oxygenic phototrophs: Organisms that obtain energy from light and use water as the electron donor, forming molecular oxygen and sugar as products.細(xì)菌細(xì)胞：動(dòng)物體內(nèi)含有內(nèi)共生細(xì)菌的特殊細(xì)胞。Bacteriocytes: Special cells in animals that contain endosymbiotic bacteria奇古菌門(mén)：含有氨氧化古細(xì)菌的門(mén)。Thaumarchaeota: The phylum that contains the ammonia-oxidizing archaea.嗜酸性：生物體在酸性環(huán)境中生長(zhǎng)的傾向（pH < 6）。Acidophilic：The propensity of organisms to grow in acidic environments (pH <6).甲烷氧化菌：轉(zhuǎn)化生物氧化甲烷以保存能量。Methanotrophs: Organisms that oxidize methane to conserve energy.NC10：以澳大利亞納拉伯洞穴命名的一個(gè)候選細(xì)菌門(mén)，包含“甲基假絲酵母oxyfera”，這是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的進(jìn)行甲烷氧化和氧反硝化的有機(jī)體。NC10：A candidate bacterial phylum, named after the Nullarbor Caves in Australia, that contains ‘Candidatus Methylomirabilis oxyfera’, which is the first organism discovered that performs methane oxidation coupled to oxygenic denitrification.吸能的：需要能量輸入的反應(yīng)。Endergonic: A reaction that requires energy input.疣微菌門(mén)：一種細(xì)菌門(mén)，僅有少數(shù)被描述的物種，其中一些似乎在甲烷循環(huán)中很重要。Verrucomicrobia: A bacterial phylum with only a few described species, some of which appear to be important in the methane cycle.缺氧光致養(yǎng)生物：這些微生物從光中獲取能量，并用硫化氫等化合物代替水作為電子供體，因此不產(chǎn)生分子氧。Anoxygenic phototrophs: These microorganisms obtain energy from light and use compounds such as hydrogen sulfide instead of water as an electron donor and thus do not produce molecular oxygen.富營(yíng)養(yǎng)化：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的增加，導(dǎo)致藻類或藍(lán)藻過(guò)度生長(zhǎng)。Eutrophication: An increased input of nutrients that leads to excessive growth of algae or cyanobacteria.質(zhì)子動(dòng)力：質(zhì)子位錯(cuò)在細(xì)胞膜兩側(cè)產(chǎn)生電荷和酸堿度的差異，從而產(chǎn)生一個(gè)電化學(xué)電位，用于節(jié)能。Proton motive force: Proton dislocation creates a difference of charge and pH between two sides of a cell membrane and thereby generates an electrochemical potential, which is used for energy conservation.厭氧污泥硝化器：在廢水處理過(guò)程中產(chǎn)生的多余微生物生物量（污泥）厭氧轉(zhuǎn)化為二氧化碳、甲烷、銨和還原硫化合物的生物反應(yīng)器。Anaerobic sludge digesters: Bioreactors in which excess microbial biomass (sludge) produced during wastewater treatment is anaerobically converted to carbon dioxide, methane, ammonium and reduced sulfur compounds.初級(jí)亞硝酸鹽最大值：在透光區(qū)底部亞硝酸鹽濃度的峰值。Primary nitrite maxima: The peak in nitrite concentrations at the base of the euphotic zone.一氧化氮歧化：兩個(gè)一氧化氮分子歧化成一個(gè)分子氧和一個(gè)分子二氮?dú)怏w。Nitric oxide dismutation: Two molecules of nitric oxide are disproportionated into one molecule of molecular oxygen and one molecule of dinitrogen gas.化合作用：兩種反應(yīng)物中含有同一種元素，氧化狀態(tài)不同，反應(yīng)生成一種氧化狀態(tài)單一的產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)。Comproportionation: A chemical reaction in which two reactants containing the same element with a different oxidation state react to create a product with a single oxidation state.厭氧氨氧化菌：在厭氧氨氧化菌（anammox）中發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)菌細(xì)胞器，是唯一已知的原核膜結(jié)合結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞分裂時(shí)被均分為子細(xì)胞。Anammoxosome: A bacterial organelle found in anaerobic ammonium oxidizing (anammox) bacteria that is the only known prokaryotic membrane-bound structure that is equally divided into daughter cells upon cell division.放能：產(chǎn)生自由能的反應(yīng)。Exergonic: A reaction that results in the release of free energy.歧化反應(yīng)：一種化學(xué)反應(yīng)，其中一種反應(yīng)物被分成兩種，含有相同的元素，具有不同的氧化狀態(tài)，一種被氧化，另一種比反應(yīng)物還原。Disproportionation: A chemical reaction in which a reactant is split into two species containing the same element with different oxidation states, one more oxidized and the other more reduced than the reactant.
Introduction????氮是所有生物體不可缺少的組成元素，也是合成蛋白質(zhì)和核酸等關(guān)鍵細(xì)胞化合物的必要物質(zhì)。大氣中的氮?dú)馐强勺杂色@得氮的最大庫(kù)存，從生物學(xué)上來(lái)講，它具有高度多樣的可利用性，然而能夠固氮的細(xì)菌和古生物菌是很少的。而其他生物體卻必須依靠如銨鹽和硝酸鹽這種性質(zhì)活潑的含氮物質(zhì)來(lái)提供生長(zhǎng)，可這些生物可利用的氮在許多環(huán)境中是罕見(jiàn)的。這些限制性營(yíng)養(yǎng)鹽的可獲得性主要是通過(guò)由微生物參與的、能夠改變氮氧化狀態(tài)的反應(yīng)來(lái)控制。????由于工業(yè)氮肥的高投入量，導(dǎo)致人類活動(dòng)對(duì)生物可利用氮的數(shù)量產(chǎn)生了極大的影響，人類生產(chǎn)的50%的食物需要依靠工業(yè)氮肥，這種氮肥的使用和豆科植物的種植幾乎使向陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)中的氮輸入量增加了一倍。因此為了預(yù)測(cè)這種氮輸入的后果，我們迫切地需要了解由微生物構(gòu)成的氮轉(zhuǎn)化的基本機(jī)制。????由微生物形成的氮轉(zhuǎn)化的過(guò)程通常被描述為由六個(gè)有序進(jìn)行的不同反應(yīng)過(guò)程組成的一個(gè)循環(huán)。這種觀點(diǎn)認(rèn)為一個(gè)氮?dú)夥肿?N2首先通過(guò)固氮作用變成氨氣，氨氣經(jīng)過(guò)同化吸收作用而轉(zhuǎn)變成生物有機(jī)氮，有機(jī)氮再經(jīng)過(guò)氨化作用轉(zhuǎn)變成銨鹽，而銨鹽再通過(guò)硝化作用被氧化成硝酸鹽（NH4+?→ NO2-?→ NO3-），最終再經(jīng)反硝化作用被還原為一個(gè)氮?dú)夥肿樱∟O3-?→ NO2-?→ NO → N2O → N2）或者經(jīng)厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidatio)作用被還原為一個(gè)氮?dú)夥肿樱∟O2-?+ NH4+?→ N2）。事實(shí)上，在氮循環(huán)過(guò)程并未達(dá)到上述所描述的一個(gè)平衡狀態(tài)，反而是與這六個(gè)過(guò)程中截然不同的氮通量的大小有關(guān)（Box 1）。????氮轉(zhuǎn)化微生物一般按其所涉及的六個(gè)過(guò)程之一進(jìn)行分類：硝化器進(jìn)行硝化；反硝化器、反硝化；固氮器、固氮；等等(Nitrogen-transforming microorganisms are generally classified according to one of the six processes they are involved in: nitrifiers carry out nitrification; denitrifiers, denitrification; nitrogen-fixers, nitrogen fixation; and so on)。過(guò)去十年來(lái)收集的基因數(shù)據(jù)揭示了參與氮轉(zhuǎn)化的微生物實(shí)際上存在巨大的多種多樣的新陳代謝功能?，F(xiàn)在我們知道很多微生物可以同時(shí)發(fā)生固氮和脫氮作用。因此，由于它們代謝的多樣性**，幾乎不可能再根據(jù)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程中經(jīng)典的六個(gè)過(guò)程來(lái)劃分這些微生物**。故在本文中，我們將使用過(guò)程的名字，比如反硝化作用denitrification和硝化作用nitrification,，而避免對(duì)微生物進(jìn)行相應(yīng)的分類。這篇綜述集中在氧化還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)化氮化合物，生化途徑，以及負(fù)責(zé)的酶（圖1）和微生物。????根據(jù)我們目前的理解，微生物可通過(guò)14個(gè)離散型的氧化還原反應(yīng)改變從-3價(jià)態(tài)到+5價(jià)態(tài)的含氮化合物（圖1），有機(jī)氮和氨氣之間的相互轉(zhuǎn)化中氧化還原狀態(tài)不變。氮轉(zhuǎn)化有關(guān)的酶經(jīng)常在不同的微生物中被發(fā)現(xiàn)，而且這里包括的很多酶還是最近才被鑒定出來(lái)的。在過(guò)去的十年里，有四種新的反應(yīng)被研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，它們分別是：羥胺氧化為一氧化氮的反應(yīng)（hydroxylamine oxidation to nitric oxide，圖1，反應(yīng)7）；一氧化通過(guò)歧化作用轉(zhuǎn)變成氮?dú)夂脱鯕獾姆磻?yīng)（nitric oxide dismutation to dinitrogen gas and oxygen，圖1，反應(yīng)9）；聯(lián)氨的合成反應(yīng)（hydrazine synthesis，圖1，反應(yīng)13）；聯(lián)氨氧化成氮?dú)獾姆磻?yīng)（hydrazine oxidation to dinitrogen gas，圖1，反應(yīng)12）。另外，許多新的代謝能力也被發(fā)現(xiàn)，比如光氧亞硝酸鹽氧化(phototrophic nitrite oxidation)和生成硝酸鹽的完全氨氧化（complete ammonia oxidation (comammox)）。許多新型的微生物也被鑒定出來(lái)，比如氨氧化古生菌(ammonia-oxidizing archaea14)，反硝化真核生物有孔蟲(chóng)（denitrifyingeukaryotic foraminifera）和共生異養(yǎng)的固氮藍(lán)藻(symbiotic heterotrophicnitrogen-fixing cyanobacteria)。????本文中，我們?cè)谶@些新發(fā)現(xiàn)的背景下，對(duì)目前由微生物引起的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行理解，并對(duì)這些微生物構(gòu)成的氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)，參與氮轉(zhuǎn)化的微生物以及它們的生理和環(huán)境功能進(jìn)行描述，也對(duì)那些并未發(fā)現(xiàn)但可能會(huì)發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行了描述。此外，我們對(duì)由氮轉(zhuǎn)化微生物之間的相互作用而構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和其對(duì)全球生物化學(xué)氮循環(huán)的影響進(jìn)行了討論。Box 1 | 氮全球生化循環(huán)圈：全球的氮庫(kù)存、氮轉(zhuǎn)化過(guò)程、氮通量Box 1 | Biogeochemical nitrogen cycling: global inventories, processes and fluxes? ? ? ? ?

