stringtranslate.com

Нитроспира

Nitrospira (от лат. nitro, что означает «нитрат» и греч. spira, что означает «спираль») переводится как «нитратная спираль» — род бактерий в монофилетической кладе [1] типа Nitrospirota . Первый представитель этого рода был описан в 1986 году Уотсоном и др., выделен из залива Мэн .Бактерия была названа Nitrospira marina [2] Первоначально считалось, что популяции ограничены морскими экосистемами , но позже было обнаружено, что она хорошо подходит для многочисленных мест обитания, включая активированный ил систем очистки сточных вод , [3] естественные биологические морские среды (такие как река Сена во Франции [4] и пляжи в Кейп-Коде в США [5] ), биофильтры циркуляции водыв аквариумах , [4] наземные системы, [5] пресноводные и соленые водные экосистемы, сельскохозяйственные угодья [6] и горячие источники . [7] Nitrospira — это вездесущая бактерия, которая играет роль в азотном цикле [8], выполняя окисление нитрита на втором этапе нитрификации. [7] Nitrospira обитает в самых разных средах, включая, помимо прочего, системы питьевого водоснабжения, очистные сооружения, рисовые поля , лесные почвы , геотермальные источники и губчатую ткань. [9] Несмотря на обилие во многих природных и искусственных экосистемах, Nitrospira трудно культивировать, поэтому большая часть знаний о них получена из молекулярных и геномных данных. [10] Однако из-за сложности их культивирования в лабораторных условиях весь геном был секвенирован только у одного вида, Nitrospira defluvii . [11] Кроме того, последовательности 16S рРНК бактерий Nitrospira слишком различны для использования в качестве праймеров для ПЦР , поэтому некоторые представители остаются незамеченными. [10] Кроме того,были обнаружены [9] [12] и культивированы представители рода Nitrospira , способные осуществлять полную нитрификацию ( бактерии комаммокс ). [13]

Морфология

Для следующего описания Nitrospira moscoviensis будет представителем рода Nitrospira . Nitrospira — это грамотрицательный нитрит -окисляющий организм со спиральной или виброидной морфологией ( размером 0,9–2,2 × 0,2–0,4 микрометра ). [14] Это непланктонные организмы , которые находятся в виде комков, известных как агрегаты, в биопленках . [1] Визуализация с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) подтверждает наличие звездообразных выступов на внешней мембране (толщиной 6–8 нм). Периплазматическое пространство исключительно широкое (толщиной 34–41 нм), [5] что обеспечивает пространство для размещения богатых электронами молекул. [15] Структуры, лишенные электронов, расположены в цитозоле и, как полагают, являются пузырьками для хранения гликогена ; в цитоплазме также идентифицированы гранулы полигидроксибутирата и полифосфата . [14] Анализ ДНК показал, что 56,9 +/- 0,4 моль% ДНК представляют собой пары оснований гуанина и цитозина . [14]

Общий обмен веществ

Nitrospira способны к аэробному окислению водорода [16] и окислению нитрита [7] для получения электронов, но высокие концентрации нитрита, как было показано, подавляют их рост. [1] Оптимальная температура для окисления нитрита и роста Nitrospira moscoviensis составляет 39 °C (может варьироваться от 33 до 44 °C) при диапазоне pH 7,6-8,0 [14] Несмотря на то, что их обычно классифицируют как облигатных хемолитотрофов [5] , некоторые из них способны к миксотрофии [7] Например , в разных средах Nitrospira может выбирать ассимиляцию углерода путем фиксации углерода [7] или путем потребления органических молекул ( глицерина , пирувата или формиата [17] ). Новые исследования также показывают, что Nitrospira может использовать мочевину в качестве источника питательных веществ. [18] Уреаза , закодированная в их геноме, может расщеплять мочевину до CO2 и аммиака . CO 2 может усваиваться путем анаболизма, в то время как аммиак и органические побочные продукты, выделяемые Nitrospira, позволяют окислителям аммония [7] и другим микробам сосуществовать в одной и той же микросреде . [1]

