微生物所李德峰/郑艳宁团队联合揭示直接氨氧化微生物的多样性及氮代谢潜力

微生物氮循环对维持生态系统稳定具有重要意义，为丰富多样的微生物生命形态提供支撑，并被广泛应用于环境治理和污水脱氮。厌氧氨氧化菌、氨氧化古菌和全程氨氧化菌的发现，以及对这些新型氮循环微生物多样性的认识，持续拓展对氮循环的理解。2021年，研究团队首次提出了异养细菌可在好氧条件下将氨经羟胺直接转化为N₂的新途径，并将其命名为直接氨氧化（direct ammonia oxidation，Dirammox）。随着相关研究的不断推进，直接氨氧化研究已由新途径发现逐步拓展至关键反应机制、功能基因与酶、生理生态作用等研究方向。然而，关于潜在Dirammox微生物的分类分布、功能基因多样性及其与其他氮代谢过程的关系，仍缺乏系统认识。

近日，中国科学院微生物研究所微生物多样性与资源创新利用全国重点实验室李德峰团队与郑艳宁团队合作在mBio上发表题为“Diversity of dirammox microorganisms”的研究论文。研究通过大规模基因组挖掘和微生物生理生化实验，系统分析了潜在直接氨氧化微生物的分类学多样性、基因簇结构、进化特征及氮代谢潜力。

研究团队对NCBI RefSeq和GenBank数据库中314万余个非冗余微生物基因组进行系统筛选，在690个细菌基因组中鉴定出完整的dnfABC直接氨氧化基因簇，涉及3个门、26个属。该基因簇在产碱杆菌属（Alcaligenes）、代尔夫特菌属（Delftia）和微枝形杆菌属（Microvirgula）中检出率接近100%，而在假单胞菌属（Pseudomonas）等其他属中呈零散分布。比较基因组学分析发现，dnfABC基因簇存在5种主要结构类型，其系统发育关系、GC含量差异及邻近移动遗传元件的分布提示，垂直遗传和潜在水平基因转移可能共同影响其演化与分布。

进一步分析发现，dnfABC基因簇可与同化硝酸盐还原、异化硝酸盐还原、反硝化及固氮等氮代谢相关基因共存，形成9种主要氮代谢类型，表明潜在直接氨氧化微生物具有多样的氮转化潜力。功能实验表明，7个不同来源的dnfABC基因簇均能赋予大肠杆菌氧化铵态氮和谷氨酰胺并产生羟胺的能力，而部分天然宿主未表现出相应活性，提示该途径可能受到宿主遗传背景及环境条件的调控。

该研究系统揭示了潜在直接氨氧化微生物分类分布的广泛性、遗传多样性及氮代谢潜力，为认识异养微生物参与氮循环提供了新的依据。研究结果提示，直接氨氧化可能是有机质丰富环境中尚未被充分认识的氮转化及潜在氮损失途径，为进一步解析其生态功能与调控机制奠定了基础。

中国科学院微生物研究所Gantuya Khasbaatar博士、韩群特别研究助理和王晓康博士为论文共同第一作者，李德峰研究员和郑艳宁研究员为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1128/mbio.01645-26

直接氨氧化微生物的多样性与功能潜力