圖Box 1. 氮全球生化循環(huán)圈：全球的氮庫(kù)存、氮轉(zhuǎn)化過(guò)程、氮通量????如圖Box 1所示，圖中灰色方塊表示氮儲(chǔ)存量，束縛在巖石和沉積物中的最大氮存量是氨（1.8×1010?Tg氮），雖然這種束縛氨經(jīng)侵蝕后可被生物利用，但是它在整個(gè)氮循環(huán)生化圈中起的作用是很小的，而陸地中可自由獲得的氨的儲(chǔ)存量是未知的，海洋中的氨的氮儲(chǔ)存量被估計(jì)為340 ~ 3600 Tg；全球中可自由獲得氮的儲(chǔ)存庫(kù)是大氣中的氮?dú)猓s為3.9×109?Tg氮）, 緊接著是有機(jī)氮、硝酸鹽、氧化亞氮中氮的儲(chǔ)存量；而全球的亞硝酸鹽和一氧化氮中的氮儲(chǔ)存量可以忽略不計(jì)。在這些氮儲(chǔ)存庫(kù)中形成的全球生化的氮循環(huán)主要是因?yàn)橐韵铝鶄€(gè)不同的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程：同化作用（Assimilation）、氨化作用（ammonification）、硝化作用（nitrification）、反硝化作用（denitrification）、厭氧氨氧化作用(anammox) 和固氮作用（nitrogen fixation）。我們從可查文獻(xiàn)中估計(jì)了這些過(guò)程中的年度氮通量，并作出了如圖Box 1所示的簡(jiǎn)單的假設(shè)，在本圖中，我們用每年所含 Tg氮來(lái)表示在這些主要含氮的物質(zhì)之間的氮通量，其中綠色、藍(lán)色和紅色方塊分別代表每年的陸地氮通量、每年的海洋氮通量以及每年人為制造的氮通量。其中最明確的氮通量包括氮的流失和固定，因?yàn)樗鼈兪侵攸c(diǎn)研究的對(duì)象。如圖Box 1所示，雖然這些明確的氮通量相對(duì)較小，但它卻可以調(diào)控這些生物可利用氮的可用性，而這些生物可利用氮在很大程度上可以通過(guò)生物碳泵來(lái)控制大氣中二氧化碳的去除。據(jù)目前估計(jì)，生物固氮量（300 Tg氮/年）和人工固氮量（125 Tg/年）的總和已經(jīng)超過(guò)了通過(guò)厭氧氨氧化和反硝化作用產(chǎn)生的氮?dú)獾牧浚?50 Tg氮/年）。并不是所有的經(jīng)一氧化氮還原產(chǎn)生的氧化亞氮都可以進(jìn)一步的被還原為氮?dú)?，而每年從海洋和陸地環(huán)境中釋放的氧化亞氮的氮通量分別為4 Tg和12 Tg，雖然與其他氮形式的通量相比，氧化亞氮的氮通量相對(duì)較小，但是它對(duì)環(huán)境影響卻很大，因?yàn)檠趸瘉喌瞧茐某粞鯇拥闹饕獨(dú)怏w，而且它還是一個(gè)強(qiáng)大的溫室氣體。????如圖Box 1所示，在這些不同的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程中有著截然不同的氮通量，它們并沒(méi)有達(dá)成一個(gè)平衡的氮循環(huán)，這和論文及教材中經(jīng)常描述的一樣，而最大的氮通量跟氨氣和有機(jī)氮的相互轉(zhuǎn)化有關(guān)。僅在海洋環(huán)境中，每年與氨化作用和氨同化作用有關(guān)的氮通量（8800 Tg氮/年）比海洋中氮的流失和獲得的氮通量總和（約400 Tg氮/年）高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)。另一個(gè)巨大的氮通量（約2000 Tg氮/年）跟硝化作用有關(guān)，這也正好可以解釋為什么在海洋中氨鹽的濃度雖然不高，但是海洋氨氧化古生菌卻是最豐富的微生物之一。與硝酸鹽同化有關(guān)的氮通量和硝化作用的氮通量是一個(gè)數(shù)量級(jí)的，即海洋浮游植物每年可減少約2000 Tg的硝酸鹽氮。而與之相比，異化硝酸鹽還原為氨的氮通量可能會(huì)比較小。雖然目前還沒(méi)有可用的陸地環(huán)境氮通量估計(jì)的數(shù)據(jù)，但是陸地植物與海洋植物相比對(duì)氮的需求比較低。對(duì)于陸地植物來(lái)說(shuō)，平均每固定40個(gè)分子的碳才需要1分子的氮，而對(duì)于海洋植物來(lái)說(shuō)，平均每固定6.6個(gè)分子的碳就需要1分子的氮，所以陸地中與同化作用相關(guān)的氮通量大概是海洋中的1/6。所以假設(shè)在穩(wěn)定狀態(tài)下（即氮的獲得和流失相等），我們用海洋中的氮通量除以6來(lái)估計(jì)陸地環(huán)境中硝化作用與氨化作用中的氮通量。圖1 | 微生物轉(zhuǎn)化氮化合物

圖1. 微生物構(gòu)成的氮化合物的轉(zhuǎn)化????如圖1所示微生物攜帶的酶可以執(zhí)行14個(gè)氧化還原反應(yīng)，在這些氧化還原反應(yīng)中主要包括8種不同氧化狀態(tài)下的無(wú)機(jī)氮（限制酶的中間產(chǎn)物和它們的氧化還原狀態(tài)沒(méi)有顯示）。氨氣與有機(jī)氮的相互轉(zhuǎn)化不涉及氮原子氧化還原狀態(tài)的改變。其中紅色的表示還原反應(yīng)，藍(lán)色的表示氧化反應(yīng)，綠色的表示歧化反應(yīng)(disproportionation)和歸中反應(yīng)(comproportionation)。接下來(lái)是執(zhí)行各種反應(yīng)的酶：同化硝酸鹽還原酶（NAS、nasA和nirA）；膜結(jié)合酶（NAR, narGH）；周質(zhì)異化硝酸還原酶（NAP, napA）；亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR, nxrAB）；一氧化氮氧化酶（NOD, hmp）；含血紅素（cd1-NIR, nirS）和含銅的亞硝酸還原酶（Cu-NIR, nirK）；依賴紅細(xì)胞色素（cNOR, cnorB）、依賴對(duì)苯二酚（qNOR, norZ）和含銅的依賴對(duì)苯二酚一氧化氮還原酶（CuANOR）；依賴NADH細(xì)胞色素P450的一氧化氮還原酶（P450NOR, p450nor）；黃銅-二鐵一氧化氮還原酶（NORvw, norVW）；雜交簇蛋白（HCP, hcp）；羥胺氧化還原酶（HAO, hao）；羥胺氧化酶（HOX, hox）；氧化亞氮還原酶（NOS, nosZ）；一氧化氮歧化酶（NO-D, norZ）；同化亞硝酸鹽還原酶（cNIR, nasB和nirB）；周質(zhì)異化細(xì)胞色素C亞硝酸鹽還原酶（ccNIR, nrfAH）；ε-羥胺氧化還原酶（εHAO, haoA）；八面體血紅素亞硝酸鹽還原酶（ONR）；八面體血紅素連四硫酸鹽還原酶（OTR）；鉬-鐵（MoFe, nifHDK）、鐵-鐵（FeFe, anfHGDK）和釩-鐵（VFe, vnfHGDK）固氮酶；聯(lián)氨脫氫酶（HDH, hdh）；聯(lián)氨合成酶（HZS, hzsCBA）；氨單加氧酶（AMO, amoCAB）；微粒甲烷單加氧酶（pMMO, pmoCAB）；氰酸酯酶（CYN, cynS）; 尿素酶（URE, ureABC）。Fig. 1 | Microbial transformations of nitrogen compounds. Microorganisms carry enzymes that perform 14 redox reactions involving 8 key inorganic nitrogen species of different oxidation states (enzyme-bound intermediates and their redox states are not shown). The interconversion of ammonia and organic nitrogen does not involve a change in the redox state of the nitrogen atom. The reactions involve reduction (red), oxidation (blue) and disproportionation and comproportionation (green). The following enzymes perform the nitrogen transformations: assimilatory nitrate reductase (NAS, nasA and nirA); membrane-bound (NAR, narGH) and periplasmic (NAP, napA) dissimilatory nitrate reductases; nitrite oxidoreductase (NXR, nxrAB); nitric oxide oxidase (NOD, hmp); haem-containing (cd1?NIR, nirS) and copper-containing (Cu?NIR, nirK) nitrite reductases; cytochrome c?dependent (cNOR, cnorB), quinol-dependent (qNOR, norZ) and copper-containing quinol-dependent nitric oxide reductases (CuANOR); NADH-dependent cytochrome P450?nitric oxide reductase (P450NOR, p450nor); flavo-diiron nitric oxide reductase (NORvw, norVW); hybrid cluster protein (HCP, hcp); hydroxylamine oxidoreductase (HAO, hao); hydroxylamine oxidase (HOX; hox); nitrous oxide reductase (NOS, nosZ); nitric oxide dismutase (NO?D, norZ); assimilatory nitrite reductase (cNIR; nasB and nirB); dissimilatory periplasmic cytochrome c nitrite reductase (ccNIR, nrfAH); ε-hydroxylamine oxidoreductase (εHAO; haoA); octahaem nitrite reductase (ONR); octahaem tetrathionate reductase (OTR); molybdenum-iron (MoFe, nifHDK), iron-iron (FeFe, anfHGDK) and vanadium-iron (VFe, vnfHGDK) nitrogenases; hydrazine dehydrogenase (HDH, hdh); hydrazine synthase (HZS, hzsCBA); ammonia monooxygenase (AMO, amoCAB); particulate methane monooxygenase (pMMO, pmoCAB); cyanase (CYN, cynS); and urease (URE, ureABC).