Обогащение и характеристика оксида азота

Природная микробиология, том 8, страницы 1574–1586 (2023 г.) Процитировать эту статью

4971 Доступов

145 Альтметрика

Подробности о метриках

Оксид азота (NO) — это высокореактивная и климатически активная молекула, а также ключевой промежуточный продукт в микробном цикле азота. Несмотря на его роль в эволюции денитрификации и аэробного дыхания, высокий окислительно-восстановительный потенциал и способность поддерживать рост микробов, наше понимание NO-восстанавливающих микроорганизмов остается ограниченным из-за отсутствия NO-восстанавливающих микробных культур, полученных непосредственно из окружающей среды с использованием NO в качестве субстрат. Здесь, используя биореактор непрерывного действия и постоянную подачу NO в качестве единственного акцептора электронов, мы обогатили и охарактеризовали микробное сообщество, в котором доминируют два ранее неизвестных микроорганизма, которые растут при наномолярных концентрациях NO и выживают в высоких количествах (>6 мкМ) этого токсичного газа. , уменьшая его до N2 с незначительным или необнаружимым образованием парникового газа закиси азота. Эти результаты дают представление о физиологии NO-восстанавливающих микроорганизмов, которые играют ключевую роль в контроле климатически активных газов, удалении отходов и развитии нитратного и кислородного дыхания.

Оксид азота (NO) представляет собой сильно окисляющую молекулу, выполняющую важные функции в клеточной биологии и химии атмосферы. В атмосфере NO способствует загрязнению воздуха как предшественник сильнодействующего парникового газа закиси азота (N2O), образованию кислотных дождей и истощению озонового слоя1,2. В клеточной биологии NO легко диффундирует через клеточные мембраны и быстро реагирует с другими свободными радикалами и переходными металлами3, что делает его высокотоксичным для микробной жизни4,5. Физико-химические свойства NO также делают его ценной сигнальной молекулой6 и ключевым промежуточным продуктом в круговороте неорганических форм азота7, подчеркивая, что микроорганизмы разработали стратегии не только для обнаружения и детоксикации NO, но и для его очень эффективного дыхания5,8,9.

Фактически, на ранней Земле, задолго до появления кислородного фотосинтеза, NO, образующийся в результате молний и вулканизма, был самым мощным окислителем, доступным для жизни (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\) = +1,173 В (NO/N2O)) (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\), стандартный потенциал средней точки)10,11,12. Следовательно, предполагается, что до появления аэробного дыхания NO играл ключевую роль в развитии биоэнергетического пути, связанного с современной денитрификацией12, в котором предковые NO-редуктазы (NOR) служили предшественниками терминальных оксидаз, используемых позже. при аэробном дыхании13,14,15. Это говорит о том, что на ранних этапах истории жизни на нашей планете должно было возникнуть широкое разнообразие микроорганизмов, способных собирать энергию за счет восстановления NO, независимо от его токсичности.

В современном азотном цикле NO является ключевым промежуточным продуктом только в двух процессах, которые выбрасывают N2 в атмосферу: анаэробном окислении аммония (анаммокс) и денитрификации7. Во время анаммокса бактерии из типа Planctomycetes восстанавливают нитрит (NO2-) до NO, который затем используется для активации аммония в гидразин в отсутствие кислорода16. При денитрификации NO превращается во время ступенчатого восстановления нитрата (NO3-) до N2 (NO3- → NO2- → NO → N2O → N2) огромным разнообразием микроорганизмов, широко распространенных на древе жизни17. В отличие от анаммокса, денитрификация может осуществляться либо индивидуально отдельными микроорганизмами, либо, альтернативно, консорциумами различных микроорганизмов, при этом каждый микроорганизм осуществляет одну или несколько различных реакций восстановления N-оксида (уравнения (1)–(4)) . В соответствии с этим, различные N-оксид-восстанавливающие микроорганизмы были выделены с использованием NO3- и промежуточных продуктов денитрификации NO2- и N2O, но не NO 18,19. Однако был продемонстрирован рост микроорганизмов непосредственно на этом субстрате; например, было показано, что анаммокс-бактерии растут непосредственно на NO и аммонии в отсутствие NO2- (ссылка 8), а денитрифицирующие микроорганизмы, как предполагается, увеличивают свою биомассу при питании NO в различных условиях20,21,22. Тем не менее, информации о росте денитрифицирующих микроорганизмов на NO недостаточно, а наши знания о физиологии восстановления NO как отдельной реакции, так и как части процесса денитрификации, основаны на культурах, которые не были получены с использованием NO и обычно ограничивается ингибированием и токсическим действием NO на клетки5.

92% completeness) from diverse bacterial phyla (Table 2 and Supplementary Table 2) that represented ~85% of the microbial community in the enrichment culture (as approximated by the fraction of metagenomic reads mapping). Five MAGs contained genes encoding NOR and N2O reductases (NOS), which are necessary to reduce NO to N2 (equations (3) and (4)). Two MAGs encoded only NOS, suggesting these organisms did not use NO as an electron acceptor and instead reduced N2O that might be released by other cells. The five remaining MAGs did not contain any NOR or NOS./p>1,500 bp) 16S rRNA gene sequences extracted from the metagenome were imported into the database and aligned using SINA (SILVA Incremental Aligner 1.2.12)87. Probe S-*-Nper-0205-a-A-23 (Nper205, 5′-TGTCGCGCGAGGTCGTTTCCAAT-3′) targeted only Ca. Nitricoxidivorans perseverans with no mismatches, and had at least one mismatch with all other sequences in the database and at least five mismatches with the other 16S rRNA sequences extracted from the metagenome. A helper probe (5′-ACTAGCTAATCCGGCATCGGCCGCT-3′) was designed to ensure efficient hybridization efficiency of Nper205 to the target organisms. Probe S-*-Nbre-0448-a-A-19 (Nbre448, 5′-TTAGCGACGACCGTTTCGT-3′) targeted with no mismatches Ca. Nitricoxidireducens bremensis and five other uncultured organisms in the database that were not present in our enrichment culture, and had at least one mismatch with all other sequences in the database and at least three mismatches with the other 16S rRNA sequences extracted from the metagenome. The optimal formamide concentrations for the hybridization of the Nper205 and Nbre448 probes were determined from probe dissociation profiles88 generated with the image analysis software daime89./p>