Нитрификация

Все представители этого рода имеют гены нитрит-оксидоредуктазы , и поэтому все считаются окислителями нитрита. [10] С тех пор, как были открыты нитрифицирующие бактерии , было принято считать, что нитрификация происходит в два этапа, хотя энергетически выгодно, чтобы один организм выполнял оба этапа. [19] Недавно были также обнаружены представители Nitrospira, способные выполнять полную нитрификацию ( бактерии комаммокс ) [9] [12] [20] и культивированы, как в случае Nitrospira inopinata . [13] Открытие организмов комаммокс в Nitrospira переопределяет способ, которым бактерии вносят вклад в азотный цикл , и поэтому многие будущие исследования будут посвящены этому. [9]

Благодаря этим новым открытиям теперь появилась возможность использовать в основном полную нитрификацию вместо частичной нитрификации в инженерных системах, таких как очистные сооружения сточных вод , поскольку полная нитрификация приводит к снижению выбросов парниковых газов : закиси азота и оксида азота в атмосферу. [21]

Геном

После секвенирования и анализа ДНК представителей Nitrospira исследователи обнаружили, что у обоих видов есть гены, кодирующие аммиачную монооксигеназу (Amo) и гидроксиламиндегидрогеназу (hao), ферменты, которые бактерии, окисляющие аммиак (AOB), используют для преобразования аммиака в нитрит. [9] [12] [20] Бактерии обладают всеми необходимыми субъединицами для обоих ферментов, а также необходимыми белками и транспортерами, связанными с клеточной мембраной, для выполнения первого этапа нитрификации. [9] Происхождение гена Amo является спорным, поскольку одно исследование показало, что он похож на другие AOB[3], в то время как другое исследование показало, что ген Amo генетически отличается от других линий. [12] Текущие результаты показывают, что ген hao филогенетически отличается от гена hao, присутствующего в других AOB, что означает, что они приобрели их давно, вероятно, путем горизонтального переноса генов . [9]

Nitrospira также несет гены, кодирующие все субъединицы нитритоксидоредуктазы (nxr), фермента, катализирующего второй этап нитрификации. [9]

Филогения

Принятая в настоящее время таксономия основана на Списке названий прокариот, имеющих статус в номенклатуре (LSPN) [22] и Национальном центре биотехнологической информации (NCBI). [23] Филогения основана на GTDB 08-RS214 по базе данных таксономии генома [24] [25] [26]