圖2 | 催化氮循環(huán)中關(guān)鍵的四種反應(yīng)的酶?圖2 | 催化四個(gè)關(guān)鍵氮循環(huán)反應(yīng)的酶。a | 鉬鐵（molybdenum-iron，MoFe）固氮酶包含電子轉(zhuǎn)移蛋白（綠色；由nifH編碼）和催化酶的α亞單位（洋紅；由nifD編碼）和β亞單位（紫色；由nifK編碼）。nifH用于檢測(cè)環(huán)境中的固氮微生物。鐵硫簇介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移到催化中心。電子轉(zhuǎn)移和催化蛋白的結(jié)合和解離需要輸入ATP。b | 在厭氧氨氧化細(xì)菌庫(kù)尼尼亞-斯圖加滕斯中，電子流過(guò)八胺羥胺氧化酶（紅色箭頭）。屬于不同單體的血紅素用綠色、藍(lán)色和灰色表示。Haem 4是催化中心。c | 在膜結(jié)合細(xì)菌硝酸還原酶（NAR）中，催化二聚體由narG和narH編碼，而膜錨由narI編碼。narG用于檢測(cè)環(huán)境中的反硝化微生物。硝酸鹽還原為亞硝酸鹽發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)，質(zhì)子轉(zhuǎn)移到周質(zhì)體。因此，NAR對(duì)質(zhì)子動(dòng)力有貢獻(xiàn)。d | 在斯圖加滕氏桿菌中，hzsA、hzsB和hzsC編碼聯(lián)氨合酶。hzsA、hzsB用于環(huán)境中厭氧氨氧化菌的檢測(cè)。這種酶被認(rèn)為進(jìn)行兩步反應(yīng)。開(kāi)始于γ亞單位（灰色），一氧化氮還原為羥胺，通過(guò)底物通道（棕色）轉(zhuǎn)運(yùn)至α亞單位（綠色）。α亞單位將羥胺與氨水化合為聯(lián)氨。這兩種反應(yīng)都是由細(xì)胞色素c型血紅素蛋白催化的。*氟化ADP-銨；ATP類似物。a部分經(jīng)david goodsell，doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2002_2（2002年2月）許可改編。b部分最初Maalcke，W.J.等人發(fā)表在《生物化學(xué)雜志》上八亞甲基氧化還原酶產(chǎn)生生物一氧化氮的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。2014年；289:1228-1242。（參考文獻(xiàn)8）。c部分經(jīng)Elsevier參考文件154的許可進(jìn)行了修改。d部分經(jīng)麥克米倫出版有限公司參考文件115的許可進(jìn)行改編。Fig. 2 | Enzymes catalysing four key nitrogen-cycling reactions.a | The molybdenum-iron (MoFe) nitrogenase enzyme contains the electron transfer protein (green;?encoded by nifH)?and the α-subunit (magenta; encoded by nifD) and β-subunit (purple; encoded by nifK) of the catalytic enzyme. nifH is used to detect nitrogen-fixing microorganisms in the environment. The iron-sulfur clusters mediate electron transfer to the catalytic centre. The association and dissociation of the electron transfer and catalytic proteins require the input of ATP.b | In the anaerobic ammonium-oxidizing bacterium Kuenenia stuttgartiensis, electrons flow through the haems of the octahaem hydroxylamine oxidase (red arrows). Haems belonging to different monomers are depicted in green, blue and grey. Haem 4 is the catalytic centre.c |?In the membrane-bound bacterial nitrate reductase (NAR), the catalytic dimer is encoded by?narG?and?narH, whereas the membrane anchor is encoded by narI.?narG is used to detect denitrifying microorganisms in the environment.?Nitrate reduction to nitrite occurs in the cytoplasm, and protons are translocated into the periplasm. Thereby, NAR contributes to the proton motive force.d | In K. stuttgartiensis, hzsA, hzsB and hzsC encode hydrazine synthase. The former two genes are used to detect anaerobic ammonium-oxidizing bacteria in the environment. This enzyme is proposed to perform a two-step reaction. It starts in the γ-subunit (grey) with the reduction of nitric oxide to hydroxylamine, which is transported through the substrate channel (brown) to the α-subunit (green). The α-subunit comproportionates hydroxylamine with ammonia into hydrazine. Both reactions are catalysed by cytochrome c?type haem proteins.*ADP-ammonium fluoride; ATP analogue. Part a is adapted with permission from David Goodsell, doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2002_2 (February 2002). Part b was originally published in the J. Biol Chem. Maalcke, W. J. et al. Structural basis of biological NO generation by octaheme oxidoreductases. 2014; 289: 1228–1242. ? the American Society for Biochemistry and Molecular Biology (REF. 8). Part c is adapted with permission from REF. 154, Elsevier. Part d is adapted with permission from REF. 115, Macmillan Publishers Limited.氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)Nitrogen-transforming reactions固氮作用Nitrogen fixation????大氣中的氮?dú)馐强梢宰杂色@得氮的最大庫(kù)存，但從生物學(xué)上講，只有微生物攜帶的金屬固氮酶可以將氮?dú)夤潭榘?ammonia)。固氮酶普遍分布在細(xì)菌和古生菌中，這使它們?cè)谏锟衫玫幌牡沫h(huán)境中存在非常有利的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?？偣灿腥N類型的固氮酶：鐵-鐵（FeFe）、釩-鐵（VFe）和鉬-鐵（MoFe）固氮酶，它們有相似的序列、結(jié)構(gòu)和功能特性，但它們的金屬輔因子（cofactor）不同，而所有的固氮酶都是有兩種物質(zhì)組成（圖2a）。anfDGK，vnfDGK或nifDK分別在活動(dòng)中心分別編碼含鐵、釩或鉬的固氮酶的催化成分。此外，anfH、vnfH?或?nifH?編碼含鐵的電子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（又稱固氮還原酶nitrogenase reductase或鐵蛋白iron protein）。NifH是用來(lái)檢測(cè)環(huán)境中有固氮作用微生物的標(biāo)記基因。土壤細(xì)菌Azotobacter vinelandii可以編碼全部三種類型的固氮菌，然而其它微生物，比如海洋固氮菌?Trichodesmium?spp. 只含有鉬鐵固氮酶。釩是很少被限制，但鉬和鐵分別在陸地和海洋環(huán)境中是罕見(jiàn)的，因此鉬和鐵可以分別在相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)中限制固氮作用。????在固氮作用中，一個(gè)電子載體比如鐵氧化還原蛋白會(huì)首先會(huì)還原鐵蛋白，隨后會(huì)還原催化劑組分，這需要鐵和催化蛋白的分離和再結(jié)合。每固定一分子的氮分子，需要消耗16分子的ATP。額外的生物能量損耗是由于強(qiáng)大的還原劑如鐵氧化還原酶的生產(chǎn)和不穩(wěn)定含氧固氮酶的保護(hù)。由于氧氣的暴露會(huì)使固氮酶失效，故含氧的光能利用菌，比如Trichodesmium?spp.、Crocosphaera watsonii?和Nodularia?spp. 會(huì)使固氮作用和光合作用從空間上（如專門(mén)的固氮異形細(xì)胞里）或時(shí)間上分離。而非光和作用的生物體生活在含氧環(huán)境中則需要一些機(jī)制從氧氣中保護(hù)它們的固氮酶，比如增加氧氣呼吸、超氧化物歧化酶的解毒作用和固氮酶的構(gòu)象等機(jī)制。而關(guān)于存在能夠用一個(gè)不尋常的固氮酶去進(jìn)行一個(gè)完全不同的、對(duì)氧氣不敏感的固氮途徑的觀點(diǎn)也在最近被反駁了。????