編譯：阿昊，編輯：小菌菌、江舜堯。

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氮是所有生物體的必需元素，同時也是蛋白質和核酸等關鍵細胞成分生物合成所必需的。大氣中的氮氣是可及態(tài)氮的最大存量。生物的生長必須依賴更具活性的氮，如銨和硝酸鹽。這種生物可利用的氮在許多環(huán)境中是罕見的，生長限制性營養(yǎng)素主要由可以改變氮狀態(tài)的微生物所控制。人類活動對生物可利用的氮含量產(chǎn)生了深遠的影響，這主要是由于工業(yè)氮肥的高投入。目前，約50%的人口的糧食生產(chǎn)依賴于工業(yè)肥料?；实氖褂煤投箍浦参锏姆N植使陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的氮輸入幾乎翻了一番。為了預測這一輸入的后果，迫切需要了解微生物氮轉化的基本機制。

Box1.生物地球化學氮循環(huán)：全球庫存、過程和流動

圖1.微生物對氮化合物的轉化

1 氮轉化反應

大氣中的氮氣是最大的可自由獲取氮的儲層，但它在生物學上僅對攜帶固氮酶或金屬酶的微生物有效，因此可以將二氮固定在氨中。固氮酶廣泛存在于細菌和古細菌中，為它們在生物可用態(tài)氮耗盡的環(huán)境中具有競爭優(yōu)勢。有三種不同類型的固氮酶包括：鐵（FeFe）、釩鐵（VFe）和鉬鐵（MoFe）固氮酶。它們具有相似的序列、結構和功能，但它們的金屬負載不同。所有固氮酶由兩種成分組成（圖2a）。anfDGK、vnfDGK或nifDK編碼活性中心分別含有鐵、釩或鉬的固氮酶的催化成分。NifH作為固氮檢測的基因標記環(huán)境中的微生物。土壤固氮菌vinelandii編碼所有三種固氮酶，而其他微生物，如海洋固氮菌Trichodesmiumspp，只有MoFe固氮酶。在固氮過程中，電子載體（如鐵氧還蛋白）首先降低鐵蛋白價態(tài)，隨后降低催化成分價態(tài)。這就需要鐵和催化蛋白解離和重新結合。每固定一個氮分子，消耗16個ATP分子。額外的生物能源成本來自于生產(chǎn)強有力的還原劑，如鐵氧還蛋白，以及保護不穩(wěn)定的含氧固氮。

由于氧暴露使固氮酶失活，產(chǎn)氧的光養(yǎng)生物，如毛苔蘚屬植物、番紅花屬植物和結瘤屬植物。即使是生活在有毒環(huán)境中的非光合生物體，也需要一些機制，如增加有氧呼吸、通過超氧化物歧化酶解毒和固氮酶結構變化，以保護其固氮酶免受氧化。最近，一種不尋常的固氮酶在固氮過程中存在著完全不同的途徑。雖然沒有發(fā)現(xiàn)固氮真核生物，但許多固氮微生物與真核生物共生。單細胞藍藻'地中海假絲酵母菌’（UCYN-A），與小型單細胞單體藻類（Braarudosphaerabigelowii）是目前應用最廣泛的固氮微生物之一，在海洋固氮中起著關鍵作用。共生固氮微生物也是白蟻等動物腸道微生物群的一部分，可在雙殼類動物的特殊細菌細胞中發(fā)現(xiàn)。此外，根瘤菌生活在作物豆科植物的特殊根瘤中，如苜蓿、豆類、豌豆和大豆，它們提供全球20%的食物蛋白質。

