氨氧化古细菌(AOA)的研究进展②

氨氧化古细菌（AOA）的研究进展

周博

（ 生物技术4班 生命科学学院 黑龙江大学 哈尔滨 150080 ）

摘要：一直以来，氨氧化细菌（AOB）是硝化反应中负责将NH4+ 转化成为NO2- 的一类无机自养微生物。近几年来国外一些学者于海洋中发现氨氧化古细菌（AOA）存在，它们同样广泛存在于土壤、自然水体、污水处理厂、垃圾渗滤液等产生硝化反应的环境中，负责将氨转化为亚硝酸盐。甚至在某些生态环境中，AOA 占主导地位。概述了国外对不同环境下氨氧化古细菌种群多样性的差异，以及各类环境中共有的氨氧化古细菌种类。最后，对今后氨氧化菌深入研究的方向及其功能作了进一步的展望。

关键字：氨氧化古细菌 系统发育 生态分布

Advances on Ecological Research of Ammoniaoxidizing

ZhouBo

（ The 4th class of Biotechnology , College of Life Science, Heilongjiang University, Harbin, 150080）

Abstract：For long times, ammonia oxidation by ammonia-oxidizing bacteria （AOB）is the key process in thenitration reaction. These ammonia-oxidizing bacteria are a kind of inorganic autotrophic microorganism who have theresponsibility of transferring NH4+ to NO2-. But in these several years, some

foreign researchers found ammonia-oxidizingarchaea （AOA）who exist in the marine. They are generally in the environment which contains nitration reaction,such as soils, fresh water, wastewater treatment systems. soils and even wastewater treatment. AOA have thesame function as AOB, and in some certain habit, the AOA are the predominant oxidizer. We also summarize thediversity difference between the AOA in various environments. Here we describe our perspectives for the future researchof AOA in applied ecology and environmental protection．

Keywords：Ammonia-oxidizing archaea; Phylogeny; Ecological distribution

氨氧化古细菌（AOA）有关16SrRNA 和amoA 基因的研究进展

针对硝化反应限制速率的第一步———氨氧化反应的研究，一直都集中在AOB。在基于16SrRNA(确定了β- 和γ- 变形菌纲的AOB) 的研究中，AOB序列分布明显的地域性与入海口大梯度变化的盐度，氨浓度和氧浓度相联系[1]；在amoA 基因(编码了氨加单氧酶的α 亚基)的研究中，也得到同样类似的结论[2-3]。尽管这些数据为入海口沉积物中AOB的动力学研究作出了显著贡献，但是目前由于在硝化反应中发现优势微生物种群———古细菌，所以有关微生物的氨氧化反应和硝化反应必须在此基础上进行重新评估。

古细菌是由一类独一无二、数量巨大的微生物群落组成[4-5]，仅在海洋中，就发现适温古细菌之王———泉古菌存在，数量高达1028。尽管这类微生物在海洋生物化学循环中的作用还有待进一步探究，但是系统发育的多重汇集菌株表明，多数泉古菌负责氨氧化反应。这些在针对氨加单氧酶（amo）基因的宏基因组研究有：与马尾藻海中支架相关联的古细菌中的amo[6]，来自1.1b 土壤泉古菌中一个16Sr-RNA 基因，在相同的43kb 宏基因片段

上的amo[7]，还有对Nitrosopumilus maritimus 的培养，它是1.1a海洋泉古菌的一株，化能自养生长，将氨氧化成亚硝酸盐，同时包含被公认的amoA、amoB、amoC 基因，这些基因可以编码尿素酶、尿素吸收、氨的转运和硝酸还原酶和亚硝酸还原酶。古细菌的amoA 基因在海洋和海底沉积物中的广泛存在表明，这种氧化氨能力是泉古菌的重要功能，同时也是海洋生物化学循环中的重要反应。事实上，Ingalls 等证明了北太平洋海域中层的古细菌，其中83%是化能自养的———与氨氧化反应的要求相一致[8]。古细菌的海绵共生体——Cenarchaeumsymbiosum 的基因组可以编码一种自养的碳修复途径，还可以编码于N.maritimus 相似的amoA、amoB、amoC[9]。最近的研究，Park 等证明AOA 在硝化废水处理系统中的存在，而Wuchter 等发现在北海和古细菌的amoA 基因拷贝数量是细菌的10~1 000 倍，同时还证明这些海域中大多数浮游泉古菌都是AOA，它们在氨氧化中占数量上的优势[10]。相似的结论在土壤分析中也可以得到：古细菌的amoA 基因拷贝数是细菌的3 000 倍，而且这些基因都与泉古菌特脂相关，例如crenarchaeol[11]。Beman 等对高营养的亚典型入海口沉积物中的AOA 和AOB 进行研究，发现了两种AOA 类群。