雖然固氮作用的真核生物還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，但許多有固氮作用的微生物都可以和真核生物共生。例如單核藍(lán)藻菌UCYN-A是固氮微生物中最普遍的一種，它與小型的單核海藻共生，并在海洋固氮作用中起著重要的作用。共生固氮微生物也是動(dòng)物腸道菌群的一部分，比如在白蟻類和雙殼類中發(fā)現(xiàn)的一些特殊細(xì)菌。此外，根瘤菌目的一些固氮成員生活在豆科農(nóng)作物的根瘤中，像苜蓿、黃豆、豌豆和大豆等植物，這些農(nóng)作物提供了全球20%的食物蛋白。氨氧化成羥胺Ammonia oxidation to hydroxylamine????所有已知的好氧氨氧化細(xì)菌和古菌都通過(guò)使用氨單加氧酶（ammonia monooxygenase, AMO）將氨氧化成羥胺而激活氨。大多數(shù)氨氧化細(xì)菌屬于Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria類，并且是屬于氨氧化成亞硝酸鹽的化學(xué)自養(yǎng)生物。它們幾乎可以在所有環(huán)境中找到，包括施肥土壤和污水處理廠。屬于奇古菌門(mén)(Thaumarchaeota)的古菌，例如泉古菌（Nitrosopumilus maritimus），也可以通過(guò)將氨氧化成亞硝酸鹽來(lái)進(jìn)行化學(xué)自養(yǎng)的生長(zhǎng)。他們的發(fā)現(xiàn)解決了海洋中似乎罕見(jiàn)的氨氧化劑的長(zhǎng)期謎團(tuán)。在一些沙質(zhì)和粉質(zhì)粘土中奇古菌門(mén)比細(xì)菌更豐富。此外，嗜酸性氨氧化古菌’Candidatus?Nitrosotalea devanaterra’的分離推翻了由于氨的可用性低導(dǎo)致化學(xué)自養(yǎng)型氨氧化不能在低pH下發(fā)生的普遍假設(shè)。許多氨氧化劑，如Nitrosospira?sp.和Nitrososphaera viennensis也可以降解有機(jī)氮化合物，例如，通過(guò)用尿素酶水解尿素以產(chǎn)生額外的氨。古細(xì)菌Nitrososphaera gargensis也可以通過(guò)用氰化酶水解氰酸鹽來(lái)產(chǎn)生氨。最近，在Nitrospira屬的成員中也發(fā)現(xiàn)了氧化氨的能力，以前認(rèn)為它只能夠進(jìn)行亞硝酸鹽氧化。發(fā)現(xiàn)這些將氨氧化成硝酸鹽的細(xì)菌（完全氨氧化comammox），駁斥了氨和亞硝酸鹽氧化需要兩組不同微生物的教條。執(zhí)行完全氨氧化過(guò)程的細(xì)菌，例如’Candidatus?Nitrospira inopinata’似乎很好地適應(yīng)氨限制環(huán)境，并且在氨利用上可以勝過(guò)大多數(shù)可培養(yǎng)的氨氧化微生物。在氨上生長(zhǎng)的完全氨氧化培養(yǎng)物中亞硝酸鹽的瞬時(shí)積累表明它們比亞硝酸鹽更有效地氧化氨。我們假設(shè)進(jìn)行完全氨氧化過(guò)程的細(xì)菌在氨限制條件下將氨氧化成硝酸鹽，并在氧限制條件下進(jìn)行部分氨氧化成亞硝酸鹽。????AMO與甲烷單加氧酶（MMO）密切相關(guān)，甲基單加氧酶存在于甲烷氧化菌如γ-變形菌門(mén)和候選門(mén)NC10（參考文獻(xiàn)9）中。盡管效率非常低，MMO也可以將氨氧化成羥胺（圖1）。同樣，AMO也可以氧化甲烷，但效率低于MMO。有趣的是， （如在地下水中）檢測(cè)到amo細(xì)菌序列執(zhí)行完全氨氧化過(guò)程，但是被錯(cuò)誤地指定為絲狀甲烷氧化菌Crenothrix polyspora的MMO（pmo）基因微粒。最近對(duì)C.polyspora和其他Crenothrix物種的重新測(cè)序表明它們實(shí)際上含有典型的γ-蛋白質(zhì)細(xì)菌pmo而不是amo。羥胺氧化成一氧化氮和亞硝酸鹽Hydroxylamine oxidation to nitric oxide and further to nitrite????氨氣向羥胺的有氧氧化是一個(gè)吸熱反應(yīng)，因此，所有的氨氧化劑可以使羥胺氧化從而保存能量。而需氧氨氧化細(xì)菌用八面體血紅素羥胺氧化還原酶（HAO）可以將羥胺氧化成亞硝酸鹽。但最近研究表明，HAO將羥胺氧化的結(jié)果不是亞硝酸鹽，而是一氧化氮，然后一氧化氮在一種未知的酶作用下才會(huì)被進(jìn)一步氧化成亞硝酸鹽。盡管目前這種未知的催化酶還沒(méi)有被最終確定下來(lái)，但是含銅的亞硝酸還原酶（Cu-NIR,nirk）卻可以在一氧化氮被氧化成亞硝酸鹽的相反方向起到催化作用。所有的氨氧化細(xì)菌，包括新發(fā)現(xiàn)的可以一步使氨氣徹底氧化成硝酸鹽的硝化螺菌屬細(xì)菌(Nitrospira?spp.)，它們都包含氨單加氧酶（AMO）和羥胺還原酶（HAO）。相比之下，已知的氨氧化古生菌卻不能編碼羥胺還原酶（HAO），而使羥胺氧化反應(yīng)發(fā)生的古生菌酶還是未知的。????羥胺氧化還原酶（HAO）屬于八面體血紅素(octahaem)蛋白家族，在很多微生物中都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)（圖2b）。厭氧氨氧化細(xì)菌的基因可以編碼約十種的類似于HAO的蛋白，而其中的一種也可以使羥胺氧化成一氧化氮。在厭氧氨氧化細(xì)菌中，這種羥胺氧化酶（HOX）可以回收從聯(lián)氨合成酶(HZS)中泄漏的羥胺。甲烷氧化細(xì)菌也可以產(chǎn)生羥胺，這是由于它們非特異的氨氧化反應(yīng)。屬于變形菌門(mén)、疣微菌門(mén)和NC10菌門(mén)中的多種多樣的甲烷氧化菌可以編碼類似HAO的蛋白，而這種蛋白很有可能使羥胺氧化成一氧化氮，一氧化氮還可以進(jìn)一步被氧化成亞硝酸鹽或者被還原成氧化亞氮( 一氧化二氮/笑氣)。目前，在甲烷氧化細(xì)菌中發(fā)生的這種反應(yīng)是否可以直接有助于能量保存還未知。亞硝酸鹽向硝酸鹽的氧化Nitrite oxidation to nitrate????亞硝酸鹽的氧化是產(chǎn)生硝酸鹽的主要生化途徑，而這一過(guò)程可以通過(guò)亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）來(lái)完成。NXR可以被需氧的亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（包括Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Chloroflexi, Nitrospinae和 Nitrospirae）、不產(chǎn)氧的光能利用菌（比如莢硫菌屬Thiocapsa的KS1、紅假單胞菌屬Rhodopseudomonas的LQ17）、厭氧氨氧化細(xì)菌編碼。而需氧的亞硝酸鹽細(xì)菌在亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）的作用下會(huì)直接發(fā)生亞硝酸鹽氧化反應(yīng)從而來(lái)保存能量，但是厭氧亞硝酸細(xì)菌卻不能做到。此外，厭氧氨氧化細(xì)菌會(huì)將厭氧亞硝酸氧化反應(yīng)和碳固定作用結(jié)合起來(lái)。亞硝酸氧化細(xì)菌具有豐富多樣的代謝功能，而且還可以在不是亞硝酸鹽的基質(zhì)上生長(zhǎng)。的確，硝化螺菌屬的一些細(xì)菌可以將氨氣徹底氧化成硝酸鹽，當(dāng)硝化螺菌屬以硝酸鹽為基質(zhì)進(jìn)行呼吸作用時(shí)，在含氫氣環(huán)境中生長(zhǎng)會(huì)進(jìn)行有氧呼吸，而在有機(jī)酸環(huán)境中生長(zhǎng)則進(jìn)行厭氧呼吸。亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）跟細(xì)菌和古生菌的硝酸鹽還原酶也相關(guān)，亞硝酸鹽氧化細(xì)菌在NXR的催化作用下進(jìn)行硝酸鹽還原反應(yīng)。亞硝酸鹽和氨氧化微生物在農(nóng)業(yè)土壤中可以協(xié)同作用將氨基化肥轉(zhuǎn)變成硝酸鹽，它們?cè)诜柿舷蚝铀偷叵滤械牧魇н^(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，而化肥的流失會(huì)導(dǎo)致河流、湖泊、海岸水域的水體富營(yíng)養(yǎng)化。與上述同樣的協(xié)同作用在污水處理工廠中也會(huì)被用做去除氮的第一步處理(BOX 2)。在海洋環(huán)境中，亞硝酸鹽氧化細(xì)菌會(huì)生產(chǎn)硝酸鹽，而硝酸鹽是海洋中最主要的生物可利用氮，同時(shí)亞硝酸鹽氧化細(xì)菌也有助于碳的固定。硝酸鹽還原為亞硝酸鹽Nitrate reduction to nitrite????硝酸鹽被還原成亞硝酸鹽是用來(lái)進(jìn)行呼吸作用的（異化硝酸鹽還原反應(yīng)/dissimilatory nitrate reduction），同時(shí)也使氮被同化成生物量。硝酸鹽被還原為亞硝酸鹽的反應(yīng)都可以由來(lái)自三個(gè)領(lǐng)域中的微生物來(lái)完成，而這些微生物都存在于含有硝酸鹽的缺氧環(huán)境中，包括土壤、低氧區(qū)、海洋沉積物和人類胃腸道中。這些反應(yīng)可以被膜結(jié)合硝酸還原酶（NAR）或者周質(zhì)的硝酸還原酶（NAP）催化，而且許多生物體，包括副球菌屬的反硝化細(xì)菌都含有NAR和NAP。NAR在細(xì)胞質(zhì)中還原硝酸鹽，并將質(zhì)子釋放到細(xì)胞質(zhì)中（圖3c），并通過(guò)質(zhì)子的動(dòng)能量直接有助于節(jié)約能量。相比之下，NAP在細(xì)胞外周質(zhì)中將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，因此不改變質(zhì)子位置。????異化的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽不僅僅是反硝化作用的第一步。許多微生物，比如廣泛分布在淡水和海洋沉積物中的巨大硫氧化貝日阿托氏菌就是先將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，再進(jìn)一步還原為氨鹽。還有許多微生物，比如海洋進(jìn)化分支SAR11的一些成員只把硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。硝酸鹽的還原對(duì)于其它氮循環(huán)過(guò)程來(lái)說(shuō)是亞硝酸鹽的一個(gè)主要的來(lái)源，比如需氧的亞硝酸鹽氧化和厭氧氨氧化作用。異化的硝酸鹽還原反應(yīng)還可以與有機(jī)物、甲烷、硫化物、氫氣或者鐵等電子供體的氧化作用相結(jié)合。????