一個在氮循環(huán)圈的存在了一百多年的教條貌似要壽終正寢了——英國《自然》和美國《科學(xué)》雜志接連報道了一種叫COMAMMOX的微生物種群，中文世界里目前貌似沒人聊這個話題(至少百度搜不到)。作為可能是跟蹤這個話題的中文第一人，小編姑且擅自叫它做完全氨氧化，又可俗稱“一站式”硝化菌。但如果各位教授專家覺得有更加恰當(dāng)?shù)拿郑瑲g迎指教。
“一站式”單步硝化菌
過去二十年，大家對微生物界的氮循環(huán)的認識一直在不斷的修正中前進，對此大家已經(jīng)覺得這里邊沒有什么是絕對的。盡管如此，大家對這個循環(huán)圈的其中一個“理論”似乎又是再清晰確切不過了——那就是氮的硝化作用需要由兩組不同的微生物分兩步完成——先把氨氮(NH3)氧化成亞硝態(tài)氮(NO2–)，最終再氧化成硝態(tài)氮(NO3–)。
這個理論最先是由俄國微生物界傳奇維諾格拉斯基 (Sergei Winogradsky)早在19世紀末“成功”展示，他分離出了負責(zé)這兩步硝化的微生物，也就是所謂的AOB(ammonia oxidizing bacteria)和NOB(nitrite oxidizing bacteria)。但這個超過100年歷史的教條在2015年圣誕節(jié)前被英國明星科學(xué)雜志《自然》上的兩篇同日發(fā)表的題目雷同的文章和隨后一篇在美國微生物學(xué)會的文章終結(jié)了。三個科學(xué)團隊發(fā)現(xiàn)了三種不同的培養(yǎng)和一種非培養(yǎng)細菌能夠各自進行從氨氮到硝態(tài)氮的完全硝化過程。
2016年1月22日最新一期的美國明星科學(xué)雜志《科學(xué)》也終于有了相應(yīng)的綜述性觀點總結(jié)，這顯示這個話題在國外圈子越來越火。
圖1. 荷蘭奈梅亨團隊的Mike Jetten通過自己的推特號賣paper廣告來著了
如果你大學(xué)學(xué)過生物化學(xué)(當(dāng)然還要有點物理化學(xué)的基礎(chǔ)，例如你知道(或還記得)什么是吉布斯自由能之類的)，那你應(yīng)該不難理解，如果一個反應(yīng)式在熱力學(xué)上是可行的，那么理論上微生物是能找到辦法讓這個反應(yīng)發(fā)生的。所以理論上，一個能夠發(fā)生完全硝化反應(yīng)的硝化菌(nitrifier)理應(yīng)從單位摩爾的底物中獲取更大的能量(energy)。
當(dāng)然跟那些進行分步反應(yīng)的微生物相比，前者可能會因此長得更慢(低生長速率)。十年前，Costa及其團隊對生長速率(growth rate)和生長量(growth yield)之間的權(quán)衡機制(trade-off)進行了模擬，一般來說前者常見于短途代謝路徑，而后者偏向于長線路徑。他們發(fā)現(xiàn)這種權(quán)衡機制應(yīng)該支持完全硝化菌的存在，尤其當(dāng)微生物能在克隆群落(clonal colonies)緩慢生長時，例如生物膜，無論是天然的還是人工的表面。
有了以上的鋪墊，你可能就對這些完全氨氧化菌的存在不再感到太過驚奇了，無論它是來自水生環(huán)境(1)、地下深處的管道(2)抑或是自來水處理廠的生物活性濾池(3)。而在目前發(fā)現(xiàn)的三個案例里，這種細菌都同屬一個屬Nitrospira (中文貌似叫硝化螺菌屬)。而在此之前，Nitrospira一直被認為只能氧化亞硝態(tài)氮成硝態(tài)氮。
圖3. 單步硝化反應(yīng)和經(jīng)典兩步反應(yīng)的對比圖
這里說個題外話，歪果科學(xué)家們除了會做實驗，也很會marketing市場營銷，就像這個完全氨氧化菌，他們給它起的英文名就很有逼格，朗朗上口——COMAMMOX，也就是英文COMplete AMMonia OXidizers的縮寫。這個名字完全襯得起這個氮循環(huán)學(xué)術(shù)界的新明星、新話題…
另外，無論你英文好不好，只要你是個水行業(yè)的人，我猜你會聽過ANAMMOX或厭氧氨氧化。本人預(yù)測在未來幾年的科學(xué)圈和工業(yè)圈必有一堆關(guān)于這兩個帶AMMOX后綴的種群的交叉文章接踵而來，包括英文和中文。
圖 3. 顯微鏡下的Nitrospira的團簇的模樣
至于這個COMAMMOX菌的細節(jié)，我就不在本文中繼續(xù)細談了，因為已經(jīng)超出了科普的范圍，包括了微生物環(huán)境基因組(metagenome)甚至是CRISPR(5) 等許多生物技術(shù)的知識。感興趣的朋友如果想再深入了解信息，請閱讀參考資料的文章(真的很高能，請自行準備好足夠多的ATP三磷酸腺苷前往觀看)。
文章最后，我想分享一下我和在自來水處理廠發(fā)現(xiàn)了這個COMAMMOX的英國格拉斯哥團隊的第一作者，有著副教授頭銜的Ameet Pinto的郵件交流。
2016年1月7號，我給剛搬到美國波士頓的他email了一個問題：“May I know how you would interpret the importance of this discovery and its long-term influence in the wastewater industry?” 用粗俗的話解釋就是說，你覺得這發(fā)現(xiàn)對污水處理有毛影響嗎?雖然這個人是研究自來水的…但他的回復(fù)和我也算是想到一個點上了——那就是COMAMMOX和ANAMMOX的競爭性。以下是他回復(fù)的原文：
Indeed comammox is an exciting discovery and I think will have implications for nitrogen management. From a wastewater perspective, I think for now the focus may be on understanding how comammox may affect short-cut nitrification/denitrification processes and also trying to better understand the interactions between comammox and canonical AOB/AOA and NOB as well as anammox. It is really difficult to say more than this without appropriate experiments involving N balance in these systems.