Определенные виды:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Fujitani H, Ushiki N, Tsuneda S, Aoi Y (октябрь 2014 г.). «Выделение сублинии I с помощью новой стратегии культивирования». Environmental Microbiology . 16 (10): 3030–3040. doi :10.1111/1462-2920.12248. PMID  25312601.
  2. ^ Стэнли В. Уотсон, Эберхард Бок, Фредерика В. Валуа, Джон Б. Уотербери, Урсула Шлоссер (1986). «Nitrospira marina gen. nov. sp. nov.: хемолитотрофная нитрит-окисляющая бактерия». Arch Microbiol . 144 (1): 1–7. Bibcode : 1986ArMic.144....1W. doi : 10.1007/BF00454947. S2CID  29796511.
  3. ^ Wagner M, Loy A, Nogueira R, Purkhold U, Lee N, Daims H (2002). «Состав и функция микробного сообщества на очистных сооружениях». Antonie van Leeuwenhoek . 81 (1/4): 665–680. doi :10.1023/A:1020586312170. hdl : 1822/1616 . PMID  12448762. S2CID  21315850.
  4. ^ ab Hovanec TA, Taylor LT, Blakis A, Delong EF (1998). «Nitrospira-подобные бактерии, связанные с окислением нитрита в пресноводных аквариумах». Applied and Environmental Microbiology . 64 (1): 258–264. Bibcode : 1998ApEnM..64..258H. doi : 10.1128/AEM.64.1.258-264.1998. ISSN  0099-2240. PMC 124703. PMID 16349486  . 
  5. ^ abcd Watson SW, Bock E, Valois FW, Waterbury JB, Schlosser U (февраль 1986 г.). "Nitrospira marina gen. nov. sp. nov.: хемолитотрофная нитрит-окисляющая бактерия". Архив микробиологии . 144 (1): 1–7. Bibcode : 1986ArMic.144....1W. doi : 10.1007/BF00454947. S2CID  29796511.
  6. ^ Шопина О.В., Бондарь А.И., Тихонова Е.В., Титовец А.В., Семенков ИН (2024-10-01). "Почвенные бактериальные сообщества проявляют устойчивость в составе и функциях в течение 30 лет самовосстановления сосны на сельскохозяйственных землях Западной России". Прикладная почвенная экология . 202 : 105570. doi :10.1016/j.apsoil.2024.105570. ISSN  0929-1393.
  7. ^ abcdef Koch H, Lücker S, Albertsen M, Kitzinger K, Herbold C, Spieck E, Nielsen PH, Wagner M, Daims H (8 сентября 2015 г.). «Расширенная метаболическая универсальность повсеместно окисляющих нитриты бактерий из этого рода». Труды Национальной академии наук . 112 (36): 11371–11376. Bibcode : 2015PNAS..11211371K. doi : 10.1073/pnas.1506533112 . PMC 4568715. PMID  26305944 . 
  8. ^ Lucker S, Wagner M, Maixner F, Pelletier E, Koch H, Vacherie B, Rattei T, Damste JS, Spieck E, Le Paslier D, Daims H (12 июля 2010 г.). «Метагеном Nitrospira освещает физиологию и эволюцию глобально важных нитрит-окисляющих бактерий». Труды Национальной академии наук . 107 (30): 13479–13484. Bibcode : 2010PNAS..10713479L. doi : 10.1073/pnas.1003860107 . PMC 2922143. PMID  20624973 . 
  9. ^ abcdefgh van Kessel MA, Speth DR, Albertsen M, Nielsen PH, Camp HJ, Kartal B, Jetten MS, Lücker S (2015). «Полная нитрификация одним микроорганизмом». Nature . 528 (7583): 555–9. Bibcode :2015Natur.528..555V. doi :10.1038/nature16459. PMC 4878690 . PMID  26610025. 
  10. ^ abc Pester M, Maixner F, Berry D, Rattei T, Koch H, Lücker S, Nowka B, Richter A, Spieck E (2014-10-01). "NxrB, кодирующий бета-субъединицу нитрита оксидоредуктазы как функциональный и филогенетический маркер для окисляющей нитрит Nitrospira". Environmental Microbiology . 16 (10): 3055–3071. Bibcode : 2014EnvMi..16.3055P. doi : 10.1111/1462-2920.12300 . ISSN  1462-2920. PMID  24118804.
  11. ^ Lucker S, Wagner M, Maixner F, Pelletier E, Koch H, Vacherie B, Rattei T, Damste JS, Spieck E, Le Paslier D, Daims H (12 июля 2010 г.). «Метагеном Nitrospira освещает физиологию и эволюцию глобально важных нитрит-окисляющих бактерий». Труды Национальной академии наук . 107 (30): 13479–13484. Bibcode : 2010PNAS..10713479L. doi : 10.1073/pnas.1003860107 . PMC 2922143. PMID  20624973 . 
