论文标题：Can anaerobic ammonium oxidation be coupled with nitrous oxide reduction?

期刊：Soil Ecology Letters

作者：Zhaojun Teng, Han Chen, Kun Zhao, Yaohong Zhang, Weiwei Xia, Yuanfeng Cai, Zhongjun Jia

发表时间：15 Apr 2025

DOI：10.1007/s42832-025-0318-y

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厌氧氨（NH₄⁺）氧化是氮循环中的关键过程之一。在首次发现以NO₂^-作为电子受体的厌氧氨氧化的经典途径之后，以Fe³⁺、Mn⁴⁺、SO₄^2-或AsO₄^3-作为电子受体的厌氧氨氧化新途径也得到了证实。一氧化二氮（N₂O）是一种强氧化剂，目前还没有关于它是否能够在自然生境中作为电子受体与厌氧氨氧化耦合的报道。本文总结了一氧化二氮还原在厌氧氨氧化中的潜在作用。从热力学角度看，由一氧化二氮还原驱动的潜在厌氧氨氧化产生的自由能比由亚硝酸盐还原驱动的经典厌氧氨氧化产生的自由能要高得多，这表明它更有可能自发发生。共生微生物之间的胞外电子转移可能是这种耦合过程中电子转移的重要方式。通过富集培养结合¹⁵N标记技术，可以深入研究这种耦合过程的氧化速率、电子转移途径以及宏基因组（和转录组）信息。对一氧化二氮介导的氨氧化过程的研究可以探索厌氧氨氧化和自养反硝化的新途径，拓展我们对氮生物地球化学循环中关键转化过程的新认知。

厌氧氨氧化是过去半个世纪氮循环研究领域最重要的成果之一。以往的传统观点认为，由于氨的化学键较为稳定，氨只能被氧气分子氧化，而不能在厌氧条件下被氧化。1995年，科学家首次在厌氧反硝化流化床中证实了这一过程的发生，并将其命名为“厌氧氨氧化”（Mulder等，1995）。随后，Clement等（2005）发现厌氧氨氧化可以与Fe³⁺还原耦合进行。最近，以Mn⁴⁺、SO₄^2-或AsO₄^3-作为电子受体的厌氧氨氧化也被发现（Zhang, M. M., 2022; Zhao, S., 2022），其中相关功能微生物表现出更显著的物种多样性，电子传递机制尚不清楚。N2O是一种强氧化剂，反硝化微生物可以从有机化合物（如甲酸、甲醇、乙酸等）或无机物质（H₂、硫化物、铁氧化物等）的氧化过程中获得电子，将N₂O还原为N₂，最终完成异养/自养反硝化。最近的研究表明，具有N₂O还原能力的微生物多样性比之前预期的要大得多。例如，Valenzuela等（2020）报道，N₂O还原细菌能够捕获厌氧甲烷氧化过程中产生的电子，从而实现厌氧甲烷氧化和N₂O还原的耦合过程。同样，厌氧氨氧化是否也具有这样的潜在能力，能够将电子传递给N₂O还原过程？

从化学方程式的热力学角度来看，经典亚硝酸盐介导的厌氧氨氧化反应的吉布斯自由能为-358 kJ·mol^-¹，这表明该过程是放热反应，并且可以自发进行。以Fe³⁺和Mn⁴⁺作为电子受体的厌氧氨氧化反应的吉布斯自由能分别为-245 kJ·mol^-¹和-277 kJ·mol^-¹，它们的放热能量低于亚硝酸盐介导的厌氧氨氧化反应。相反，以N₂O作为电子受体的厌氧氨氧化反应的吉布斯自由能为-433 kJ·mol^-¹，其放热能量远高于亚硝酸盐介导的厌氧氨氧化反应。这表明，N₂O介导的厌氧氨氧化是一种放热反应，比经典的亚硝酸盐介导的厌氧氨氧化反应更有可能自发发生。

厌氧氨氧化与一氧化二氮还原的耦合过程是一种氧化还原反应，伴随着电子转移。相关微生物可能具有跨膜结构，用于细胞外电子传递，这有利于在自然环境中实现厌氧NH₄⁺氧化与N₂O还原的耦合反应。值得注意的是，厌氧氨氧化与一氧化二氮还原的耦合过程也可能仅由一种微生物驱动，类似于经典的亚硝酸盐介导的厌氧氨氧化菌，可以在细胞内实现电子传递。

作者及团队介绍

滕钊军（第一作者），南京信息工程大学，硕士研究生。

张耀鸿（通讯作者），南京信息工程大学教授，博士生导师，中国植物营养与肥料学会第九届生物与有机肥专业委员会委员，江苏省土壤学会第十三届理事会理事。江苏省气象灾害预报预警与评估协同创新中心科研骨干，江苏省农业气象重点实验室科研骨干。主要从事碳氮生物地球化学循环与气候变化、微生物生态学等方面的研究工作。

贾仲君（通信作者），博士生导师，中国科学院特聘研究员，主要从事土壤微生物研究。2012年获终期评估优秀。连续入选江苏省“333高层次人才培养工程”。曾获国际全球变化分析研究青年科学家奖等。担任中国植物营养与肥料学会生物与有机肥料专业委员会副主任、中国微生物学会环境微生物专业委员会委员等；主持国家基金委重大项目课题、重点项目、重大研究计划重点项目、中国科学院战略性科技先导专项B类项目，科技部国际科技合作项目和973项目课题等。建立了稳定同位素示踪环境微生物DNA/RNA-SIP及高通量测序技术平台；揭示了氨氧化古菌和细菌适应土壤地理环境分异的竞争排斥机制；阐明了湿地微生物氧化极低浓度甲烷的环境遗传代谢机制。近5年发表SCI论文50余篇，担任iogeosciences和Frontiers in Microbiology等期刊副主编及领域编辑、《土壤学报》和《微生物学报》编委等。

期刊简介

Soil Ecology Letters(SEL) 由高等教育出版社与中国科学院城市环境研究所共同主办，SpringerNature海外发行。报道领域包括：土壤生物多样性、土壤互营和食物网、土壤微生物组、土壤—植物相互作用、土壤生物地球化学循环、土壤生物修复和恢复、土壤多功能性、土壤生物对环境变化的响应和适应、土壤生态过程的突破性技术、新理论和模型。栏目包括但不限于：letter to editor, perspective, review, rapid report, research article, commentary, SEL digest。

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