江南,《自然》跨年热点 - 荷德团队发现单步硝化菌，终结百年氮循环教条
时间：2023-11-26
焦点提醒：《天然》跨年热门 - 荷德团队发觉单步硝化菌，终结百年氮轮回教条
一个在氮轮回圈的具有了一百多年的教条貌似要与世长辞了——英国《天然》和美国《科学》杂志接连报导了一种叫COMAMMOX的微生物种群，中文世界里今朝貌似没人聊这个话题(最少百度搜不到)。作为多是跟踪这个话题的中文第一人，小编姑且私行叫它做完全氨氧化，又可俗称“一站式”硝化菌。但假如列位传授专家感觉有加倍得当的名字，接待指教。
“一站式”单步硝化菌
曩昔二十年，大师对微生物界的氮轮回的熟悉一向在不竭的批改中进步，对此大师已感觉这里边没有甚么是绝对的。虽然如斯，大师对这个轮回圈的此中一个“理论”仿佛又是再清楚切当不外了——那就是氮的硝化感化需要由两组分歧的微生物分两步完成——先把氨氮(NH3)氧化成亚硝态氮(NO2–)，终究再氧化成硝态氮(NO3–)。
这个理论最早是由俄国微生物界传奇维诺格拉斯基 (Sergei Winogradsky)早在19世纪末“成功”展现，他分手出了担任这两步硝化的微生物，也就是所谓的AOB(ammonia oxidizing bacteria)和NOB(nitrite oxidizing bacteria)。但这个跨越100年汗青的教条在2015年圣诞节前被英国明星科学杂志《天然》上的两篇同日颁发的标题问题类似的文章和随后一篇在美国微生物学会的文章终结了。三个科学团队发觉了三种分歧的培育和一种非培育细菌可以或许各行其是从氨氮到硝态氮的完全硝化进程。
2016年1月22日最新一期的美国明星科学杂志《科学》也终究有了响应的综述性不雅点总结，这显示这个话题在国外圈子愈来愈火。
图1. 荷兰奈梅亨团队的Mike Jetten经由过程本身的推特号卖paper告白来着了
假如你年夜学学过生物化学(固然还要有点物理化学的根本，例如你晓得(或还记得)甚么是吉布斯自在能之类的)，那你应当不难理解，假如一个反映式在热力学上是可行的，那末理论上微生物是能找到法子让这个反映产生的。所以理论上，一个可以或许产生完全硝化反映的硝化菌(nitri����APPfier)理应从单元摩尔的底物中获得更年夜的能量(energy)。
固然跟那些进行分步反映的微生物比拟，前者可能会是以长得更慢(低发展速度)。十年前，Costa和其团队对发展速度(growth rate)和发展量(growth yield)之间的衡量机制(trade-off)进行了摹拟，一般来讲前者常见在短途代谢路径，尔后者方向在长线路径。他们发觉这类衡量机制应当撑持完全硝化菌的具有，特别当微生物能在克隆群落(clonal colonies)迟缓发展时，例如生物膜，不管是自然的仍是人工的概况。
有了以上的铺垫，你可能就对这些完全氨氧化菌的具有不再感应过分惊异了，不管它是来自水生情况(1)、地下深处的管道(2)抑或是自来水处置厂的生物活性滤池(3)。而在今朝发觉的三个案例里，这类细菌都同属一个属Nitrospira (中文貌似叫硝化螺菌属)。而在此之前，Nitrospira一向被认为只能氧化亚硝态氮成硝态氮。
图3. 单步硝化反映和典范两步反映的对照图
这里说个题外话，歪果科学家们除会做尝试，也很会marketing市场营销，就像这个完全氨氧化菌，他们给它起的英文名就很有逼格，朗朗上口——COMAMMOX，也就是英文COMplete AMMonia OXidizers的缩写。这个名字完全衬得起这个氮轮回学术界的新明星、新话题…
别的，不管你英文好欠好，只需你是个水行业的人，我猜你会听过ANAMMOX或厌氧氨氧化。本人猜测在将来几年的科学圈和工业圈必有一堆关在这两个带AMMOX后缀的种群的交叉文章相继而来，包罗英文和中文。
图 3. 显微镜下的Nitrospira的团簇的样子
至在这个COMAMMOX菌的细节，我就不在本文中继续细谈了，由于已超越了科普的规模，包罗了微生物情况基因组(metagenome)乃至是CRISPR(5) 等很多生物手艺的常识。感爱好的伴侣假如想再深切领会消息，请浏览参考材料的文章(真的很高能，请自行预备好足够多的ATP三磷酸腺苷前去不雅看)。
文章最初，我想分享一下我和在自来水处置厂发觉了这个COMAMMOX的英国格拉斯哥团队的第一作者，有着副传授头衔的Ameet Pinto的邮件交换。
2016年1月7号，我给刚搬到美国波士顿的他email了一个问题：“May I know how you would interpret the importance of this discovery and its long-term influence in the wastewater industry?” 用粗鄙的话注释就是说，你感觉这发觉对污水处置有毛影响吗?固然这小我是研究自来水的…但他的答复和我也算是想到一个点上了——那就是COMAMMOX和ANAMMOX的合作性。以下是他答复的原文：
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!
