综述 | Trends in Microbiology：微生物代谢与温室气体的长期关系
编译：艾奥里亚，编辑：小菌菌、江舜尧。
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N2O和CH4两种温室气体的生产和消费在很大程度上由微生物所调控，参与调控的这些微生物长期以来一直具有各自明确的功能职责。然而，近年来，我们对微生物和生物地球化学过程两者之间如何通过相互作用来调控这些气体的流量有了更深入的理解。N2O和CH4的消费和生产在功能上是交织在一起的，并涉及从有氧环境到缺氧生态系统的一系列其他生物地球化学活性分子。此外，如氮氧化物与金属的反应在内的非生物过程，对微生物表现出很大的影响，对温室气体排放也起着同样重要的作用。在地球化学和气候变化的背景下，本文对微生物温室气体代谢的复杂酶学和生理学相关问题进行探索。
论文ID
原名：The Long-Term Relationship between Microbial Metabolism and Greenhouse Gases
译名：微生物代谢与温室气体的长期关系
期刊：Trends in Microbiology
IF：11.974
发表时间：2020年2月
通讯作者：Lisa Y. Stein
作者单位：阿尔伯塔大学
综述内容
1 微生物，温室气体以及气候变化
由于人类活动导致大气中温室气体的升高，进而导致的全球气候变化被公认为是对人类和地球的长期威胁。世界各地的微生物学研究者认为，社会对微生物和微生物学的了解对于解决气候危机至关重要。尽管微生物学家已经深入探索了被认为是氮和甲烷循环的主要甚至唯一驱动因素的描述良好的功能类别的生理学和生态学相关问题（图1）。但我们在探索微生物代谢、酶进化、地球化学以及从生态系统到大气的温室气体动力学之间的新联系和新能力方面仍在做出努力，以便更好的改变我们的模型和理解。
近年来，新的微生物的发现，使得我们对于微生物与其局部地球化学之间的动态关系有了更好的认识，同时，微生物与代谢物之间不可预见的相互作用对N2O和CH4的形成和消耗具有影响（图1）。在这些发现中，N2O作为古老的最终电子受体，被分类学上不同的微生物所利用；影响产生N2O的硝化细菌的生物因素和非生物因素不仅受生物学因素的影响，还受地球化学因素的影响；细菌和古菌可以与多种最终电子受体结合氧化CH4，导致N2O的产生；产甲烷菌（Methanogens）是严格意义上的厌氧菌，但在含氧土壤中丰富且活跃。除了微生物和代谢潜力的这种新发现外，最近的研究表明，微生物产生和释放活性中间体的过程受到金属的强烈影响，而金属又反过来影响N2O和CH4的释放。自古以来就存在着N2O和CH4代谢的过程，从生物地球化学循环的波动到有氧呼吸和真核生物的兴起。下面简要概述了微生物代谢产生N2O和CH4的复杂、相互交错的动力学情况，以及它们在广泛的地球化学、进化和环境方面的影响。
2 呼吸产生N2O是一种古老但目前仍相关的代谢方式
典型的反硝化途径包括一系列酶，将硝酸盐（NO3-）还原为氮，其中间产物为亚硝酸盐（NO2-）、一氧化氮（NO）和N2O（表1），反硝化的最后一步是由一氧化二氮还原酶（NosZ）催化进行。考虑到人们对全球N2O排放量（主要来自农业土壤）不断增加的担忧，人们对解决N2O的自然汇的兴趣或许越来越浓厚。N2O作为支持微生物呼吸的最终电子受体的重要性早在很早之前就已被模拟，并预测N2O可能在含铁海洋中伴随着NO的还原而大量产生的。一些模型表明，反硝化呼吸与好氧呼吸共同进化；氮氧化物和氧气对于在现存的细菌和真核生物都具有十分重要的意义。事实上，NosZ和一氧化氮还原酶（NorB）都与细胞色素c氧化酶有保守的基序，这表明反硝化作用和好氧呼吸之间存在直接的进化联系。此外，由于反硝化原核生物祖先的水平基因转移，底栖foraminifers保留了呼吸硝酸盐和氧气的能力。总而言之，这些发现和模型证实了氮氧化物的呼吸是一种重要的新陈代谢，并且起源于古代。