经数值分析，看到这些AOA 类群呈现空间结构分布，一类与1.1a 泉古菌相关联，另一类与1.1b 泉古菌相一致。同时，在所研究的入海口沉积物中，AOA 很有可能比AOB 有更广泛的分布和丰富度[12]。2005 年，Christa 等通过对一些泉古菌16SrRNA或者古细菌特定的核心区基因鉴定，rRNA 操纵子的结构和多基因分析，低GC 含量和预测的蛋白都证实了Crenarchaeol 脂类来源于这些多基因片断。尤其是两个编码与氨单加氧酶亚基有关的蛋白质的基因（amoA/B），这个酶也是硝化细菌氨氧化作用的关键酶。对于这两个基因的辨认得到了一个结论：非嗜热的泉古菌利用氨作为他们重要的能量来源[13]。从样品中40 种古细菌的amoA 基因中得到16种不同的克隆型，其中包括深海古细菌属，这类菌在北太平洋，黑海和蒙特雷湾入海口都被检测到。在日本东南海水体中的菌株基本都包含amoA基因，这也暗示了古细菌有可能主要负责海洋中化能自养硝化反应中的第一步。由

此推断，与深海古细菌属amoA 基因相关的AOA 很有可能是东南海2 000 m 洋层硝化反应中的重要微生物种群。海底0～5 cm 沉积物中的克隆体大多属于沉积物A 菌属包含化能自养AOA 的amoA 基因“CandidatusNitrosopumilus Maritimus”。但是它与这个菌属中的其他菌株相似度并不高，表明它代表了一株深海低温沉积物（0.2 ℃） 中，独立的嗜冷AOA 菌种（CBK-G3N131）[14]。研究表明，独特的AOA 群落与每个地理位置都相关联，在这些研究区域内，不同的分支往往和单个样品点相联系。在Elkhorn 泥沼的样品中，其克隆文库中发现具有不同的丰富度水平和稀少的组合重叠。来自于Tóbari 区域内部的序列都归属于土壤/沉积物的分支，但是没有一个来自于海湾口的序列归属于这个分支。此外，来自于这个位点内部的古细菌amoA 文库在所研究分析的沉积物文库中多样性是最低的，其中河口的多样性最为丰富。正如早期间接提到的，旧金山北部海湾的amoA 序列也许代表着一个独特的低盐AOA 类型。尽管四种沉积性环境具有完全不同的自然和生物地球化学的环境，但是都含有一个主要的亲缘分支。这个分支也包括来自于东部热带北太平洋———未归属于任何水体分支的一个序列，而且这个分支也许代表着全球海洋中所有的AOA 群落[15]。

从上述的相关研究看出，氨氧化古细菌大多分布在低温和中温的环境中。直到最近，在陆地温泉中发现了一种膜表面的脂crenarchaeol。Torre 等2007年对一种嗜热的自养氨氧化古细菌在74 ℃进行培养。在60~80 ℃不同温度下接种温泉底泥中的菌种，发现大于74 ℃时，几乎检测不到亚硝酸盐产物；而在72 ℃时，有稳定的氨氧化反应发生。这些氨氧化菌的最适生长温度在65~72 ℃。通过FISH 检测，这些氨氧化菌中大于90%为AOA。由此可以确认高温硝化反应中氨氧化古细菌的分布。所有检测到的泉古菌中，都包含多种环戊烷的GDGT 脂，而非高温泉古菌包括一种结构不同的crenarchaeol 脂。这类能在72℃生长的古细菌的关键脂是crenarchaeol，经脂类分析确认，它是GDGT 的主要组成。这些发现很大程度上突破了硝化反应的高温限制，也说明这种氨氧化的能力广泛分布在泉古菌中[16]。Steger 等筛选了取自加勒比海、地中海和西太平洋的海绵体样品，通过古细菌amoA

基因扩增表明，这些海绵体中存在的古细菌是已经公认的AOA。除了这些来自海绵体的amoA 基因外，还有一些菌株包含来自珊瑚的amoA 基因。由此可以看出，海绵体中的amoA 基因多样性比珊瑚和海洋沉积物中要低。然而，海洋水体拥有更高的amoA 基因多样性。FISH 和16SrRNA 检测证实，海绵体上的AOA很可能是降解氨的重要作用者[17]。

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