硝酸鹽是真核生物的主要氮源，而細(xì)菌和古生菌中都含有同化硝酸鹽還原酶（NAS）?？紤]到硝酸鹽支持了至少20%的海洋藻類的生長(zhǎng)，所以在海洋中，硝酸鹽的同化吸收作用很可能已經(jīng)超過(guò)了氮循環(huán)過(guò)程中其它大部分的氧化還原反應(yīng)(BOX 1)。NAS與同化亞硝酸鹽還原酶共同產(chǎn)生了氨氣，而這氨氣也成為了生物量的一部分。因?yàn)镹AS定位于細(xì)胞質(zhì)中，所以硝酸鹽的同化需要用依賴ATP的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)。由于這種能量的需求，NAS的活性會(huì)在充滿氨的環(huán)境中被抑制（比如肥沃的土壤中）。????細(xì)菌和古生菌的NAS、周質(zhì)的硝酸還原酶（NAP）、膜結(jié)合硝酸還原酶（NAR）和亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）都屬于二甲亞砜還原酶家族，而真核生物的同化硝酸鹽還原酶屬于亞硫酸鹽氧化酶家族，這就表明硝酸鹽還原酶有多種起源。同化硝酸鹽反應(yīng)與異化硝酸鹽還原反應(yīng)的途徑間的差別并不是絕對(duì)的，從原理上講，亞硝酸鹽的產(chǎn)生是由于在呼吸鏈上可以進(jìn)一步減少硝酸鹽的還原反應(yīng)。相反的是，結(jié)核分支桿菌(Mycobacteriumtuberculosis)已被證實(shí)可以用NAS復(fù)合體來(lái)進(jìn)行硝酸鹽的同化吸收。亞硝酸鹽還原為銨鹽Nitrite reduction to ammonium????亞硝酸鹽還原為氨鹽的反應(yīng)可以用做同化作用，也可以用作異化作用。異化亞硝酸鹽反應(yīng)大部分是由嗜熱的熱球菌屬（thermophilic?Pyrolobus fumarii）家族的細(xì)菌來(lái)完成的，它們屬于Crenarcheota門(mén)的甲烷氧化古菌。這種反應(yīng)是由nrfAH編碼的周質(zhì)的細(xì)胞色素c亞硝酸鹽還原酶（ccNIR）、八面體血紅素亞硝酸鹽還原酶（ONR）或者八面體血紅素連四硫酸鹽還原酶（OTR）催化完成。目前尚不清楚后兩種酶是否能用于呼吸作用、亞硝酸鹽或羥胺的解毒作用中。亞硝酸鹽還原為銨鹽的過(guò)程中還涉及到中間產(chǎn)物羥胺的形成，而羥胺一直和相應(yīng)的酶結(jié)合在一起直到轉(zhuǎn)變成銨鹽。????有趣的是，厭氧氨氧化細(xì)菌K. stuttgartiensis在缺少產(chǎn)生銨鹽的亞硝酸鹽還原酶的情況下，還可以將亞硝酸鹽還原為銨鹽，因此可以推測(cè)亞硝酸鹽還原為銨鹽是由一種類HAO的蛋白完成的。最近研究表明，一種羥胺還原酶（HAO）可以被ε-變形菌門(mén)（比如胎兒彎曲桿菌Campylobacter fetus和鸚鵡螺菌Nautilia profundicola）編碼，此酶被稱為εHAO，也可以將亞硝酸鹽或羥胺還原為銨鹽，只不過(guò)效率比較低。????異化的亞硝酸鹽還原為銨鹽的反應(yīng)是異化硝酸鹽還原為銨鹽（DNRA）過(guò)程的關(guān)鍵反應(yīng)。微生物可以利用異化硝酸鹽還原為銨鹽反應(yīng)（DNRA）和電子供體的氧化耦合來(lái)生長(zhǎng)，比如有機(jī)物、二價(jià)鐵、氫氣、硫化物、甲烷等電子供體。但DNRA對(duì)環(huán)境的重要性還未可知，而且在海洋和湖泊等沉積物中當(dāng)與硝酸鹽有關(guān)的電子供體超量時(shí)，DNRA反應(yīng)就更喜歡反硝化作用。同化亞硝酸鹽還原酶可以產(chǎn)生氨，而且它和NAS一樣普遍，這兩種酶經(jīng)常被相同的nas操縱子編碼。在海洋中亞硝酸鹽最大值的形成是由于浮游植物中硝酸鹽的同化吸收作用與亞硝酸鹽的還原作用并沒(méi)有偶聯(lián)，從而可以釋放更多的亞硝酸鹽，但這種未偶聯(lián)的生理原因并不清楚。亞硝酸鹽還原為一氧化氮Nitrite reduction to nitric oxide????許多微生物都有將亞硝酸鹽還原為一氧化氮的能力，比如變形菌、厭氧氨氧化菌和擬桿菌。這些微生物在很多環(huán)境中都能被發(fā)現(xiàn)，比如在土壤、低氧區(qū)、海洋沉積物等環(huán)境中（在這些環(huán)境中硝酸鹽可被利用且含氧量低）。這種反應(yīng)可以由兩種不相關(guān)的酶催化，包含血紅素的cd1亞硝酸鹽還原酶(cd1-NIR; 被nirS編碼)和含銅的亞硝酸鹽還原酶(Cu-NIR; 被nirK編碼)，而且這兩種酶在細(xì)菌和古生菌中都普遍分布。這兩種酶都存在于外周質(zhì)細(xì)胞內(nèi)，不會(huì)直接有助于節(jié)約能量。這兩種酶也可以一起出現(xiàn)在同一個(gè)微生物內(nèi)，比如海洋紅嗜熱鹽菌(Rhodothermus marinus)。通常nirS 和nirK 被用作基因標(biāo)記來(lái)研究環(huán)境中的反硝化菌，而且這些基因在其他很多微生物中都存在，包括厭氧氨氧化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌、甲烷氧化細(xì)菌、氨氧化細(xì)菌和古生菌。除了cd1-NIR和Cu-NIR，其他亞硝酸鹽還原酶也可能存在。比如，一些厭氧氨氧化細(xì)菌并不包含nirS 和nirK 這兩種基因，但卻可以將亞硝酸鹽還原為一氧化氮。而為了執(zhí)行這種反應(yīng)，這些細(xì)菌可以利用類似于HAO的八面體血紅素氧化還原酶。一氧化氮還原為氧化亞氮或氮?dú)?/span>Nitric oxide reduction to nitrous oxide or dinitrogen gas????一氧化氮是一種信號(hào)分子，一種有毒物質(zhì)，也是反硝化作用、硝化作用和厭氧氨氧化作用過(guò)程中的一個(gè)中間產(chǎn)物。此外，可催化需氧的反硝化作用的細(xì)菌可以將2分子的NO變成1分子的N2和1分子的O2。此后，能夠使NO還原的微生物在環(huán)境中被廣泛發(fā)現(xiàn)，包括廢水處理工廠、農(nóng)業(yè)土壤、海洋沉積物、海洋低氧區(qū)。由微生物引起的NO還原反應(yīng)是N2O的主要來(lái)源，而N2O是一個(gè)強(qiáng)大的溫室氣體（比CO2的溫室效應(yīng)強(qiáng)烈310倍，也是破壞臭氧層的主要物質(zhì)。能夠產(chǎn)生N2O的一氧化氮還原酶（NOR）被用于一氧化氮的解毒作用或呼吸作用。屬于不同組的酶從黃素蛋白到血紅素銅氧化酶，它們都通過(guò)生命樹(shù)而廣泛分布。黃銅-二鐵蛋白例如黃銅-二鐵一氧化氮還原酶（NORvw）可以通過(guò)像硫酸鹽還原細(xì)菌Desulfovibriogigas來(lái)解毒一氧化氮。其他的NOR類型的酶是從真菌線粒體中發(fā)現(xiàn)的依賴NADH細(xì)胞色素P450的一氧化氮還原酶，如鐮刀菌屬的馬拉色菌Fusarium oxysporum以及最近在大腸桿菌Escherichia coli中發(fā)現(xiàn)的混合聚類蛋白(hybrid cluster protein, HCP)。????血紅素銅氧化酶家族包括末端氧化酶類，比如依賴紅細(xì)胞色素cNOR、依賴對(duì)苯二酚qNOR和含銅的依賴對(duì)苯二酚CuANOR，它們都在利用NO呼吸中起作用。氧化亞氮是反硝化作用的中間產(chǎn)物，而NOR存在于反硝化細(xì)菌P. denitrificans和假單胞菌屬Pseudomonas stutzeri等微生物中。氧化亞氮對(duì)于一些微生物來(lái)說(shuō)也可以是最終產(chǎn)物，比如綠葉假單胞菌Pseudomonas chlororaphis。氨氧化細(xì)菌在硝化-反硝化作用中可以產(chǎn)生氧化亞氮，NOR是被用來(lái)在亞硝酸鹽還原過(guò)程中還原產(chǎn)生的NO的。在氨氧化細(xì)菌和能夠一步徹底氧化氨到硝酸鹽的可用細(xì)菌中，氧化亞氮也可以通過(guò)細(xì)胞外的中間產(chǎn)物一氧化氮和羥胺的非生物反應(yīng)產(chǎn)生。此外，氨氧化細(xì)菌還可以在羥胺氧化中產(chǎn)生的一氧化氮還原酶（NOR）的催化作用下產(chǎn)生氧化亞氮。和氨氧化細(xì)菌相似，嗜甲烷細(xì)菌也可以通過(guò)在羥胺氧化和亞硝酸鹽還原中NOR的催化作用產(chǎn)生氧化亞氮。與此相比，氨氧化古生菌只是通過(guò)中間產(chǎn)物NO和羥胺的非生物反應(yīng)產(chǎn)生氧化亞氮。????氮肥的使用大幅度增加了氧化亞氮的排放。由于氮轉(zhuǎn)化微生物的協(xié)同作用，3%-5%的氮作為農(nóng)業(yè)氮肥被轉(zhuǎn)化成氧化亞氮。氮肥越來(lái)越多的被用來(lái)種植農(nóng)作物，用于生物燃料生產(chǎn)，這為代替化石燃料提供了可能。但也因此形成了一個(gè)困境，越多的氮肥被用來(lái)生產(chǎn)生物燃料，就會(huì)有越多的氧化亞氮被排放出來(lái)。為了生產(chǎn)生物燃料而對(duì)氮肥的使用，抵消了由于減少對(duì)化石燃料的使用降低的溫室效應(yīng)的效果。NO轉(zhuǎn)變成氮?dú)夂脱鯕獾钠缁饔檬亲罱话l(fā)現(xiàn)的新的氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)（圖1）。????從湖泊和濕地等富含甲烷和硝酸鹽的缺氧系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的微生物（比如’Ca.?Methylomirabilis oxyfera’）用這種歧化反應(yīng)從亞硝酸鹽中產(chǎn)生自己的氧氣。'Ca.?Methylomirabilis oxyfera’可以在缺氧環(huán)境中生存，也可以利用需氧的甲烷氧化途徑。這種歧化反應(yīng)包含一種不尋常的酶qNOR，暫時(shí)稱這種酶為一氧化氮歧化酶（NO-D）。一氧化氮的歧化反應(yīng)比之前預(yù)想的更為普遍，與此相似的是，這種不尋常的酶qNOR的基因序列在其它菌門(mén)中也存在，比如γ-變形菌門(mén)的HdN1菌株和擬桿菌門(mén)的Muricauda ruestringensis。氧化亞氮還原為氮?dú)?/span>Nitrous oxide reduction to nitrogen gas????由微生物引起的氧化亞氮向氮?dú)獾倪€原，是減少這種強(qiáng)大溫室氣體的主要途徑。已知的催化這種反應(yīng)的酶只有氧化亞氮還原酶（nitrous oxidereductase, NOS），而這種酶定位于細(xì)胞外周質(zhì)中，這對(duì)于由質(zhì)子動(dòng)能引起的能量節(jié)約并沒(méi)有直接的促進(jìn)作用。來(lái)自于變形菌門(mén)、擬桿菌們、綠菌門(mén)的多種多樣的細(xì)菌與來(lái)自于泉古菌門(mén)、嗜鹽菌門(mén)的古生菌都能使用NOS。