在现阶段，研究人类活动如何导致氮循环向净N2O排放和大气积累的失衡，从而击垮NosZ驱动的N2O汇是很有趣的。由于NosZ的活性部分需要铜的参与，因此铜的有效性对NosZ的表达和活性具有十分重要的意义。正因为如此，土壤中铜的有效性直接关系到NosZ的表达以及随后N2O还原成N2。相反，低铜浓度降低NosZ的表达，增加N2O的产生，同时关闭维生素B12依赖的途径（当N2O与维生素B12结合时可以使维生素B12失活）。因此，NosZ不仅对减少N2O的排放具有十分重要的意义，还可以通过保护细胞生物合成和代谢所需的必需维生素辅助因子，保护周围生物群免受N2O的细胞毒性作用。此外，由于一些甲烷氧化菌能够产生铜螯合剂，由此说明NosZ的活性也与甲烷循环直接相关，目前已有研究发现，通过有效地竞争铜使其较少与反硝化细菌的接触，可以增加N2O的产生，同时减少CH4的排放（图1）。
尽管N2O排放量继续增加，但最近的研究发现了一个高度代表但迄今未被识别的细菌nosZ基因分支，它们独立于完整的反硝化途径而存在。这些含有clade II nosZ基因的非反硝化N2O还原微生物的数量至少与含有clade I nosZ基因的完全反硝化微生物一样多，可能对全球N2O汇有很大贡献。欧洲土壤中N2O汇容量的结构方程模型表明，尽管clade I和cladeII nosZ编码的微生物在减缓N2O排放方面都起到了重要作用，但clade II nosZ基因的存在与N2O消耗之间存在很强的相关性。此外，在土壤中直接添加非反硝化N2O还原剂可以显著减少N2O的排放，表明它们具有重要的生理潜力。
生长速度和代谢灵活性被视为控制携带clade I和cladeII nosZ基因的微生物的存在和生长的两个因素。其中生长速率是在废水污泥中区分编码clade I与cladeII nosZ 微生物的最重要标准。由于生长速率较慢，非反硝化N2O还原微生物在可变碳或在有效N2O存在下无法与完全反硝化微生物相竞争，只有在降低稀释率的条件下才能使非反硝化N2O还原微生物在该体系中显著增加。尽管其生长速率较慢，但分离的非反硝化N2O还原菌具有巨大的代谢灵活性，这允许它们利用不同终端电子受体进行呼吸作用来生长。虽然非反硝化N2O还原菌和完全反硝化菌两者对于全球N2O汇方面都具有十分重要的作用，但在很多生态系统以及相关的分离物尚未被探究，因此关于非反硝化N2O还原菌和完全反硝化菌的相对适应度的概括还有待考量。
3 硝化产生N2O的两种机制
除了完全反硝化外，硝化是另一个公认的N2O来源（图1）。硝化作用是氨（NH3）通过NO2−氧化为NO3的过程，涉及三类微生物：氨氧化微生物（氨氧化细菌AOB；氨氧化古菌AOA）、完全氨氧化微生物（comammox bacterial）以及亚硝酸盐氧化微生物（NOB）。在这些群体中，只有AOB和AOA对全球N2O排放具有很大的贡献。所有氨氧化微生物都以NH3为唯一的细胞能量来源并作为还原剂来驱动碳固定和生物合成，但它们产生和释放氮氧化物从而导致N2O排放的机制有所不同。对于AOB来说，将NH3氧化为羟胺（NH2OH）的氨单加氧酶（AMO）和将NH2OH氧化为NO2−的羟胺脱氢酶（HAO）被视为是氨氧化进行的两种初级酶（表1）。然而，最近的研究表明，NO是HAO氧化NH2OH的产物，这相当于在该途径中调用迄今为止未表征的第三方酶活性：一氧化氮氧化酶（NOO）酶（表1）。