所有已知的好氧氨氧化細菌和古細菌都使用氨單加氧酶（AMO）將氨氧化為羥胺，從而使其激活。大多數(shù)氨氧化細菌屬于β-變形菌（Betaproteobacteria）和丙型變形菌綱（Gammaproteobacteria）兩類，是將氨氧化為亞硝酸鹽的化學自養(yǎng)生物。在幾乎所有的環(huán)境中都能找到它們，包括施肥土壤和廢水處理廠。屬于古生菌，也可以通過將氨氧化為亞硝酸鹽進行化學自養(yǎng)。他們的發(fā)現(xiàn)揭開了海洋中罕見的氨氧化劑的神秘面紗。在一些砂質和粉質粘土土壤中，Thaumarcheota比細菌更為豐富。此外，嗜酸氨氧化古生菌'Devanatara’的分離推翻了通常的假設，即由于氨的有效性低，在低pH下不能發(fā)生化學自養(yǎng)氨氧化。許多氨氧化劑，如亞硝基螺菌和亞硝基螺菌，也可以降解有機氮化合物，例如，用脲酶水解尿素來產(chǎn)生額外的氨。古細菌亞硝基球藻也可以通過氰合酶水解氰酸鹽來產(chǎn)生氨。最近，在亞硝基螺屬的成員中也發(fā)現(xiàn)了氨的氧化能力。這些將氨氧化為硝酸鹽的細菌的發(fā)現(xiàn)駁斥了氨和亞硝酸鹽的氧化需要兩類不同微生物的教條。執(zhí)行Comamox過程的細菌，如'Candidanitrifying helicobacter（念珠菌硝化螺旋菌）'，似乎很好地適應氨有限的環(huán)境，并能超過大多數(shù)培養(yǎng)的氨氧化微生物氨。氨水培養(yǎng)基中亞硝酸鹽的瞬時積累表明，它們比亞硝酸鹽更有效地氧化氨水。我們假設在氨限制條件下，執(zhí)行Comammox工藝的細菌將氨氧化為硝酸鹽，在氧限制條件下，執(zhí)行部分氨氧化為亞硝酸鹽。AMO與甲烷單加氧酶（MMO）密切相關，MMO存在于伽馬蛋白桿菌和候選菌門NC10中。MMO也可以將氨氧化為羥胺（圖1）。類似地，AMO也可以氧化甲烷，但效率低于MMO。有趣的是，在發(fā)現(xiàn)之前，已經(jīng)在環(huán)境中（例如地下水中）檢測到執(zhí)行Comammox過程的細菌的amo序列，但錯誤地將其指定為絲狀甲烷氧化多孢菌的微粒MMO（pmo）基因。最近對多孢囊圓線蟲的研究表明，它們實際上含有典型的Gammaprotobacterial pmo，而不是amo。

氨的好氧氧化制羥胺是一種非能量反應。因此，所有好氧氨氧化劑都通過進一步氧化羥胺來節(jié)約能源。研究表明，好氧氨氧化菌利用八羥胺氧化還原酶（HAO）將羥胺氧化為亞硝酸鹽。最近，有研究表明，HAO的產(chǎn)物不是亞硝酸鹽，而是一氧化氮，后者被未知的酶進一步氧化為亞硝酸鹽。雖然催化反應的酶尚未被確定，但有人認為含銅亞硝酸鹽還原酶（Cu-NIR）可以催化it7。所有氨氧化細菌，包括新發(fā)現(xiàn)的能將氨氧化為硝酸鹽的硝化螺旋菌，都含有AMO和HAO。相比之下，已知的氨氧化古細菌并不編碼HAO，而古細菌的酶負責              羥胺氧化還不清楚。HAO屬于一個八氫蛋白家族（圖2b）。厭氧氨氧化細菌的基因組編碼大約10個類HAO蛋白，其中一個還將羥胺氧化為一氧化氮。在厭氧氨氧化細菌中，這種羥胺氧化酶（HOX）回收羥胺，羥胺從肼合酶（HZ）中漏出，見下文。甲烷氧化細菌也會產(chǎn)生羥胺，這是由于它們的非特異性氨氧化活性（見上文）。目前，還不清楚這種反應是否直接產(chǎn)生能量。

圖2. 酶催化四個關鍵氮循環(huán)反應。

1.4 亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽

亞硝酸鹽氧化是產(chǎn)生硝酸鹽的主要生化途徑，是由亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）催化的。NXR由好氧亞硝酸鹽氧化細菌（α蛋白細菌、β蛋白桿菌、γ蛋白桿菌、和硝化螺旋菌門的成員）、無氧光養(yǎng)菌（例如Rhodopseudomonassp.LQ17）。好氧亞硝酸鹽氧化菌將NXR氧化亞硝酸鹽直接耦合到節(jié)能上，而厭氧亞硝酸鹽氧化菌則沒有。Rhodopseudomonassp.LQ17可以通過直接將亞硝酸鹽與光合細菌偶聯(lián)而使其厭氧氧化。此外，厭氧氨氧化細菌可能將厭氧亞硝酸鹽氧化耦合到碳固定。亞硝酸鹽氧化細菌在代謝上有多種用途，可以在亞硝酸鹽以外的基質上生長。事實上，硝基螺氨氧化氨生成硝酸鹽。硝化螺旋菌在氫氣和有機酸的作用下有氧生長，同時吸入硝酸鹽。這些亞硝酸鹽氧化細菌中的硝酸鹽還原也被NXR催化。農(nóng)業(yè)土壤中亞硝酸鹽和氨氧化微生物的協(xié)同作用將氮肥轉化為硝酸鹽，并在肥料流失到河流和地下水中，導致河流、湖泊和沿海水域富營養(yǎng)化方面發(fā)揮關鍵作用。同樣的兩種工藝也被用于廢水處理廠，作為常規(guī)脫氮的第一步（Box.2）。