My particular interest is in drinking water and nitrification is very important. Within the drinking water plant comammox can be a positive influence in terms of ammonia removal, but in the distribution system it may affect the stability of disinfectant residual in chloraminated systems.I am quite interested in this and my group will certainly be focussing on this heavily in the near future. Who know what else will be discovered!
如果你的研究方向和他相似，盡可以跟他聯(lián)系，他的推特賬號是@watermicrobe，email是 a.pinto@neu.edu
本文就這樣點到為止。小編不是學(xué)霸，若有技術(shù)性錯誤，敬請指正。本文只旨在希望這里給中國同行開一頭，讓國內(nèi)科研團隊也加入COMAMMOX的研究大軍中。
原標(biāo)題:《自然》跨年熱點 - 荷德團隊發(fā)現(xiàn)單步硝化菌，終結(jié)百年氮循環(huán)教條
《自然》跨年熱點 - 荷德團隊發(fā)現(xiàn)單步硝化菌，終結(jié)百年氮循環(huán)教條
奧尼卡水處理創(chuàng)新部落 | 2016-01-28
學(xué)術(shù)星期四
本周奧氏博客的“學(xué)術(shù)星期四”繼續(xù)談氮。一個在氮循環(huán)圈的存在了一百多年的教條貌似要壽終正寢了——英國《自然》和美國《科學(xué)》雜志接連報道了一種叫COMAMMOX的微生物種群，中文世界里目前貌似沒人聊這個話題（至少百度搜不到）。作為可能是跟蹤這個話題的中文第一人，小編姑且擅自叫它做完全氨氧化，又可俗稱“一站式”硝化菌。但如果各位教授專家覺得有更加恰當(dāng)?shù)拿郑瑲g迎指教。
“一站式”單步硝化菌過去二十年，大家對微生物界的氮循環(huán)的認識一直在不斷的修正中前進，對此大家已經(jīng)覺得這里邊沒有什么是絕對的。盡管如此，大家對這個循環(huán)圈的其中一個“理論”似乎又是再清晰確切不過了——那就是氮的硝化作用需要由兩組不同的微生物分兩步完成——先把氨氮(NH3)氧化成亞硝態(tài)氮(NO2–)，最終再氧化成硝態(tài)氮(NO3–)。這個理論最先是由俄國微生物界傳奇維諾格拉斯基 (Sergei Winogradsky)早在19世紀末“成功”展示，他分離出了負責(zé)這兩步硝化的微生物，也就是所謂的AOB(ammonia oxidizing bacteria)和NOB(nitrite oxidizing bacteria)。但這個超過100年歷史的教條在2015年圣誕節(jié)前被英國明星科學(xué)雜志《自然》上的兩篇同日發(fā)表的題目雷同的文章和隨后一篇在美國微生物學(xué)會的文章終結(jié)了。三個科學(xué)團隊發(fā)現(xiàn)了三種不同的培養(yǎng)（1,2）和一種非培養(yǎng)細菌（3）能夠各自進行從氨氮到硝態(tài)氮的完全硝化過程。2016年1月22日最新一期的美國明星科學(xué)雜志《科學(xué)》也終于有了相應(yīng)的綜述性觀點總結(jié)，這顯示這個話題在國外圈子越來越火。
圖1. 荷蘭奈梅亨團隊的Mike Jetten通過自己的推特號賣paper廣告來著了
如果你大學(xué)學(xué)過生物化學(xué)(當(dāng)然還要有點物理化學(xué)的基礎(chǔ)，例如你知道(或還記得)什么是吉布斯自由能之類的)，那你應(yīng)該不難理解，如果一個反應(yīng)式在熱力學(xué)上是可行的，那么理論上微生物是能找到辦法讓這個反應(yīng)發(fā)生的。所以理論上，一個能夠發(fā)生完全硝化反應(yīng)的硝化菌(nitrifier)理應(yīng)從單位摩爾的底物中獲取更大的能量(energy)。當(dāng)然跟那些進行分步反應(yīng)的微生物相比，前者可能會因此長得更慢(低生長速率)。十年前，Costa及其團隊(4)對生長速率(growth rate)和生長量(growth yield)之間的權(quán)衡機制(trade-off)進行了模擬，一般來說前者常見于短途代謝路徑，而后者偏向于長線路徑。他們發(fā)現(xiàn)這種權(quán)衡機制應(yīng)該支持完全硝化菌的存在，尤其當(dāng)微生物能在克隆群落(clonal colonies)緩慢生長時，例如生物膜，無論是天然的還是人工的表面。
有了以上的鋪墊，你可能就對這些完全氨氧化菌的存在不再感到太過驚奇了，無論它是來自水生環(huán)境(1)、地下深處的管道(2)抑或是自來水處理廠的生物活性濾池(3)。而在目前發(fā)現(xiàn)的三個案例里，這種細菌都同屬一個屬Nitrospira (中文貌似叫硝化螺菌屬)。而在此之前，Nitrospira一直被認為只能氧化亞硝態(tài)氮成硝態(tài)氮。
圖3. 單步硝化反應(yīng)和經(jīng)典兩步反應(yīng)的對比圖
