Микробиологи открыли загадочные микроорганизмы комаммокс
Нитрификация играет ключевую роль в естественном круговороте азота на Земле и в сельском хозяйстве. Международная команда учёных под руководством микробиологов из Венского университета Хольгера Даймса и Михаэля Вагнера обнаружила микроорганизмы, которые самостоятельно осуществляют полную нитрификацию. Этот результат противоречит устоявшимся учебникам и является вехой в микробиологии. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Азот — ключевой химический элемент для жизни и важнейшее питательное вещество. Современное интенсивное сельское хозяйство полностью зависит от азотных удобрений. Однако их использование имеет недостатки: после химического превращения в процессе нитрификации азот из удобрений попадает в грунтовые воды, реки и озёра, нарушая экологический баланс. Проблема усугубляется дополнительным азотом из бытовых и промышленных отходов.
Загадка нитрификации
В естественном круговороте азота специфические микроорганизмы преобразуют азотные соединения. Среди них — нитрификаторы, осуществляющие процесс, в ходе которого аммоний (распространённое азотное удобрение) окисляется до нитрита, а затем нитрит окисляется до нитрата.
В течение 125 лет было известно, что эти два шага всегда катализируются разными микроорганизмами: окислителями аммиака и окислителями нитрита, чьё сотрудничество необходимо для полной нитрификации. Это знание легло в основу сотен исследований. Однако никто не понимал, почему труд в нитрификации разделён. Единый микроорганизм, способный катализировать оба шага, фактически получил бы выгоду, сохранив больше энергии. Для описания такого «полного» нитрификатора микробиологи придумали термин «comammox» (complete ammonia oxidizer). Но его существование оставалось неразрешённым вопросом более века.
Сюрприз в российской нефтяной скважине
Группа учёных под руководством Хольгера Даймса и Михаэля Вагнера из Венского университета вместе с партнёрами из России, Дании и Германии решила эту загадку. Команда проанализировала бактериальную культуру из российской нефтяной скважины глубиной 1200 м. Хотя эта культура окисляла аммиак полностью до нитрата, присутствовали только бактерии Nitrospira, до сих пор известные как строгие окислители нитрита. Они могли осуществлять второй шаг нитрификации, но любые известные окислители аммиака, необходимые для первого шага, отсутствовали.
«Это был невероятно захватывающий момент. Мы предположили, что в этой культуре есть что-то новое, но не ожидали большого сюрприза», — говорит Хольгер Даймс.
Полный геномный анализ всех бактериальных видов в культуре дал ответ. «Бактерии Nitrospira обладали всеми генами для окисления как аммиака, так и нитрита, то есть для полной нитрификации. Это, казалось, был давно разыскиваемый организм комаммокс», — добавляет Михаэль Вагнер.
Комаммокс повсюду, но его упускали из виду
Физиологические эксперименты с культурой и анализ протеома подтвердили, что бактерии Nitrospira были комаммокс. Михаэль Вагнер объясняет: «Nitrospira — хорошо известные окислители нитрита, встречающиеся почти повсюду. Функция некоторых Nitrospira как комаммокс оставалась незамеченной десятилетиями».
После открытия комаммокс Nitrospira команда смогла обнаружить их во многих почвах, внутренних водоёмах и на станциях очистки сточных вод.
«Это открытие открывает новую главу в экологической микробиологии, — говорит Даймс. — Наша картина круговорота азота, необходимого для всей жизни на Земле, была неполной. Наша следующая задача — исследовать больше свойств комаммокс и их важность в природе и на очистных сооружениях».
Исследование финансировалось Австрийским научным фондом (FWF) и Европейским исследовательским советом (ERC).
Результаты микробиологов из Венского университета опубликованы в Nature вместе с исследованием коллег из Неймегена (Нидерланды), которые также идентифицировали комаммокс Nitrospira.