Обогащение и характеристика оксида азота
Природная микробиология, том 8, страницы 1574–1586 (2023 г.) Процитировать эту статью
4249 Доступов
144 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.