康奈爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種途徑，地球上數(shù)量最多的微生物類型之一——氨氧化古菌（AOA）可通過該途徑產(chǎn)生一氧化二氮，這是一種強(qiáng)效且持久的溫室氣體。

文理學(xué)院（A和S學(xué)院）的化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)教授凱爾·蘭卡斯特表示，氨氧化古菌無處不在——在土壤中、水中、極端環(huán)境里以及人類皮膚上，揭示它們的化學(xué)過程是理解氣候變化化學(xué)的重要一步。

他說：“這種化學(xué)反應(yīng)似乎是氨氧化古菌生存要付出的代價(jià)。人類攝入糖分后呼出二氧化碳，而這些微生物釋放的是一氧化二氮。當(dāng)我們往生態(tài)系統(tǒng)里添加越來越多的氮時(shí)，這是我們必須留意的事兒?！?/p>

根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署的數(shù)據(jù)，一氧化二氮約占人類活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體排放的6%，而二氧化碳約占80%。蘭卡斯特說，雖說對(duì)于氨氧化古菌自然產(chǎn)生的一氧化二氮，我們沒什么辦法，但了解其產(chǎn)生方式填補(bǔ)了整體氣候化學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也讓研究人員有機(jī)會(huì)進(jìn)一步研究。

蘭卡斯特說：“這是在全球廣泛存在的生化過程，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我們賴以生存的地球所需的微妙平衡至關(guān)重要?！?/p>

蘭卡斯特是《海洋硝化古菌亞硝化侏儒菌通過酶促亞硝酰產(chǎn)生一氧化二氮》一文的通訊作者，該研究成果于1月17日發(fā)表在了《美國國家科學(xué)院院刊》上。

博士研究生羅伯特·沃蘭德是第一作者；赫克托·阿布魯尼亞是文理學(xué)院的埃米爾·M·查莫特化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)教授，阿布魯尼亞實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究助理王洪森也參與了此項(xiàng)研究。

研究人員寫道，硝化細(xì)菌——包括氨氧化古菌（AOA）和氨氧化細(xì)菌（AOB）——通過氧化氨作為細(xì)胞燃料來生存。通過這種方式，它們推動(dòng)了氮循環(huán)里的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化過程，因此在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，盡管它們新陳代謝的許多產(chǎn)物和副產(chǎn)物都是令人擔(dān)憂的環(huán)境和大氣污染物，包括一氧化二氮。

在沃蘭德主導(dǎo)的、針對(duì)海洋硝化古菌亞硝化侏儒菌蛋白質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種在結(jié)構(gòu)和基因上對(duì)氨氧化古菌來說獨(dú)一無二的酶：Nmar_1354，這是一種多銅氧化酶。

“發(fā)現(xiàn)這種酶很有意思，因?yàn)樵诎l(fā)現(xiàn)它之前，我們不知道有任何含銅酶能氧化羥胺，” 沃蘭德說。

他發(fā)現(xiàn)，羥胺（一種氨氧化古菌的代謝產(chǎn)物）被這種酶轉(zhuǎn)化為硝?；ㄒ环N極具活性的分子），然后硝?；鶗?huì)形成溫室氣體一氧化二氮以及氮?dú)猓ǖ厍虼髿庵泻孔钬S富的化學(xué)物質(zhì)）。研究人員表示，這一過程解釋了氨氧化古菌是如何產(chǎn)生一氧化二氮的，并確定了神秘的硝?；男纬蓹C(jī)制。

蘭開斯特說，硝酰基備受關(guān)注，是因?yàn)樗哂?a class="keyword-search" >活性（這也使得對(duì)它的研究頗具難度）。它甚至?xí)c自身發(fā)生反應(yīng)，這就是這種蛋白質(zhì)最終產(chǎn)生一氧化二氮的過程。

蘭開斯特說，硝?；幕钚噪m然備受關(guān)注，但只是這一研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)之一。另一個(gè)挑戰(zhàn)是氨氧化古菌的特性，它們生長緩慢，無法達(dá)到高細(xì)胞密度，而且很難在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)。

阿布魯尼亞和姓王的（具體名字未知）合作，使用專門的儀器通過質(zhì)譜法檢測小分子。

“質(zhì)譜法是化學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工具，但有時(shí)很難檢測到質(zhì)量極低的分子，” 蘭卡斯特說，“他們有一套專門用于研究氨氧化產(chǎn)物的裝置 —— 對(duì)我們來說很幸運(yùn)。”

蘭卡斯特說，關(guān)于來自氨氧化古菌（AOA），實(shí)際上還有氨氧化細(xì)菌（AOB）的一氧化二氮的來源一直存在爭議。這之所以有爭議，是因?yàn)樵谘芯课⑸镏g以及微生物與環(huán)境之間如何相互作用的微生物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，一些人認(rèn)為這些反應(yīng)是非生物發(fā)生的，不涉及任何酶。

“我們可以對(duì)此展開爭論，因?yàn)槊复嬖?，底物存在，反?yīng)也發(fā)生了 —— 肯定有其作用，” 蘭卡斯特說，“這也是我們?cè)谶@里所持的態(tài)度，尤其是因?yàn)檫@些蛋白質(zhì)是這些生物體表達(dá)的最為豐富的蛋白質(zhì)中的一部分，所有這些生物體都有這類蛋白質(zhì)?！?/p>