目前已有研究证实，AOA对NOB的生产和消费具有严格的调控，而游离的NO是满足氨氧化活动所必需的。与AOB相似，在AOA中，编码和表达的AMO酶与细菌AMO同源。但基于目前的模型研究，有关AOA中NH2OH氧化步骤的酶学问题存在争议。一部分研究认为，这种氧化过程基于Cu参与进行，另方面，有人倾向于一种单一的酶，将NH2OH和NO作为共底物直接产生NO2−，但有关模型的准确性尚未得到证实。就N2O的产生而言，在AOA中尚未发现其表达AOB的同源途径。相反，有研究证实，在活性氨氧化过程中，AOA会发生异常反应，形成“杂化”的N2O，并释放活性代谢中间体NH2OH、NO和NO2−。在杂化N2O分子中，其中一个N原子来自NH2OH，另一个来自NO2−。在AOA高度丰富和活跃的体系中，可能产生大量的N2O，特别是当存在其他促进N2O形成的非生物反应的分子时。此外，一些AOA物种已被证明通过表达一种推测的细胞色素P450nor，在氧化、酸性条件下通过酶促途径将NO2−还原为N2O。
AOB同样可以在反应中间体外流时产生N2O，然而，编码一氧化氮还原酶（NorB）酶的AOB可以进行硝化反硝化，通过酶促反应将NO2−通过NO还原到N2O。在土壤测量中，相对于AOB失活的土壤来说，AOB和AOA活跃的土壤中产生的N2O更多。因此，尽管AOA的数量通常高于AOB，但硝化反硝化是一种比杂化形成N2O更有效的N2O来源。
相似于AOB，Comammox细菌也可以编码AMO和HAO的同系物，而且被推测也可以编码NOO。Comammox细菌还编码亚硝酸盐氧化还原酶（NXR），使它们能够将NH3氧化为NO3−（表1）。目前的研究发现，comammox细菌似乎专门在极低的NH3浓度下生存，同时相较于NO2−氧化而言，其NH3表现出更有利的动力学进程。与AOA类似，comammox分离的Nitrospira inopinata被证明需要游离的NO来保证氨氧化的进行，并且它只在活性氨氧化过程中通过非生物形成产生N2O。comammox基因组由于缺乏NorB一氧化氮还原酶，因此不进行硝化反硝化，但几乎所有的comammox基因组编码一种类似于AOA中观察到的Nirk亚硝酸还原酶。这表明，nirk在AOA和comammox细菌中起着更重要的作用。但在生产和消费机制方面，comammox酶学的相关研究仍未得到解决。而由于comammox细菌的种群数量较少，其营养生活方式较为单一，同时缺乏硝化反硝化途径，因此其在N2O贡献方面表现的较弱。
4 甲烷氧化的不同生物地球化学
CH4通常被认为是一种比N2O更重要的温室气体，由于其对总排放量的贡献更大（CH4的贡献约10%，N2O的贡献约5-6%），且在冻土解冻过程中也出现了水合物释放CH4的灾难性威胁，因此减少CH4的含量显得尤为重要。生物甲烷汇是由甲烷营养微生物组成的，基于对O2的使用和分类方法可分为两大类。细菌甲烷氧化菌利用甲烷单加氧酶（MMO）用O2将CH4氧化为甲醇，而古菌甲烷氧化菌则利用反甲基辅酶m还原酶（Mcr）在缺氧条件下将CH4氧化为CO2（表1）。据估计，生物甲烷氧化可以减少约5%的年CH4排放到大气中，而大部分排放物通过与羟基自由基反应在对流层中被破坏。
好氧甲烷营养菌分为三个细菌门：Proteobacteria、Verrucomicrobia以及NC10。虽然许多细菌可以生长在其他单一甚至多碳底物上，这些细菌以CH4为细胞碳和能量的唯一来源进行生长。MMO将CH4氧化成甲醇，然后被一系列酶氧化成甲醛、甲酸和二氧化碳（图2）。铜和镧系元素对好氧甲烷氧化菌都有很强的调控作用。一些好氧的甲烷培养物产生methanobactin，有效地清除铜以促进甲烷氧化，而牺牲其他微生物过程，如通过NosZ还原成N2O。