Box.2 污水處理中微生物脫氮

1.5 一氧化氮還原為一氧化二氮或二氮氣體

一氧化氮是一種信號分子也是一種毒素，是反硝化、硝化和厭氧氨氧化過程的中間產(chǎn)物。此外，進行產(chǎn)氧反硝化的細菌將兩個一氧化氮分子歧化為一個二氮氣體分子和一個氧分子。因此，可以在廣泛的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)能夠還原一氧化氮的微生物，包括廢水處理廠、農(nóng)業(yè)土壤和海洋沉淀物。微生物還原一氧化氮（圖1）是一氧化二氮的主要來源，一種強大的溫室氣體（比二氧化碳強310倍）和主要的臭氧消耗劑。產(chǎn)生一氧化氮還原酶（NOR）的一氧化二氮用于一氧化氮的解毒或呼吸，屬于從黃素蛋白到血紅素銅氧化酶的一組酶。NOR型酶是真菌線粒體中的NADHdependent細胞色素P450NOR，如鐮刀菌oxysporum，以及最近在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的雜交簇蛋白HCP。血紅素銅氧化酶家族含有末端氧化酶、細胞色素c依賴的cNOR、醌依賴的qNOR和含銅的CuANOR，它們都在一氧化氮的呼吸中起作用。一氧化二氮是反硝化的中間產(chǎn)物，也不存在于反硝化細菌和假單胞菌中。在一些微生物中，一氧化二氮也可能是反硝化的最終產(chǎn)物，例如綠膿桿菌。氨氧化細菌可以在硝化-反硝化過程中產(chǎn)生一氧化二氮，在硝化-反硝化過程中，NOR用于還原亞硝酸鹽還原形成的一氧化氮。在氨氧化細菌和能夠進行氨處理的細菌的培養(yǎng)物中，也可以通過細胞外介導羥胺和一氧化氮的非生物反應形成一氧化二氮。此外，氨氧化細菌可以通過一氧化氮的非催化還原產(chǎn)生一氧化二氮，而一氧化氮是在羥胺氧化過程中產(chǎn)生的。與氨氧化細菌類似，甲烷營養(yǎng)細菌通過羥胺氧化（見上文）和亞硝酸鹽還原形成的一氧化氮的非催化還原產(chǎn)生一氧化二氮。相比之下，氨氧化古生菌中一氧化二氮的產(chǎn)生可能只與中間產(chǎn)物一氧化氮和羥胺的非生物反應有關。氮基肥料的使用大大增加了一氧化二氮的排放量。由于氮轉化微生物的協(xié)同作用，3-5%的農(nóng)用氮轉化為氧化亞氮。氮基肥料越來越多地被用于種植用于生物燃料生產(chǎn)的作物（化石燃料的潛在替代品）。這是一個進退兩難的問題——用于生產(chǎn)生物燃料的肥料越多，一氧化二氮的排放量就越大。因此，用于生物燃料生產(chǎn)的肥料抵消了通過減少化石燃料的使用而實現(xiàn)的溫室氣體排放的減少。

1.6 一氧化二氮還原為氮氣

       微生物一氧化二氮還原為氮氣是這一強大溫室氣體的匯。唯一催化這一反應的已知酶是一氧化二氮還原酶（NOS）。不同的細菌，包括蛋白質細菌、擬桿菌和氯桿菌門的成員，以及古細菌都利用NOS。有趣的是，編碼NOS變體的生物體通常沒有其他氮氧化物還原酶。一些真核生物也能減少一氧化二氮，但它們的酶機制尚不清楚。長期以來，人們認為NOS比其他氮氧化物還原酶對氧、pH和硫化物更敏感?；谶@種明顯的敏感性，氧化亞氮的環(huán)境排放完全歸因于抑制生物體內(nèi)的NOS，這些生物體將硝酸鹽一路還原為氮，即所謂的完全反硝化菌。此外，所謂不完全反硝化菌的相互作用，例如亞硝酸鹽還原為氧化亞氮或氧化亞氮還原為二氮氣體，它們的生態(tài)位分化可能導致許多環(huán)境中氧化亞氮的生產(chǎn)和消費之間的不平衡，例如土壤和海洋環(huán)境。