在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的稍微不同的能夠編碼NOS的基因揭示了人們忽視了土壤中NOS基因序列的多樣性。編碼NOS變體的生物經(jīng)常不含有其它NO還原酶。一些真核生物，比如有孔蟲(chóng)類Foraminifera和網(wǎng)足蟲(chóng)Gromiida,目也可以減少氧化亞氮，但是它們的酶學(xué)機(jī)制未知。????長(zhǎng)久以來(lái)，人們都認(rèn)為NOS比其他氮化合物還原酶對(duì)氧氣、pH、硫化物更敏感。基于這種明顯的敏感性，氧化亞氮向環(huán)境中的排放完全歸因于在能夠使硝酸鹽被還原為氮?dú)獾耐耆聪趸矬w內(nèi)NOS的活性被抑制。此外，比如土壤和海洋環(huán)境，由于這些不完全反硝化菌的相作，比只能進(jìn)行亞硝酸鹽還原為氧化亞氮反應(yīng)或者化亞氮還原為氮?dú)獾姆磻?yīng)的微生物生態(tài)位的差別也會(huì)導(dǎo)致氧化亞氮的產(chǎn)生和消耗間的不平衡。聯(lián)氨合成和氧化為氮?dú)?/span>Hydrazine synthesis and hydrazine oxidation to dinitrogen gas????人們普遍認(rèn)為只有氧氣才能激活氨氣，而生物可利用氮的損失只有通過(guò)反硝化作用被轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。然而最近以亞硝酸鹽作為終端電子受體轉(zhuǎn)化成氮?dú)獾膮捬醢毖趸磻?yīng)卻推翻了這兩種教條觀點(diǎn)。HZS是唯一已知的可以激活厭氧氨的酶，而且它只在浮霉菌門(mén)中的五種厭氧氨氧化細(xì)菌中被發(fā)現(xiàn)。HZS也是唯一已知的可以使兩種離散的氮化合物形成N-N化合鍵的酶，在一個(gè)含有兩步的反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生中間產(chǎn)物聯(lián)氨。而聯(lián)氨合成的假設(shè)機(jī)制是從一氧化氮還原為羥胺開(kāi)始的(圖2d)，然后羥胺和氨一起發(fā)生歸中反應(yīng)產(chǎn)生聯(lián)氨，而聯(lián)氨在自然界中是最強(qiáng)有力的還原劑之一。在這種反應(yīng)中，羥胺從一個(gè)活動(dòng)位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)活動(dòng)位點(diǎn)(圖2d)，這樣在聯(lián)氨合成酶HZS的作用下消耗羥胺。編碼HZS的基因有兩個(gè)，分別是hzsA和hzsB，這兩種基因一般會(huì)被作為環(huán)境中厭氧氨氧化細(xì)菌的標(biāo)記基因。????聯(lián)氨脫氫酶（hydrazine dehydrogenase, HDH）可以將聯(lián)氨氧化成氮?dú)?。通過(guò)對(duì)氨基酸的測(cè)序，知道了這種酶與羥胺氧化還原酶（HAO）和羥胺氧化酶（HOX）有關(guān)，但被羥胺抑制且只氧化聯(lián)氨。聯(lián)氨的氧化作用發(fā)生在被稱為厭氧氨氧化體的一種獨(dú)特的膜結(jié)構(gòu)中，而且很可能與節(jié)省能量有直接關(guān)系。有趣的是，厭氧氨氧化細(xì)菌的所有分解代謝酶（HDH, HZS, NIR, HOX 和 NXR）都只存在于厭氧氨氧化體中。????HDH主要負(fù)責(zé)向大氣中釋放氮?dú)?。在上一個(gè)10年，關(guān)于在海洋中的厭氧氨氧化過(guò)程已經(jīng)很清楚了，而且該過(guò)程在陸地生態(tài)系統(tǒng)中也有著非常重要的作用。? ? ? ? ?
Box 2 | 利用微生物去除廢水的氮Box 2 | Nitrogen removal by microorganisms in wastewater treatment????自工業(yè)革命以來(lái)，農(nóng)耕、化石燃料的燃燒、家庭和工業(yè)產(chǎn)生的廢水等一直都是造成氮污染的主要因素，而氮污染嚴(yán)重影響著地球上的生命。在過(guò)去的四十年，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過(guò)量的氮會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化以及氨鹽的毒性可以造成魚(yú)類的死亡時(shí)，氮就被認(rèn)為是廢水中重要的污染物，因此，在原本用來(lái)去除有機(jī)碳的廢水處理工廠里都又添加了氮去除系統(tǒng)，然而大部分常規(guī)的廢水處理工廠并沒(méi)有進(jìn)行對(duì)氮的去除。在大多數(shù)自然生態(tài)系統(tǒng)中，珍貴的氮都是是被循環(huán)回收和保存的，但與此對(duì)比，在廢水處理廠卻需要通過(guò)特殊設(shè)計(jì)將水體中的銨鹽轉(zhuǎn)變成氮?dú)忉尫诺酱髿庵?。在廢水處理廠中，有機(jī)碳會(huì)首先被去除，然后將有機(jī)碳貧乏但銨鹽氮豐富的水體送入到氮去除系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的去氮系統(tǒng)是依靠硝化作用（NH4+?→ NO2-?→ NO3-）將氨鹽氧化成硝酸鹽，再依靠反硝化作用（NO3-?→ NO2-?→ NO → N2O → N2）將硝酸鹽還原為氮?dú)?。但硝化作用需要大量曝氣增加氧氣?lái)創(chuàng)造條件使氨鹽氧化成硝酸鹽（平均每1分子的氨需要2分子的O2），然后通過(guò)外源添加有機(jī)碳（一般為甲醇）誘導(dǎo)將硝酸鹽還原為氮?dú)獾姆聪趸饔谩Ｒ虼藗鹘y(tǒng)的去氮方法很費(fèi)財(cái)力、精力和資源，而且這個(gè)過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生溫室氣體N2O。為了緩和這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在很多不同結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器應(yīng)運(yùn)而生，如將富含有機(jī)碳的部分原始廢水直接輸入到反硝化作用的步驟中，或者對(duì)單獨(dú)的一個(gè)池子里進(jìn)行間接性的曝氣，以促進(jìn)硝化作用和反硝化作用的進(jìn)行。????在過(guò)去數(shù)十年里，厭氧氨氧化的出現(xiàn)，被用作去除氮的可供選擇的一種方法。在一些簡(jiǎn)潔的生物反應(yīng)器中，需氧的氨氧化細(xì)菌（如亞硝化單胞菌屬Nitrosomonas europea）在氧氣限制條件下可以將一半的生物可利用氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，稱為部分亞硝化。接下來(lái)在細(xì)菌‘Candidatus Kuenenia stuttgartiensis’作用下發(fā)生厭氧氨氧化，將亞硝酸鹽和剩下的氨鹽轉(zhuǎn)變成氮?dú)猓▓DBOX 2中實(shí)線所示）。在這種部分亞硝化厭氧氨氧化的系統(tǒng)中，可以生成硝酸鹽的需氧亞硝酸鹽氧化劑（比如硝化螺菌屬Nitrospira?spp. 或者硝化桿菌屬?Nitrobacter?spp.）是不受歡迎的，因?yàn)樗鼈兘档土说コ男?。這種亞硝化厭氧氨氧化生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)的氮去除系統(tǒng)相比，需要的曝氣較少，而且不需要再另添加有機(jī)碳，產(chǎn)生的N2O氣體也較少。目前，這種亞硝化厭氧氨氧化生物反應(yīng)器在污水處理（比如來(lái)自厭氧污泥硝化器的廢水）中也越來(lái)越多的被應(yīng)用，而這些系統(tǒng)在含有較低銨鹽濃度的全市規(guī)模的廢水處理中的應(yīng)用，為可持續(xù)的治理廢水鋪平了道路。????最近發(fā)現(xiàn)的一些氮循環(huán)中的微生物也可以應(yīng)用到廢水治理中?？梢允拱毖趸絹喯跛猁}的古生菌和徹底氨氧化為硝酸鹽的細(xì)菌在廢水處理工廠中被發(fā)現(xiàn)，但它們?cè)谶@些系統(tǒng)中所扮演的角色還很不清楚。在氧氣受限制的氮去除系統(tǒng)中（比如亞硝化厭氧氨氧化反應(yīng)器），那些可以進(jìn)行徹底的氨氧化成硝酸鹽的細(xì)菌可能跟傳統(tǒng)的氨氧化過(guò)程一樣產(chǎn)生亞硝酸鹽。而令人興奮的是，新發(fā)現(xiàn)的依賴亞硝酸鹽和依賴硝酸鹽的厭氧甲烷氧化微生物為廢水的治理提供了一種新的可能。一個(gè)聯(lián)合厭氧甲烷氧化菌（比如‘Candidatus?Methylomirabilis’spp.和‘Candidatus?Methanoperedens’ spp.）聯(lián)和可進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)的微生物反應(yīng)器，就可以同時(shí)去除氨鹽、硝酸鹽和甲烷（圖BOX 2中虛線所示）。這樣的系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室的條件下建立起來(lái)了，但這種完整規(guī)模的污水處理系統(tǒng)還沒(méi)有在實(shí)際環(huán)境中被應(yīng)用，而在這樣系統(tǒng)中，需氧的甲烷氧化劑如Methylomonas?spp.可以有助于甲烷的去除。????對(duì)氮循環(huán)微生物的基本生理和生化以及應(yīng)的研究正在步步進(jìn)行中，新的微生物的發(fā)現(xiàn)會(huì)引領(lǐng)更高效和持續(xù)發(fā)展的去氮系統(tǒng)，反之亦然。很明顯地，這種趨勢(shì)可以保護(hù)環(huán)境而造福我們的子孫后代。