假如你的研究标的目的和他类似，尽能够跟他联系，他的推特账号是@watermicrobe，email是 a.pinto@neu.edu
本文就如许点到为止。小编不是学霸，如有手艺性毛病，敬请斧正。本文只旨在但愿这里给中国同业开一头，让国内科研团队也插手COMAMMOX的研究年夜军中。
原题目:《天然》跨年热门 - 荷德团队发觉单步硝化菌，终结百年氮轮回教条
《天然》跨年热门 - 荷德团队发觉单步硝化菌，终结百年氮轮回教条奥尼卡水处置立异部落|2016-01-28学术礼拜四本周奥氏博客的“学术礼拜四”继续谈氮。一个在氮轮回圈的具有了一百多年的教条貌似要与世长辞了——英国《天然》和美国《科学》杂志接连报导了一种叫COMAMMOX的微生物种群，中文世界里今朝貌似没人聊这个话题（最少百度搜不到）。作为多是跟踪这个话题的中文第一人，小编姑且私行叫它做完全氨氧化，又可俗称“一站式”硝化菌。但假如列位传授专家感觉有加倍得当的名字，接待指教。“一站式”单步硝化菌曩昔二十年，大师对微生物界的氮轮回的熟悉一向在不竭的批改中进步，对此大师已感觉这里边没有甚么是绝对的。虽然如斯，大师对这个轮回圈的此中一个“理论”仿佛又是再清楚切当不外了——那就是氮的硝化感化需要由两组分歧的微生物分两步完成——先把氨氮(NH3)氧化成亚硝态氮(NO2–)，终究再氧化成硝态氮(NO3–)。这个理论最早是由俄国微生物界传奇维诺格拉斯基 (Sergei Winogradsky)早在19世纪末“成功”展现，他分手出了担任这两步硝化的微生物，也就是所谓的AOB(ammonia oxidizing bacteria)和NOB(nitrite oxidizing bacteria)。但这个跨越100年汗青的教条在2015年圣诞节前被英国明星科学杂志《天然》上的两篇同日颁发的标题问题类似的文章和随后一篇在美国微生物学会的文章终结了。三个科学团队发觉了三种分歧的培育（1,2）和一种非培育细菌（3）可以或许各行其是从氨氮到硝态氮的完全硝化进程。2016年1月22日最新一期的美国明星科学杂志《科学》也终究有了响应的综述性不雅点总结，这显示这个话题在国外圈子愈来愈火。
图1. 荷兰奈梅亨团队的Mike Jetten经由过程本身的推特号卖paper告白来着了假如你年夜学学过生物化学(固然还要有点物理化学的根本，例如你晓得(或还记得)甚么是吉布斯自在能之类的)，那你应当不难理解，假如一个反映式在热力学上是可行的，那末理论上微生物是能找到法子让这个反映产生的。所以理论上，一个可以或许产生完全硝化反映的硝化菌(nitrifier)理应从单元摩尔的底物中获得更年夜的能量(energy)。固然跟那些进行分步反映的微生物比拟，前者可能会是以长得更慢(低发展速度)。十年前，Costa和其团队(4)对发展速度(growth rate)和发展量(growth yield)之间的衡量机制(trade-off)进行了摹拟，一般来讲前者常见在短途代谢路径，尔后者方向在长线路径。他们发觉这类衡量机制应当撑持完全硝化菌的具有，特别当微生物能在克隆群落(clonal colonies)迟缓发展时，例如生物膜，不管是自然的仍是人工的概况。有了以上的铺垫，你可能就对这些完全氨氧化菌的具有不再感应过分惊异了，不管它是来自水生情况(1)、地下深处的管道(2)抑或是自来水处置厂的生物活性滤池(3)。而在今朝发觉的三个案例里，这类细菌都同属一个属Nitrospira (中文貌似叫硝化螺菌属)。而在此之前，Nitrospira一向被认为只能氧化亚硝态氮成硝态氮。
图3. 单步硝化反映和典范两步反映的对照图这里说个题外话，歪果科学家们除会做尝试，也很会marketing市场营销，就像这个完全氨氧化菌，他们给它起的英文名就很有逼格，朗朗上口——COMAMMOX，也就是英文COMplete AMMonia OXidizers的缩写。这个名字完全衬得起这个氮轮回学术界的新明星、新话题…别的，不管你英文好欠好，只需你是个水行业的人，我猜你会听过ANAMMOX或厌氧氨氧化。本人猜测在将来几年的科学圈和工业圈必有一堆关在这两个带AMMOX后缀的种群的交叉文章相继而来，包罗英文和中文。
图 3. 显微镜下的Nitrospira的团簇的样子至在这个COMAMMOX菌的细节，我就不在本文中继续细谈了，由于已超越了科普的规模，包罗了微生物情况基因组(metagenome)乃至是CRISPR(5) 等很多生物手艺的常识。感爱好的伴侣假如想再深切领会消息，请浏览参考材料的文章(真的很高能，请自行预备好足够多的ATP三磷酸腺苷前去不雅看)。文章最初，我想分享一下我和在自来水处置厂发觉了这个COMAMMOX的英国格拉斯哥团队的第一作者，有着副传授头衔的Ameet Pinto的邮件交换。
图4. Ameet的推特2016年1月7号，我给刚搬到美国波士顿的他email了一个问题：“May I know how you would interpret the importance of this discovery and its long-term influence in the wastewater industry?” 用粗鄙的话注释就是说，你感觉这发觉对污水处置有毛影响吗？固然这小我是研究自来水的…但他的答复和我也算是想到一个点上了——那就是COMAMMOX和ANAMMOX的合作性。以下是他答复的原文：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!假如你的研究标的目的和他类似，尽能够跟他联系，他的推特账号是@watermicrobe，email是 a.pinto@neu.edu本文就如许点到为止。小编不是学霸，如有手艺性毛病，敬请斧正。本文只旨在但愿这里给中国同业开一头，让国内科研团队也插手COMAMMOX的研究年夜军中。参考材料 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)