這里說個題外話，歪果科學(xué)家們除了會做實驗，也很會marketing市場營銷，就像這個完全氨氧化菌，他們給它起的英文名就很有逼格，朗朗上口——COMAMMOX，也就是英文COMplete AMMonia OXidizers的縮寫。這個名字完全襯得起這個氮循環(huán)學(xué)術(shù)界的新明星、新話題…
另外，無論你英文好不好，只要你是個水行業(yè)的人，我猜你會聽過ANAMMOX或厭氧氨氧化。本人預(yù)測在未來幾年的科學(xué)圈和工業(yè)圈必有一堆關(guān)于這兩個帶AMMOX后綴的種群的交叉文章接踵而來，包括英文和中文。
圖 3. 顯微鏡下的Nitrospira的團簇的模樣
至于這個COMAMMOX菌的細節(jié)，我就不在本文中繼續(xù)細談了，因為已經(jīng)超出了科普的范圍，包括了微生物環(huán)境基因組(metagenome)甚至是CRISPR(5) 等許多生物技術(shù)的知識。感興趣的朋友如果想再深入了解信息，請閱讀參考資料的文章(真的很高能，請自行準備好足夠多的ATP三磷酸腺苷前往觀看)。
文章最后，我想分享一下我和在自來水處理廠發(fā)現(xiàn)了這個COMAMMOX的英國格拉斯哥團隊的第一作者，有著副教授頭銜的Ameet Pinto的郵件交流。
圖4. Ameet的推特
2016年1月7號，我給剛搬到美國波士頓的他email了一個問題：“May I know how you would interpret the importance of this discovery and its long-term influence in the wastewater industry?” 用粗俗的話解釋就是說，你覺得這發(fā)現(xiàn)對污水處理有毛影響嗎？雖然這個人是研究自來水的…但他的回復(fù)和我也算是想到一個點上了——那就是COMAMMOX和ANAMMOX的競爭性。以下是他回復(fù)的原文：
Indeed comammox is an exciting discovery and I think will have implications for nitrogen management. From a wastewater perspective, I think for now the focus may be on understanding how comammox may affect short-cut nitrification/denitrification processes and also trying to better understand the interactions between comammox and canonical AOB/AOA and NOB as well as anammox. It is really difficult to say more than this without appropriate experiments involving N balance in these systems.
My particular interest is in drinking water and nitrification is very important. Within the drinking water plant comammox can be a positive influence in terms of ammonia removal, but in the distribution system it may affect the stability of disinfectant residual in chloraminated systems.I am quite interested in this and my group will certainly be focussing on this heavily in the near future. Who know what else will be discovered!
如果你的研究方向和他相似，盡可以跟他聯(lián)系，他的推特賬號是@watermicrobe，email是 a.pinto@neu.edu
本文就這樣點到為止。小編不是學(xué)霸，若有技術(shù)性錯誤，敬請指正。本文只旨在希望這里給中國同行開一頭，讓國內(nèi)科研團隊也加入COMAMMOX的研究大軍中。
參考資料 1.M.A.H.J. van Kessel et al., Nature 10.1038/nature16459 (2015).2. H. Daims et al., Nature 10.1038/nature16461 (2015).3. A. J. Pinto et al., mSphere 10.1128/mSphere.00054-15 (2015).4. E. Costa, J. Perez, J. U. Kreft, Trends Microbiol. 14, 213 (2006).5. A short journey into a metagenomic dataset - http://merenlab.org/2015/12/09/musings-over-commamox/
6. A.E.Santoro, Science 20.2226/science.aad9671(2016)
