综述：微生物NirBD的功能分析及其对土壤氮储存和N2O排放的影响

《Synthetic and Systems Biotechnology》：The functional analysis of NirBD in microorganisms and the efficacies of NirBD on the soil nitrogen storage and N 2O emission

这篇综述系统阐述了含西罗血红素亚硝酸还原酶NirBD在微生物氮循环中的核心功能，重点分析了其通过同化硝酸盐还原(ANRA)和异化硝酸盐还原为铵(DNRA)两条途径调控土壤氮储存与温室气体N2O排放的双重作用机制。文章整合了细菌、真菌和放线菌中NirBD的系统发育分布和催化多样性，深入探讨了其在好氧/厌氧条件下的表达调控网络，为开发增强土壤氮肥力和减少N2O排放的微生物策略提供了重要理论依据。

　　

微生物氮循环的关键调控者：NirBD酶的多功能角色

氮元素作为生命体的基本构成元素，在自然界中的循环过程主要由微生物驱动。其中，由nirBD基因编码的含西罗血红素亚硝酸还原酶NirBD，作为氮循环中的核心催化剂，通过调控同化硝酸盐/亚硝酸盐还原为生物量(ANRA)和异化硝酸盐/亚硝酸盐还原为铵(DNRA)两条不同途径，深刻影响着土壤氮储存和温室气体N₂O的排放动态。

微生物中NirBD的功能分析

在细菌体系中，NirBD展现出显著的代谢可塑性。DNRA过程分为发酵型DNRA(F-DNRA)和呼吸型DNRA(R-DNRA)两种主要路径。如图1所示，在高硝酸盐浓度环境下，细菌通过膜结合硝酸还原酶复合体NarGHI将硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后由可溶性NADH依赖性亚硝酸还原酶NirBD通过底物水平磷酸化将亚硝酸盐进一步转化为铵离子。

相比之下，真菌中的NirBD参与了一种独特的"氨发酵"过程。如图2所示，真菌细胞质中的同化硝酸盐和亚硝酸盐还原酶(分别由niaD和niiA基因编码)利用NADH或NADPH作为电子供体，将硝酸盐逐步还原为铵离子，同时通过乙醇或乙酸的氧化耦联底物水平磷酸化产生ATP。

放线菌中的NirBD系统展现出独特的调控特性。与大肠杆菌等肠道细菌在厌氧条件下表达nirBD不同，天蓝色链霉菌可在有氧条件下表达该操纵子。链霉菌中的NirBD系统与大肠杆菌相比具有高度保守性，其大亚基(NirB)和小亚基(NirD)的氨基酸序列一致性分别达到52%和56%。

NirBD携带微生物对土壤氮储存和N₂O排放的影响

NirBD酶复合体在环境氮平衡中扮演着双重角色。在土壤生态系统中，NirBD驱动的DNRA过程能够将硝酸盐/亚硝酸盐转化为铵离子，这一形式更容易被植物吸收利用，从而有效减少氮素流失。如图3所示，这一过程不仅增强了土壤氮保持能力，还通过分流反硝化途径显著降低了N₂O的排放。

主要携带NirBD的土壤微生物包括假单胞菌属、拟杆菌属、甲基杆菌属、曲霉属、芽孢杆菌属等。这些微生物的分布和活性受到碳氮比(C/N)、有机碳有效性环境氧化还原条件等多种因素的调控。研究表明，温暖湿润的环境更有利于DNRA微生物的生存，稻田土壤的平均DNRA速率达到1.30 mg N kg^-1day^--1，显著高于森林、草原和未施肥农田。

在水生生态系统中，NirBD的活性同样是调控N₂O排放的关键因素。随着工业和城市废水排放量的增加，水体中硝酸盐和亚硝酸盐负荷不断升高，促进了富营养化进程。与传统物理化学处理方法相比，生物反硝化虽然能实现高达92.8%的硝酸盐去除效率，但DNRA竞争微生物的存在会限制反硝化菌对硝酸盐和亚硝酸盐的利用，进而影响N₂O的排放通量。

nirBD的表达机制

nirBD操纵子的转录调控涉及多个上游调控元件。如图4所示，在缺氧条件下，全局转录调节因子Fnr被激活，同时环境中的硝酸盐或亚硝酸盐通过传感器激酶NarX和NarQ触发应答调节因子NarL和NarP的磷酸化。

关键调控蛋白NasT作为ANTAR抗终止因子家族成员，通过与nirBD操纵子的前导RNA(NalA)结合，破坏终止子相关的T环结构，从而允许转录延伸。而第二信使c-di-GMP(环二鸟苷酸)能够通过与NasT结合形成复合物，降低其与NalA的亲和力，导致转录终止，从而负调控nirBD的表达。

此外，分子伴侣蛋白HrcA通过抑制伴侣蛋白GroEL/GroES的表达，间接限制NirBD的功能组装。在结核分枝杆菌中，Mpa/20S蛋白酶体介导的HrcA降解能够恢复伴侣蛋白的产生，促进功能性NirBD的正确折叠和组装。

影响因素与调控策略

NirBD的表达和活性受到多种环境因素的调控。温度、pH值、碳源种类、摇床转速和碳氮比等参数都会影响酶活性和基因表达。例如，假单胞菌YS-9在碳氮比为9、pH7、摇床转速150r/min的条件下表现出最佳活性。

从应用角度，通过优化环境参数可以增强NirBD介导的氮保持功能。低氧化还原电位、高碳氮比、可利用发酵碳源以及显著浓度的S^2-和Fe²⁺等条件都有利于促进DNRA活性。有针对性地调控这些参数，为开发可持续农业和废水处理策略提供了新的思路。

结论与展望

NirBD酶作为氮循环中的关键调控节点，其双重功能使其成为平衡氮保持和温室气体排放的重要靶点。未来研究应着重于利用基因编辑技术深入解析NirBD在微生物氮代谢中的具体功能机制，扩大对真菌和放线菌中NirBD功能的研究范围，优化影响其活性的环境参数，并探索解耦铵产生和N₂O排放的工程策略。这些研究进展将为精准应用NirBD于可持续农业和废水处理，同时降低相关气候效应提供重要科学基础。