Box 2 | 利用微生物去除廢水的氮微生物構(gòu)成的氮轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)????微生物在氮轉(zhuǎn)化方面的多樣性是驚人的，每一種微生物都有各自最優(yōu)的生長(zhǎng)條件。由于在自然界中生長(zhǎng)環(huán)境是多變的，而且很少能達(dá)到最優(yōu)條件，所以微生物個(gè)體對(duì)氮的轉(zhuǎn)化效率必然是低效的。然而，在自然界中依靠微生物群落的氮轉(zhuǎn)化效率比依靠單個(gè)微生物的轉(zhuǎn)化效率高多了。因此，在微生物群的作用下，幾乎沒(méi)有生物可利用氮逃逸到大氣中，而以氮?dú)獾男问綋p失的少量的氮也會(huì)由于固氮作用而達(dá)到平衡。這種明顯的氮體內(nèi)平衡不僅是全球生物圈的特征，也是很多生態(tài)系統(tǒng)的特征，比如森林土壤和海洋環(huán)流。這些能夠高效進(jìn)行氮回收的必需微生物群落，即使因?yàn)榄h(huán)境擾動(dòng)而使微生物的物種組成發(fā)生了改變，它們?nèi)匀粫?huì)保持氮轉(zhuǎn)化的反應(yīng)。由微生物連接起來(lái)的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程在自然和人為建造的生態(tài)系統(tǒng)中都形成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)（圖3）。????世界上最大的生態(tài)系統(tǒng)-海洋環(huán)流，因?yàn)榇罅康牡厥绽枚_(dá)到了一個(gè)氮平衡（圖3a）。在這里主要的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程是由藍(lán)藻細(xì)菌如Prochlorococcus marinus完成氮的同化作用、由浮游動(dòng)物和異養(yǎng)細(xì)菌如‘Candidatus?Pelagibacter ubique’完成的氨化作用和由Nitrosopumilus?spp. 和Nitrospina?spp. 完成的硝化作用（BOX 1，圖3a）。而由微生物如Trichodesmium?spp.和‘Ca.?Atelocyanobacterium’完成的固氮作用，它們?cè)诤Ｑ蟓h(huán)流中屬于相當(dāng)小的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程。但因?yàn)榭砂l(fā)生固氮作用的區(qū)域非常大，所以它是向海洋中提供生物可利用氮的主要途徑。與海洋環(huán)流相比，那些低氧區(qū)的水域雖然不到公海海域的1%，但卻占海洋領(lǐng)域氮損失的30%-50%(BOX 1)。在這里，厭氧微生物如‘Candidatus?Scalindua’ spp.可以與需氧的生物體如Nitrosopumilus?spp. 和?Nitrospina?spp. 共生。由微生物構(gòu)成的氮轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)在公海的低氧區(qū)是非常復(fù)雜的，彼此之間以及與旁邊發(fā)生的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程都是已知的（圖3b）。????和低氧區(qū)水域相似，在廢水處理工廠也是以不平衡的氮轉(zhuǎn)化為特點(diǎn)。這些人為設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要用來(lái)將銨鹽轉(zhuǎn)變成氮?dú)馀诺娇諝庵械模˙OX 2）。農(nóng)業(yè)土壤是人為建造的最大的生態(tài)系統(tǒng)，它們由微生物構(gòu)成的氮轉(zhuǎn)化系統(tǒng)已經(jīng)受到了人工輸入氮的強(qiáng)烈影響。種植的豆科農(nóng)作物和固氮微生物群形成了共生關(guān)系，這大大增加了環(huán)境中氮的輸入量。固氮微生物菌如Bradyrhizobium?spp.）經(jīng)常生活在特定的根瘤中，并給豆科植物提供銨鹽（圖3c），而銨鹽泄漏到周?chē)寥乐杏挚梢源龠M(jìn)其他微生物的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程，比如需氧的氨氧化作用。在稻田領(lǐng)域，人工肥料的使用導(dǎo)致了強(qiáng)烈的硝化作用，并加大了氮的損失。最近的研究展示 高度復(fù)雜的氮轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)，包括亞硝酸鹽還原‘Ca.?Methylomirabilis’ spp.和硝酸鹽還原(‘Ca.Methanoperedens’ spp.)甲烷氧化菌 (圖3d)。在這些生態(tài)系統(tǒng)中，一些氮轉(zhuǎn)化微生物，如厭氧氨氧化菌，可以進(jìn)行多重氧化還原反應(yīng)（反應(yīng)1、2、5、7、10、12和13；圖1）。但是，硝化和反硝化等過(guò)程是由一個(gè)復(fù)雜的特異網(wǎng)絡(luò)以模塊化的方式執(zhí)行的（圖3）。這種模塊化是氮轉(zhuǎn)化微生物網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)普遍特征，導(dǎo)致了合作和競(jìng)爭(zhēng)的相互作用（如圖3所示）。亞硝基槐屬Nitrosopumilus?spp.和硝化菌屬Nitrospina?spp.之間存在協(xié)同作用，它們共同將氨氧化成硝酸鹽（圖3a，b）。在大多數(shù)環(huán)境中，硝化是由氨氧化微生物和亞硝酸鹽氧化微生物的不同組合進(jìn)行的，它們也分別與氨和亞硝酸鹽競(jìng)爭(zhēng)。具有非常不同代謝的微生物之間也存在著底物競(jìng)爭(zhēng)，如硝化螺屬Nitrospira?spp.、‘Candidatus?Brocadia’ spp.、‘Ca.?Methanoperedens’ spp.和假單胞菌屬，它們都在競(jìng)爭(zhēng)亞硝酸鹽（圖3d）。微生物間的相互作用也可以同時(shí)合作和競(jìng)爭(zhēng)：亞硝基硫菌Nitrosopumilus?spp. 為‘Ca?Scalindua’spp.生產(chǎn)亞硝酸鹽，但兩者都競(jìng)爭(zhēng)氨（圖3b）。????控制這些相互作用的因素不太清楚。有時(shí)，單一的生理特性被用來(lái)解釋某些氮轉(zhuǎn)化微生物在環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)。例如，在氨耗盡的環(huán)境中，氨氧化古細(xì)菌相對(duì)于細(xì)菌的豐度是由于古細(xì)菌具有較高的氨親和力。然而，最近有研究表明，陸生細(xì)菌“嗜氨芽孢桿菌”‘Ca. Nitrospira inopinata’的氨親和力高于所有培養(yǎng)的陸生氨氧化古細(xì)菌。然而，執(zhí)行Comammox過(guò)程的微生物并不能主導(dǎo)所有氨耗盡的陸地環(huán)境。氮轉(zhuǎn)化微生物的成功還取決于其他因素，如使用替代底物和細(xì)胞能量需求。這些因素在形成氮轉(zhuǎn)化微生物網(wǎng)絡(luò)中可能具有一般作用。圖3 | 不同生態(tài)系統(tǒng)的氮轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)Fig. 3 | Potential nitrogen-transforming microbial networks in different ecosystems

*圖3a. 公共海水環(huán)流氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò)圖a | 公海環(huán)流營(yíng)養(yǎng)有限地區(qū)進(jìn)行廣泛氮循環(huán)。在陽(yáng)光照射的地表水中，藍(lán)藻主要吸收銨和/或有機(jī)氮化合物進(jìn)行生長(zhǎng)。浮游動(dòng)物分解的病毒裂解釋放出有機(jī)氮如尿素由異養(yǎng)細(xì)菌礦化成銨。固氮細(xì)菌提供額外的銨。在深水中，銨被氧化成硝酸鹽。其中一些硝酸鹽擴(kuò)散到地表水中，被浮游植物吸收。a | The open ocean gyres are vast nutrient-limited regions in which nitrogen is extensively recycled. In the sunlit surface waters, cyanobacteria mainly assimilate ammonium and/or organic nitrogen compounds for growth. Viral lysis and grazing by mesozooplankton release organic nitrogen (for example, urea), which is subsequently mineralized back to ammonium by heterotrophic bacteria. Nitrogen-fixing bacteria provide additional ammonium. In deeper waters, ammonium is oxidized to nitrate. Some of this nitrate diffuses up into the surface waters and is assimilated by phytoplankton.

圖3b. 海水低氧區(qū)氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò)b | 海洋氧氣最低區(qū)位于海洋東部邊界，在那里，風(fēng)驅(qū)動(dòng)的富營(yíng)養(yǎng)水上升流刺激地表水的初級(jí)生產(chǎn)力。隨后下沉有機(jī)物的好氧礦化會(huì)耗盡底層水中的氧氣。好氧硝化群落能很好地適應(yīng)低氧條件，對(duì)亞硝酸鹽和硝酸鹽進(jìn)行氨氧化。由于厭氧氨氧化菌的活性和較小程度的反硝化作用，最低氧區(qū)是氮流失的主要區(qū)域。反硝化過(guò)程涉及復(fù)雜的微生物群落。b | Marine oxygen minimum zones are found on the eastern boundaries of oceans, where wind-driven upwelling of nutrient rich waters stimulates primary productivity in the surface waters. The subsequent aerobic mineralization of sinking organic matters depletes oxygen in the underlying waters. Aerobic nitrifying communities that are well adapted to low oxygen conditions perform ammonia oxidation to nitrite and nitrate. The oxygen minimum zones are major regions of nitrogen loss owing to the activity of anaerobic ammonium-oxidizing bacteria and to a lesser extent denitrification. Complex communities of microorganisms are involved in the denitrification process.? ? ? ? ?