   轉化氮的微生物有著驚人的多樣性，每一種微生物都有不同的生理需求以獲得最佳生長。由于自然界的生長條件是高度可變的，很少是最優(yōu)的，因此單個微生物的氮素轉化必然是低效的。然而，環(huán)境中的氮轉化是由比單一微生物更有效地循環(huán)氮的微生物群落進行的。因此，很少有可供生物利用的氮逸出到大氣中，少量的二硝基氣體損失通過固氮平衡（Box1）。這種明顯的氮穩(wěn)態(tài)不僅是全球生物圈的特征，而且也是許多生態(tài)系統(tǒng)的特征，如森林土壤和海洋環(huán)流。在這些生態(tài)系統(tǒng)中，有效循環(huán)氮所需的微生物群落即使在物種組成因環(huán)境擾動而改變時，仍保持氮轉化反應。氮轉化反應是由在自然和人工生態(tài)系統(tǒng)中形成復雜網(wǎng)絡的微生物連接起來的（圖3）。

    海洋環(huán)流是世界上最大的生態(tài)系統(tǒng)，由于廣泛的氮循環(huán)，幾乎達到氮平衡（圖3a）。在這里，主要的氮轉化過程是藍藻的氮同化，如海洋前氯球菌，浮游動物的氨化和異養(yǎng)細菌（Box1；圖3a）。微生物固氮作用，如毛癬菌屬和是一個相當小的氮轉化過程。然而，由于固氮發(fā)生的區(qū)域非常廣闊，它是向海洋提供新的生物可利用氮的主要來源。與海洋環(huán)流相反，最小含氧量區(qū)水域覆蓋的開闊海域不到1%，但可能占海洋氮損失的30-50%（Box1）。在這里，厭氧微生物，如“Scalindua假絲酵母”與好氧微生物共存。開放海洋氧氣最小區(qū)的微生物氮轉化網(wǎng)絡是復雜的，所有已知的氮轉化過程都是同時發(fā)生的（圖3b）。

   脫氮污水處理廠與缺氧區(qū)水體相似，具有氮轉化不平衡的特點。這些人造系統(tǒng)的設計目的是將氨轉化為二氮氣體，二氮氣體會流失到大氣中（Box2）。

   農(nóng)田是最大的人工生態(tài)系統(tǒng)之一，其微生物氮素轉化網(wǎng)絡受到人為輸入氮素的強烈影響。與固氮微生物共生的豆科植物種植大大增加了對環(huán)境的氮輸入。固氮微生物，如慢生根瘤菌，通常生活在特殊的根瘤中，為豆科植物提供銨（圖3c）。泄漏到周圍土壤中的銨會促進其他微生物的氮轉化，如好氧氨氧化。在稻田中，工業(yè)肥料的使用導致了強烈的硝化作用，增加了氮素損失。最近的研究表明，這些系統(tǒng)具有高度復雜的氮轉化網(wǎng)絡，其中包括亞硝酸鹽還原（Ca.Methylomirabilis spp.）和硝酸鹽還原（Ca.Methanoperedens spp.）（圖3d）。

圖3 不同生態(tài)系統(tǒng)中潛在的氮轉化微生物網(wǎng)絡

      識別形成氮轉化網(wǎng)絡的因素需要對相關微生物的生理學有更深入的了解，并對其生態(tài)學和進化有更深入的了解。所有微生物中只有一小部分被培養(yǎng)，而未培養(yǎng)的大多數(shù)可能含有未發(fā)現(xiàn)的代謝途徑（Box.3）。經(jīng)過艱苦的生物化學、生理學和基因組學鑒定，相關結論已經(jīng)改變了我們對關鍵氮循環(huán)過程的看法。好氧亞硝酸鹽氧化菌和厭氧氨氧化菌具有前所未有的代謝多樣性，這使得它們僅僅被歸類為好氧亞硝酸鹽氧化菌或厭氧氨氧化菌是不夠的。在環(huán)境中，許多好氧亞硝酸鹽氧化劑可以作為氫氧化劑、氨氧化劑或硝酸鹽還原劑生長。厭氧氨氧化細菌也可以使用短鏈脂肪酸、甲胺和鐵（ii）作為電子受體，它們可以使用硝酸鹽、Mn（iv）和Fe（iii）作為電子受體。毫無疑問，按照經(jīng)典的六種氮循環(huán)過程來對生物體進行分類將變得越來越困難。

Box3.未發(fā)現(xiàn)的生化反應

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