海洋氨氧化古菌(Nitrosopumilus-maritimus-XMU1)的碳代謝和氨代謝機制研究

海洋氨氧化古菌（NitrosopumilusmaritimusXMU1）的碳代謝和氨代謝機制研究氨被氧化為亞硝酸根、硝酸根,再由硝酸根、亞硝酸根還原為氮氣,完成了氨的脫氮過程。其中,氨氧化是整個脫氮過程的第一步,也是限速步驟。氨氧化主要是由三類微生物完成的,包括氨氧化細菌、氨氧化古菌和厭氧氨氧化菌,分別被稱為AOB、AOA和Anammox。其中,AOB一百多年以前被發(fā)現(xiàn),Anammox、AOA分別于1997年和2005年被發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)有研究表明,AOB、Anammox通常在高氨氮條件下,啟動氧化氨作用,而AOA在很低氨濃度下（納摩爾濃度:相當于一湯匙的氨放入一個大游泳池的濃度）,將氨氧化為亞硝酸根。因此,在海洋等自然環(huán)境中,AOA被認為貧營養(yǎng)環(huán)境下氨代謝的主要貢獻者。但分子生物學的研究表明,AOA分布非常廣泛,不僅在地球生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán),而且在廢水深度處理、微污染水源凈化等領域,有著潛在應用。由于AOA的篩選和分離很困難,到目前為止,人類只獲得2株AOA純培養(yǎng)物。NitrosopumilusmaritimusSCM1是唯一一株來自海洋的AOA。該菌單個細胞非常小,常規(guī)條件下培養(yǎng)15天,培養(yǎng)溶液幾乎與自來水一樣清澈,生理生化性質特異,研究難度較大。國外只有美國的華盛頓大學開展了較多研究,而目前國內(nèi)還未見該菌株的生理生化研究報道。4年前,本實驗室獲得了該模式菌株,主要研究該菌株的高密度培養(yǎng)及其在環(huán)境治理中的應用,本論文是這項研究的重要組成部分,主要探討了以下三個方面內(nèi)容:（1）CO₂⁺有機物為碳源條件（混合營養(yǎng)）下的SCM1氨氧化特點,通過與CO2為唯一碳源（嚴格自養(yǎng)）比較,探討有機物對氨氧化的影響。（2）研究了只有有機物為碳源條件下的氨代謝和細胞增殖,探討SCM1是否能嚴格異養(yǎng)生長和氨代謝。（3）研究了SCM1與AOB模式種,在不同有機物濃度、氨氮濃度下,混合培養(yǎng)的可能性。結果表明,SCM1經(jīng)過4年多在本實驗室的培養(yǎng),生理生化特性與文獻報道有了明顯的差異,為此將本實驗室的Nitrosopumilusmaritimus標記為NitrosopumilusmaritimusXMU1。選擇了酵母膏、蛋白胨、丙酮酸以及TCA循環(huán)中的主要有機物作為碳源,完成一系列CO₂⁺有機物的氨氧化實驗。結果表明,與SCM1原培養(yǎng)基（只有CO2作為碳源）相比,部分碳源（丙酮酸、檸檬酸、延胡索酸）,在低濃度下基本不抑制,但在高濃度抑制XMU1氨氧化;乙酸、α-酮戊二酸對氨氧化無抑制或促進作用;酵母膏和蛋白胨對XMU1氨氧化有促進作用。這些結果,與現(xiàn)有文獻上報道的有機物對SCM1氨氧化有些結果有明顯不同。只有有機物作為碳源的條件下,發(fā)現(xiàn)丙酮酸、α-酮戊二酸能顯著促進氨氧化,而乙酸則有抑制作用,檸檬酸、延胡索酸、琥珀酸在低濃度下沒有或者有促進作用,但是在高濃度下有抑制作用。以丙酮酸、α-酮戊二酸等為唯一碳源的實驗表明,XMU1能異養(yǎng)氨代謝和生長。這些結果說明XMU1有可能在富含有機物的環(huán)境生長并參與氨代謝。因此,選擇了Pseudomona和Paracoccus兩株典型的AOB細菌,在含有10mM乙酸鈉、5mM氯化銨培養(yǎng)基中（高有機物、高氨氮混合營養(yǎng)條件）,測量了XMU1、AOB的初始細胞數(shù)和最終細胞數(shù),以及銨根和亞硝酸根。結果表明XMU1能在高有機物、高氨氮下繁殖,但繁殖速度低于AOB,因此長期培養(yǎng),AOA有可能被AOB演替掉。在XMU1+Paracoccus混合培養(yǎng)條件下,氨氮氧化最快,而且沒有亞硝酸根累積,銨根已經(jīng)被徹底氧化成為氮氣。因此,推測AOA與AOB存在氨代謝的協(xié)同關系,但具體機制需要后續(xù)進一步研