圖3c. 人造最大生態(tài)系統(tǒng)——農(nóng)田氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò)c | 最大的人造生態(tài)系統(tǒng)是用于農(nóng)作物生產(chǎn)的農(nóng)田。豆類是常見(jiàn)的作物，也是蛋白質(zhì)的重要來(lái)源。它們通過(guò)釋放有機(jī)碳來(lái)影響周?chē)寥乐械奈⑸锶郝?，并與固氮微生物共生，如慢生根瘤菌。漏入周?chē)寥乐械匿@可以促進(jìn)好氧氨和亞硝酸鹽氧化。隨后硝酸鹽在土壤中向缺氧區(qū)擴(kuò)散，為氮轉(zhuǎn)化過(guò)程提供燃料，如硝酸鹽還原成銨、一氧化二氮和氮?dú)?。c | Among the largest man-made ecosystems are agricultural fields that are used for crop production. Legumes are common crops and an important source of protein. They influence the microbial community in the surrounding soil by releasing organic carbon and live in symbiosis with nitrogen-fixing microorganisms, such as?Bradyrhizobium spp. Ammonium that leaks out into the surrounding soil can fuel aerobic ammonia and nitrite oxidation. Subsequent diffusion of nitrate to anoxic zones in soil fuels nitrogen-transforming processes, such as dissimilatory nitrate reduction to ammonium, nitrous oxide and dinitrogen gas.? ? ? ? ?
圖3d. 稻田的氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò)d | 稻田是被水淹沒(méi)的農(nóng)田，用尿素等含氮化合物進(jìn)行施肥以種植水稻。尿素水解和固氮產(chǎn)生氨，氨在水稻植物根系周?chē)难趸寥乐斜谎趸上跛猁}。硝酸鹽隨后擴(kuò)散到潛在的缺氧土壤燃料過(guò)程中，如反硝化、厭氧氨氧化（anammox）和產(chǎn)甲烷產(chǎn)生的甲烷氧化。d | Rice paddies are flooded agricultural fields, which are fertilized with nitrogen-containing compounds such as urea to grow rice155. Urea hydrolysis and nitrogen fixation generate ammonia, which is oxidized to nitrate in oxic soils surrounding the rice-plant roots. Subsequent diffusion of nitrate to the underlying anoxic soil fuels processes such as denitrification, anaerobic ammonium oxidation (anammox) and the oxidation of methane produced by methanogenesis.Box3 | 未被發(fā)現(xiàn)的生物化學(xué)反應(yīng)????在過(guò)去十年里許多由微生物引起的新的氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)和途徑被發(fā)現(xiàn)，而基于熱力學(xué)方面的考慮，應(yīng)該會(huì)存在由微生物引起的更進(jìn)一步釋放能力的反應(yīng)（反應(yīng)15—26）。然而這里有一些反應(yīng)可以由已知的酶催化，但有一些反應(yīng)卻需要迄今為止未被發(fā)現(xiàn)的生物化學(xué)催化劑（反應(yīng)15—19,25和26）。例如依賴硝酸鹽的氨氧化作用（反應(yīng)15）不能通過(guò)厭氧氨氧化途徑來(lái)進(jìn)行，因?yàn)榘丙}需要首先被氧化成中間產(chǎn)物羥胺或者類似的含氧物質(zhì)。反應(yīng) 15：5NH4+?+ 3NO3-?→ 4N2?+ 9H2O + 2H+?(ΔG0??= ?297 kJ mol-1?NH4+)相似的，激活氨鹽的新的生化途徑對(duì)于依賴鐵和錳的氨氧化作用是必需的（反應(yīng)16—19）。反應(yīng) 16：NH4+?+ 6Fe3+?+2H2O → NO2-?+ 6Fe2+?+ 8H+?(ΔG0??= ?247 kJ mol-1?NH4+)反應(yīng) 17：2NH4+?+ 6Fe3+?→ N2?+ 6Fe2+?+ 8H+?(ΔG0??= ?303 kJ mol-1?NH4+)反應(yīng) 18：NH4+?+ 3MnO2?+ 4H+?→ N2-?+ 3Mn2+?+ 4H2O (ΔG0??= ?60 kJ mol-1?NH4+)反應(yīng) 19：2NH4+?+ 3MnO2?+ 4H+?→ N2?+ 3Mn2+?+ 6H2O (ΔG0??= ?249 kJ mol-1?NH4+)????相反地，一些歧化反應(yīng)（反應(yīng)20—24）可以由已知的微生物用現(xiàn)存的生化機(jī)制實(shí)施。厭氧氨氧化細(xì)菌可以進(jìn)行對(duì)亞硝酸鹽（反應(yīng)20）和一氧化氮（反應(yīng)21）的歧化作用。反應(yīng) 20：5NO2-?+ 2H+?→ N2?+ 3NO3-?+ 2H2O (ΔG0??= ?60 kJ mol-1?NO2-)反應(yīng) 21：10NO + 2H2O → 3N2?+ 4NO3-?+ 4H+?(ΔG0??= ?100 kJ mol-1?NO)????相似的，由亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氧化亞氮和硝酸鹽的歧化反應(yīng)（反應(yīng)22）、由一氧化氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽和氧化亞氮的歧化反應(yīng)（反應(yīng)23）或者是由一氧化氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽和氧化亞氮的歧化反應(yīng)（反應(yīng)24），在理論上可以由需氧的亞硝酸鹽氧化細(xì)菌完成。反應(yīng) 22：4NO2-?+ 2H+?→ N2O + 2NO3-?+H2O (ΔG0??= ?32 kJ mol-1?NO2-)反應(yīng) 23：4NO + H2O → 2NO2-?+ N2O + 2H+?(ΔG0??= ?40 kJ mol-1?NO)反應(yīng) 24：8NO + H2O → 2NO3-?+ 3N2O + 2H+?(ΔG0??= ?56 kJ mol-1?NO)????這些微生物可以利用亞硝酸鹽氧化還原酶使亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，而存在于硝化桿菌屬Nitrobacter?spp.、硝化球菌屬Nitrococcus?spp.、硝化螺菌屬Nitrospira?spp.和硝化刺菌屬Nitrospina?spp.中的亞硝酸鹽還原酶可以將亞硝酸鹽還原為一氧化氮。一氧化氮的氧化可以在硝化桿菌屬Nitrobacter?spp.中觀察到，但是這種反應(yīng)是生物反應(yīng)還是非生物反應(yīng)還未可知，而且與該反應(yīng)有關(guān)的酶還不清楚。一氧化氮氧化成亞硝酸鹽的反應(yīng)可以由含銅的亞硝酸鹽還原酶（由nirk基因編碼）催化，眾所周知這個(gè)反應(yīng)是雙向的。NO還原為N2O的反應(yīng)可以由末端氧化酶類催化，而末端氧化酶類在進(jìn)化上是與NO還原酶有關(guān)。N2O是一種強(qiáng)效的溫室氣體，在缺氧條件下可以被還原為氮?dú)?，而它在好氧條件下被認(rèn)為在生物學(xué)上性質(zhì)比較穩(wěn)定的。有趣的是，從熱力學(xué)上講需氧的氧化亞氮被氧化成亞硝酸鹽或者硝酸鹽反應(yīng)是可行的（反應(yīng)25、26），但這種反應(yīng)需要新的生化途徑。反應(yīng) 25：N2O + O2?+H2O → 2NO2-?+ 2H+?(ΔG0??= ?21 kJ/mol N2O)反應(yīng) 26：N2O + 2O2?+ H2O → 2NO3-?+ 2H+?(ΔG0??= ?89 kJ/mol N2O)????將催化這些未被發(fā)現(xiàn)反應(yīng)的微生物鑒定出來(lái)的唯一方法就是在條件可控的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)它們。很顯然，對(duì)這些氮轉(zhuǎn)化微生物的生理生化條件的研究在未來(lái)幾年的里是研究熱點(diǎn)。
Concluding remarks????確定形成氮轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)的因素需要對(duì)所涉及微生物的生理、生態(tài)和進(jìn)化有更深入的了解。所有微生物中只有一小部分被培養(yǎng)，未被培養(yǎng)的大多數(shù)可能含有未被發(fā)現(xiàn)的代謝途徑（BOX 3）。培養(yǎng)再加上嚴(yán)格的生化、生理和基因組特征，已經(jīng)改變了我們對(duì)關(guān)鍵氮循環(huán)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。好氧亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌具有迄今為止未預(yù)料到的代謝多樣性，這使得它們的分類僅僅是好氧亞硝酸鹽氧化劑或厭氧氨氧化劑的分類方式嚴(yán)重不足。許多好氧亞硝酸鹽氧化劑可能在環(huán)境中以氫氧化劑、氨氧化劑或硝酸鹽還原劑的形式生長(zhǎng)。厭氧氨氧化菌也可以使用短鏈脂肪酸、甲胺和鐵（II）作為電子受體，它們可以使用硝酸鹽、錳（IV）和鐵（III）作為電子受體。????相反，越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到單一微生物的完全反硝化是例外，而不是普遍規(guī)律，許多微生物是只進(jìn)行一種或幾種氮氧化物還原反應(yīng)的專家。專門(mén)的氮氧化物還原劑往往缺乏已知的基因，使他們能夠?qū)⑾跛猁}一路還原到氮?dú)狻＿@些專業(yè)的氮氧化物還原劑通常被描述為不完整的反硝化劑，這與將氨氧化劑（如亞硝酸鹽）描述為不完整的硝化劑類似。????毫無(wú)疑問(wèn)，按照經(jīng)典的六氮循環(huán)過(guò)程對(duì)生物體進(jìn)行分類將變得越來(lái)越困難，這就讓觀察者不得不確定生物體的功能。如果我們能從過(guò)去幾十年的研究中學(xué)到一件事，那就是微生物間沒(méi)有嚴(yán)格的界限。為了生存，他們會(huì)做任何必要的事情。