산화질소의 농축 및 특성 규명

Mar 06, 2024

자연 미생물학 8권, 1574~1586페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

산화질소(NO)는 반응성이 높고 기후에 활성이 있는 분자이며 미생물 질소 순환의 핵심 중간체입니다. 탈질 및 호기성 호흡의 진화에서의 역할, 높은 산화환원 잠재력 및 미생물 성장을 유지하는 능력에도 불구하고, NO를 사용하는 환경에서 직접 얻은 NO 환원 미생물 배양이 없기 때문에 NO 환원 미생물에 대한 우리의 이해는 여전히 제한적입니다. 기판. 여기서는 지속적인 생물 반응기와 NO의 지속적인 공급을 유일한 전자 수용체로 사용하여 이전에 알려지지 않은 두 개의 미생물이 지배하는 미생물 군집을 강화하고 특성화했습니다. 이 미생물은 나노몰 NO 농도에서 성장하고 이 독성 가스의 높은 양(>6 μM)에서 생존합니다. , 온실가스인 아산화질소의 생성이 거의 또는 감지되지 않는 상태에서 이를 N2로 줄입니다. 이러한 결과는 기후 활성 가스 제어, 폐기물 제거, 질산염 및 산소 호흡의 진화에 중추적인 역할을 하는 NO 환원 미생물의 생리학에 대한 통찰력을 제공합니다.

산화질소(NO)는 세포 생물학 및 대기 화학에서 중요한 기능을 갖는 강력한 산화 분자입니다. 대기 중 NO는 강력한 온실가스인 아산화질소(N2O)의 전구체로서 대기 오염, 산성비 생성 및 오존층 고갈에 기여합니다1,2. 세포 생물학에서 NO는 세포막을 통해 쉽게 확산되고 다른 자유 라디칼 및 전이 금속과 빠르게 반응하여3 미생물 생활에 매우 독성이 높습니다4,5. NO의 물리화학적 특성으로 인해 NO는 가치 있는 신호 분자6이자 무기 질소 종7 전환의 주요 중간체가 되며, 이는 미생물이 NO를 감지하고 해독할 뿐만 아니라 이를 매우 효과적으로 호흡하는 전략을 발전시켰다는 점을 강조합니다5,8,9.

실제로 초기 지구에서는 산소 광합성이 시작되기 오래 전에 번개와 화산 활동을 통해 생성된 NO가 생명체가 사용할 수 있는 가장 강력한 산화제였습니다(\({E}_{0}^{{{\prime} }}\) = +1.173 V (NO/N2O)) (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\), 표준 중간점 전위)10,11,12. 결과적으로, 호기성 호흡이 출현하기 전에 NO는 현대 탈질화와 관련된 생물에너지 경로의 진화를 추진하는 데 핵심적인 역할을 했으며, 조상 NO 환원효소(NOR)가 나중에 사용되는 말단 산화효소의 전구체 역할을 했다는 가설이 세워졌습니다. 유산소 호흡에서13,14,15. 이는 독성에 관계없이 NO 환원으로부터 에너지를 수확할 수 있는 다양한 미생물이 지구상 생명체의 역사 초기에 진화했음이 틀림없다는 것을 시사합니다.

현대의 질소 순환에서 NO는 N2를 대기로 방출하는 두 가지 공정, 즉 혐기성 암모늄 산화(anammox)와 탈질소화에서 중요한 중간체입니다7. Anammox 동안 Planctomycetes 문의 박테리아는 아질산염(NO2−)을 NO로 환원시킨 다음 산소가 없을 때 암모늄을 히드라진으로 활성화하는 데 사용됩니다16. 탈질화에서는 생명나무 전체에 널리 퍼져 있는 다양한 미생물에 의해 질산염(NO3-)이 N2로 단계적으로 환원(NO3- → NO2- → NO → N2O → N2)되는 동안 NO가 전환됩니다17. Anammox와 달리 탈질은 단일 미생물에 의해 개별적으로 완료되거나 다양한 미생물의 집합체에 의해 완료될 수 있으며, 각 미생물은 하나 이상의 독특한 N-산화물 환원 반응을 수행합니다(식 (1)-(4)). . 이에 따라 다양한 N-산화물 환원 미생물이 NO3-와 탈질 중간체 NO2- 및 N2O를 사용하여 분리되었지만 NO는 사용되지 않았습니다18,19. 그러나 이 기질에서 직접 미생물 성장이 입증되었습니다. 예를 들어 아나목스(anammox) 박테리아는 NO2-가 없는 경우 NO와 암모늄에서 직접 자라는 것으로 나타났으며(참고 8), 탈질 미생물은 다양한 조건에서 NO를 공급할 때 바이오매스를 증가시키는 것으로 제안되었습니다20,21,22. 그럼에도 불구하고, NO에 대한 탈질 미생물의 성장에 대한 정보는 부족하며, 독립 반응 또는 탈질 과정의 일부로서 NO 환원의 생리학에 관한 우리의 지식은 NO를 사용하여 얻지 못한 배양물을 기반으로 하며 일반적으로 세포에 대한 NO의 억제 및 독성 효과로 제한됩니다5.