好氧甲烷氧化菌通过氨氧化过程贡献海洋氧化亚氮排放的新机制

《The ISME Journal》：Ammonia oxidation by aerobic methanotrophs as a source of marine nitrous oxide

本研究针对海洋好氧甲烷氧化菌(MOB)在氨(NH3)氧化和氧化亚氮(N2O)生成中的作用机制展开深入探索。通过全球海洋宏基因组分析和长江口富集培养实验，结合15N稳定同位素示踪和宏转录组学技术，首次证实含羟胺氧化还原酶(mHAO)的MOB广泛分布于海洋环境，能够通过NH3氧化途径产生N2O。这一发现揭示了甲烷氧化与氮循环的新型耦合机制，对准确评估全球温室气体收支具有重要意义。

　　

在浩瀚的海洋中，存在着一种特殊的微生物——好氧甲烷氧化菌(MOB)，它们如同海洋中的"甲烷清道夫"，能够消耗温室气体甲烷(CH₄)，对缓解全球变暖具有重要作用。然而，这些看似有益的微生物可能还隐藏着一个不为人知的"双重身份"：在消耗甲烷的同时，它们可能也在默默产生另一种强效温室气体——氧化亚氮(N₂O)，其全球增温潜势是二氧化碳的300倍。

这一科学谜团源于好氧甲烷氧化菌的一个特殊酶系统——羟胺氧化还原酶(mHAO)。由于甲烷和氨分子结构相似，好氧甲烷氧化菌的颗粒性甲烷单加氧酶(pMMO)不仅能够氧化甲烷，还能将氨转化为羟胺(NH₂OH)。而mHAO则进一步将羟胺转化为一氧化氮(NO)或亚硝酸盐(NO₂^-)，这些含氮化合物在缺氧条件下可被转化为N₂O。尽管这一代谢途径在实验室培养的菌株中已被证实，但海洋环境中好氧甲烷氧化菌的分布格局及其对海洋N₂O排放的实际贡献仍是一个未解之谜。

为了揭开这一谜题，华东师范大学的研究团队在《The ISME Journal》上发表了他们的最新发现。研究团队运用了多种先进技术方法：通过全球海洋宏基因组数据分析mhaoA基因的分布特征；利用宏基因组组装基因组(MAGs)技术解析好氧甲烷氧化菌的代谢潜能；在长江口采集水体和沉积物样本进行好氧甲烷氧化菌富集培养；应用¹⁵N稳定同位素示踪技术量化氨氧化速率和N₂O产生速率；采用位点偏好(SP)分析鉴别N₂O来源；通过宏转录组学分析揭示关键基因的表达变化。

mHAO-containing methanotrophs are widely distributed throughout the global oceans

研究团队首先对全球海洋的2175个宏基因组样本进行了系统性分析，发现含有mhaoA类似序列的样本达258个，覆盖了从海岸带到开阔大洋、从表层水体到5000米深海的多种海洋生境。这些好氧甲烷氧化菌在甲烷渗漏系统和河口区域丰度最高，其中γ-变形菌纲的好氧甲烷氧化菌是分布最广、丰度最高的功能类群。

Genomic analysis of aerobic methanotrophs from marine environments

研究人员从11个宏基因组中组装获得了34个中高质量的好氧甲烷氧化菌MAGs。令人惊喜的是，他们在γ-变形菌纲中发现了一个新的目级分类单元(Ga0077536)，其成员可能具备好氧甲烷氧化能力。更为重要的是，在一个γ-变形菌纲的好氧甲烷氧化菌基因组中鉴定出了完整的反硝化基因 repertoire，这扩大了好氧甲烷氧化菌的系统发育和功能多样性。

Evidence that marine methanotrophs contribute to N2O production via NH3 oxidation

通过长江口水体和沉积物的好氧甲烷氧化菌富集实验，研究人员发现在缺乏传统氨氧化菌的情况下，好氧甲烷氧化菌能够进行氨氧化并产生N₂O。随着CH₄分压的升高，氨氧化速率显著下降，表明CH₄和NH₃之间存在竞争关系，这进一步证实了氨氧化过程是由好氧甲烷氧化菌介导的。

时间进程实验显示，好氧甲烷氧化菌的氨氧化过程可持续约6天，产生的N₂O至少部分来源于羟胺氧化途径。¹⁵N标记实验表明，产生的N₂O的δ¹⁵N值显著高于NO₂^-/NO₃^-池，说明至少部分N₂O直接来源于¹⁵NH₄⁺库而非NO₂^-/NO₃^-库。N₂O的位点偏好值(SP)介于11.83±1.15‰至21.99±2.05‰之间，表明反硝化作用不是这些培养物中N₂O的主要来源，而是反映了羟胺氧化和反硝化途径共同贡献的N₂O生产。

宏转录组分析进一步证实，在添加NH₄Cl后，编码pMMO、hao和cnorBC的转录本显著上调，而参与甲醇或甲醛氧化、四氢甲烷蝶呤/四氢叶酸途径和丝氨酸循环的酶编码基因则没有显著变化或被下调。这表明好氧甲烷氧化菌并不将NH₃氧化与能量守恒或碳固定相耦合。

研究结论表明，含mHAO的好氧甲烷氧化菌在多种海洋环境中广泛分布，特别是在冷泉和河口区域丰度较高。它们能够通过氨氧化途径产生N₂O，且这一过程可持续数天。好氧甲烷氧化菌基因组中普遍存在的反硝化基因意味着在缺氧条件下，甲烷氧化或氨氧化可能与反硝化过程耦合，进一步增强N₂O的产生。这一碳氮循环的关联可能是古代海洋中氧气水平逐渐升高的结果。考虑到海洋的广阔体积，好氧甲烷氧化菌可能是海洋N₂O的一个重要但被低估的来源，这部分抵消了它们通过消耗甲烷所实现的温室气体减排效益。

这项研究不仅揭示了海洋好氧甲烷氧化菌在温室气体循环中的复杂作用，也为准确评估全球气候变化提供了重要的科学依据。未来需要进一步量化不同海洋环境中这一过程的实际贡献，并深入探索调控这一代谢途径的环境因素，为全球碳氮循环模型的完善提供理论基础。