  12. ^ abcd Даймс Х., Лебедева Е.В., Пьевац П., Хан П., Гербольд С., Альбертсен М., Йемлих Н., Палатинский М., Вирхейлиг Дж. (2015). «Полная нитрификация бактериями Nitrospira». Природа . 528 (7583): 504–9. Бибкод : 2015Natur.528..504D. дои : 10.1038/nature16461. ПМК 5152751 . ПМИД  26610024. 
  13. ^ ab Китс К.Д., Седлачек С.Дж., Лебедева Е.В., Хан П., Булаев А., Пьевац П., Дебелер А., Романо С., Альбертсен М., Штейн Л.Ю., Даймс Х. (сентябрь 2017 г.). «Кинетический анализ полного нитрификатора показывает олиготрофный образ жизни». Природа . 549 (7671): 269–272. Бибкод : 2017Natur.549..269K. дои : 10.1038/nature23679. ISSN  1476-4687. ПМК 5600814 . ПМИД  28847001. 
  14. ^ abcd Ehrich S, Behrens D, Lebedeva E, Ludwig W, Bock E (июль 1995). "Новая облигатно хемолитоавтотрофная, окисляющая нитрит бактерия, Nitrospira moscoviensis sp. nov. и ее филогенетическая связь". Архив микробиологии . 164 (1): 16–23. Bibcode : 1995ArMic.164...16E. doi : 10.1007/BF02568729. PMID  7646315. S2CID  2702110.
  15. ^ Haaijer SC, Ji K, Niftrik Lv, Hoischen A, Speth D, Jetten MS, Damsté JS, Op den Camp HJ (2013). «Новый морской вид Nitrospira, окисляющий нитриты, из голландских прибрежных вод Северного моря». Границы микробиологии . 4 : 60. дои : 10.3389/fmicb.2013.00060 . ПМК 3600790 . ПМИД  23515432. 
  16. ↑ Кох Х, Галушко А, Альбертсен М, Шинтлмейстер А, Грубер-Дорнингер С, Люкер С, Пеллетье Е, Ле Паслье Д, Шпик Э, Рихтер А, Нильсен PH, Вагнер М, Даймс Х (28 августа 2014 г.). «Рост нитритокисляющих бактерий путем аэробного окисления водорода». Наука . 345 (6200): 1052–1054. Бибкод : 2014Sci...345.1052K. дои : 10.1126/science.1256985. hdl : 2066/133107 . PMID  25170152. S2CID  206559794.
  17. ^ Daims H, Nielsen JL, Nielsen PH, Schleifer KH, Wagner M (1 ноября 2001 г.). «In Situ Characterization of Nitrospira-Like Nitrite-Oxidizing Bacteria Active in Wastewater Treatment Plants». Прикладная и экологическая микробиология . 67 (11): 5273–5284. Bibcode :2001ApEnM..67.5273D. doi :10.1128 / AEM.67.11.5273-5284.2001. PMC 93301. PMID  11679356. 
  18. ^ Koch H, Lücker S, Albertsen M, Kitzinger K, Herbold C, Spieck E, Nielsen PH, Wagner M, Daims H (2015-09-08). «Расширенная метаболическая универсальность вездесущих нитрит-окисляющих бактерий из рода Nitrospira». Труды Национальной академии наук . 112 (36): 11371–11376. Bibcode : 2015PNAS..11211371K. doi : 10.1073/pnas.1506533112 . ISSN  0027-8424. PMC 4568715. PMID 26305944  . 
  19. ^ Коста Э., Перес Дж., Крефт Дж. (2006). «Почему метаболический труд разделяется при нитрификации?». Тенденции в микробиологии . 14 (5): 213–219. doi :10.1016/j.tim.2006.03.006. PMID  16621570.
  20. ^ ab Palomo A, Fowler SJ, Gülay A, Rasmussen S, Sicheritz-Ponten T, Smets BF (2016-04-29). «Метагеномный анализ микробных сообществ быстрых гравитационных песчаных фильтров предполагает новую физиологию Nitrospira spp». Журнал ISME . 10 (11): 2569–2581. Bibcode : 2016ISMEJ..10.2569P. doi : 10.1038/ismej.2016.63. ISSN  1751-7370. PMC 5113852. PMID 27128989  . 
  21. ^ Родригес-Кабальеро А., Рибера А., Балькасар Дж., Пихуан М. (2013). «Нитритация против полной нитрификации сточных вод, богатых аммонием: сравнение с точки зрения выбросов азота и оксидов азота». Bioresource Technology . 139 : 195–202. Bibcode : 2013BiTec.139..195R. doi : 10.1016/j.biortech.2013.04.021. PMID  23665516.
  22. ^ Euzéby JP. ""Nitrospirae"". Список названий прокариот, имеющих место в номенклатуре (LPSN) . Получено 20.03.2016 .
  23. ^ Sayers. "Nitrospirae". База данных таксономии Национального центра биотехнологической информации (NCBI) . Получено 20.03.2016 .
  24. ^ "GTDB release 08-RS214". База данных таксономии генома . Получено 10 мая 2023 г.
  25. ^ "bac120_r214.sp_label". База данных таксономии генома . Получено 10 мая 2023 г.
  26. ^ "История таксона". База данных таксономии генома . Получено 10 мая 2023 г.

Внешние ссылки