好氧甲烷氧化菌需要O2才能生长，而NC10甲烷氧化菌则使用好氧内代谢，将2NO2−还原成2NO，然后将其分解成O2和N2。然后，O2在细胞内被消耗，用于好氧甲烷氧化菌将CH4氧化为CO2。NC10甲烷氧化菌有时与Candidatus Methanoperedenaceae科中的厌氧甲烷营养古菌（ANME-2d）共同作用将CH4氧化，同时还原NO3−形成CO2和NO2−（图2）。这一过程为NC10细菌提供了NO2−，也使这一协同关系的CH4消耗增加了一倍。另一个有用的协同关系存在于NC10和Anammox细菌之间，由于这两者协同作用过程可以产生最小的N2O，因此可用于处理含有大量甲烷和铵的废水。此外，一些好氧甲烷氧化菌表达反硝化酶，在低氧条件下还原NO3−/NO2−形成NO和N2O，导致N2O和CH4的净损失。反硝化好氧甲烷氧化菌可以是缺氧至缺氧生态系统中CH4氧化和N2O产生的重要来源。
5 跨越O2梯度的N2O和CH4的源和汇
显然，多种相互作用和复杂的因素调节微生物代谢，而微生物代谢又决定了生态系统是N2O和CH4的净生产者还是消费者。O2是所有要考虑的强烈影响微生物代谢和温室气体排放的最后一个因素。考虑到N2O和CH4的已知源和汇，微生物过程在O2梯度上分布广泛，许多在低氧区汇合（图3）。这种观察微生物群落的方式模糊了严格好氧或厌氧生活方式的微生物的生态位偏好。其中更有趣的分布是在缺氧和氧化生态系统中的产甲烷菌。产甲烷菌是一种专性厌氧菌，通常缺乏在O2存在下存活的保护机制（如过氧化氢酶和超氧化物歧化酶）。值得注意的是，最近的一项研究表明，活性产甲烷菌在有氧的土壤生态系统中可以产生甲烷。发现一种新的产甲烷物种“Candidatus Methanothrix paradoxum”在有氧的土壤中丰富且活跃，同时不需要广泛表达氧解毒基因。本研究还发现，与Candidatus Methanothrix paradoxum相关的微生物在土壤宏基因组数据集中具有广泛的代表性，这支持了这样一种估计，即含氧的土层中土壤甲烷排放量约占总排放量的40%-90%。除本研究外，尽管它们在缺氧区更为丰富和活跃，但仍在干旱土壤结壳中同样检测到活性产甲烷菌，并表达了典型的过氧化氢酶基因。在没有产甲烷菌的情况下，在含氧的含氧光化区，甲烷可以通过不同异养细菌对甲基膦酸盐的去甲基化而大量产生。此外，真核生物（植物、动物、真菌）可以通过降解各种代谢物来产生甲烷作为应激响应，但相关甲烷产生对全球甲烷预算的总体贡献尚不清楚。
低氧区多个过程的聚类表明，这些区域对于调控N2O和CH4的通量是高度动态的，也许是缓解温室气体最重要的区域。Marine oxygen minimum zones是研究缺氧对微生物产N2O和CH4的影响的最优区域。由于NO3−和CH4的可获得新以及生化过程的基因表达随着O2的减少而增加，因此缺氧有利于反硝化、硝化反硝化和反硝化甲烷氧化。在缺氧条件下，NC10和反硝化甲烷氧化菌对N2O和NosZ消耗也受到刺激，表明缓解策略必须侧重于促进汇，同时抑制源而进行。
总结
本综述概述了微生物对N2O和CH4代谢的许多调控因素，这些因素可能有助于制定缓解策略（图4）。土地利用管理可以应用一些策略，包括操纵铜浓度以促进NosZ活性和好氧甲烷氧化，减少肥料使用同时抑制硝化以限制NO3−有效性，或增加曝气以降低缺氧环境的产生。工程策略可包括促进NC10与其他微生物建立协同关系，以去除废水中的CH4和NO2-同时不产生N2O，或收集工业中的散逸性甲烷排放，以供给产甲烷氧化菌，用于生产增值产品。应用这些解决方案将需要更深入地了解微生物过程和调控它们的因素的复杂相互作用。
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