靠吃沼氣和鐵銹生存的細(xì)菌 | 中荷德科學(xué)家最新發(fā)現(xiàn)或?qū)㈩嵏参鬯幚韨鹘y(tǒng)
世上居然有靠吃沼氣和鐵銹生存的細(xì)菌？！而且還就在你家門口的小河涌里？
小編這么說，雖有嘩眾取寵的標(biāo)題黨之嫌，但其實(shí)也是經(jīng)過深思熟慮的賺眼球之舉——微生物學(xué)家一直猜測有能“吃”甲烷和三價(jià)鐵的微生物的存在，卻無法證明他們的猜想…直到今年，荷蘭奈梅亨的Radboud大學(xué)、德國不萊梅的馬普所(Max Planck Institute)和慕尼黑的亥姆霍茲慕尼黑中心的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)終于發(fā)現(xiàn)了一種能還原鐵和氧化甲烷的微生物。而它可能是控制全球溫室氣體排放的重要生物。
這個(gè)偉大發(fā)現(xiàn)背后的生物反應(yīng)器 (圖源: Boran Kartal)
他們的研究成果于10月24日發(fā)布在科學(xué)期刊《美國科學(xué)院院報(bào)》(PNAS-Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上。其中的一位第一作者來自中國，叫Baoli Zhu，他的履歷寫滿了北大、中科院以及荷蘭、德國著名高校的足跡，小編不得不投以崇拜的目光和真誠的掌聲。
大家可能知道，可能不知道，甲烷是一種比二氧化碳還要強(qiáng)25倍的溫室氣體(另外一種說法是72倍)。毫不夸張地說，我們?nèi)祟惾庋劭床灰姷奈⑸镎瓶刂淄檠h(huán)再生，也就是說它們對全球溫室氣體的平衡影響重大。位于荷蘭和德國的研究者們發(fā)現(xiàn)了一種古生菌(archaeon)，一種不同于細(xì)菌(bacteria)的古老原核生物(prokaryotes)的分支，能借助三價(jià)鐵(ferric)將甲烷轉(zhuǎn)化成二氧化碳。
不信?小編列個(gè)化學(xué)式給您看看，標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能可是一個(gè)大大的負(fù)值：
這篇文章兩位第一作者Katharina Ettwig和Baoli Zhu對這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要性如此評價(jià)道：在這個(gè)過程當(dāng)中，還原成二價(jià)態(tài)的鐵能供其他細(xì)菌的新陳代謝所用�？梢哉f，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的微生物是影響了鐵循環(huán)、甲烷循環(huán)的能量梯級(energy cascade)傳遞的起點(diǎn)。
荷蘭人又將掀起污水處理界的又一革命？
這種新發(fā)現(xiàn)的古生菌，除了能吃鐵，它的八寶袋里還藏著其他魔法——它們能將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化氨氮，后者是著名的厭氧氨氧化菌(Anammox)最愛吃的食物了，而Anammox菌能將氨氮在厭氧環(huán)境下轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?ldquo;這跟污水處理拉上了關(guān)系，”該研究團(tuán)隊(duì)的成員Boran Kartal如此評價(jià)。這位微生物學(xué)家剛從荷蘭的Radboud University搬到德國不萊梅的馬普所。“如果一個(gè)生物反應(yīng)器里包含了厭氧條件下的厭氧甲烷氧化菌(AMO)和厭氧氨氧化菌(Anammox)，那么這個(gè)反應(yīng)器就能同時(shí)將污水中的氨氮、甲烷和氮氧化物轉(zhuǎn)化成無害的氮?dú)夂投趸�，這對全球變暖意義重大，” Boran跟大家描繪了這個(gè)菌種在污水處理的應(yīng)用前景。
大家有所不知的是，跟人類相關(guān)的甲烷排放中，20%來自我們吃的米飯的來源——稻田。要是Boran說的潛在工藝能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的話，將大大減少稻田的甲烷的排放。
大家如果沒有聽明白Kartal先生的話的話，小編可以這么詮釋：以后反硝化的碳源可以用厭氧消化產(chǎn)生的甲烷來取代昂貴的甲醇。倘若成真，將是城市污水處理的里程碑事件。
荷蘭人已經(jīng)聞到這個(gè)新菌種背后的商機(jī)。Jetten教授等荷蘭微生物學(xué)家已在2013年獲得了荷蘭政府高達(dá)2290萬歐元的資助。目前，他的團(tuán)隊(duì)正通過荷蘭STW技術(shù)創(chuàng)新基金名下的項(xiàng)目跟荷蘭相關(guān)水委會以及著名厭氧水處理權(quán)威帕克(Paques)一起研究其工程應(yīng)用的可行性。
眾里尋他千百度，卻是藏在陰溝處
盡管之前諸多跡象顯示這種微生物的存在，但是科學(xué)家們就是沒辦法將它們分離出來。令人驚訝的是，它們其實(shí)就在我們家門口。我們奧氏部落之前介紹過的荷蘭微生物傳奇教授Mike Jetten正好也在這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)中，他說：“經(jīng)過多年的研究，我們發(fā)現(xiàn)它們就在我們收集的樣品中。它就在荷蘭的Twentekanaal河溝里。我們將此地收集并存放到實(shí)驗(yàn)室里的培養(yǎng)菌，通過拼命地喂它們甲烷和硝酸鹽來進(jìn)行富集，最終發(fā)現(xiàn)了這個(gè)菌種的存在,證明了我們的猜測。”下一步他們將對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行更深入的探究，例如分析這個(gè)反應(yīng)里都涉及了哪些蛋白酶等。
荷蘭小鎮(zhèn)Goor上的Twentekanaal運(yùn)河, 這個(gè)運(yùn)河河溝地下就住著這個(gè)讓科學(xué)家們苦苦追尋了10年的幽靈微生物 (圖源 © ANP)
微生物幻方圖的最后拼圖
10年前的2006年4月，權(quán)威雜志《自然》有這么一篇文章：
邊里有一個(gè)附件(supplementary info):
小編對這樣的制表方法要給一個(gè)贊，因?yàn)檫@是一種思路清晰的表現(xiàn)——這年頭，思路清晰的人并不多。上圖原是用來闡釋當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的能通過硝態(tài)氮作為電子受體來完成反硝化和甲烷氧化的微生物。而Jetten教授和他的團(tuán)隊(duì)對這個(gè)表進(jìn)行了修改更新，他們將九種曾經(jīng)或仍舊未知的微生物可能需要的電子供體和受體列了出來。他們把這些微生物稱作spookmicrobes(幽靈微生物)。圈內(nèi)人士把這張表稱作微生物的幻方圖(Magic Square of Microbiology)。
通過聯(lián)系Jetten教授和他的無私分享，小編獲得了這張神圖：
大家可以看到，在過去學(xué)術(shù)星期四專欄中介紹過的Anammox和Comammox都是幽靈戰(zhàn)隊(duì)中的一員，而如今它們已經(jīng)被人們所發(fā)現(xiàn)而且成為科研學(xué)術(shù)界甚至是工程應(yīng)用界的新熱點(diǎn)。Jetten教授和他的團(tuán)隊(duì)一路走來受過的質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，也許旁人是很難完全體會的。這里感慨一句題外話：各位耐得住寂寞搞微生物的朋友們，時(shí)間是你們最恨的敵人，但也可能是最好的朋友…
十年過去了，Jetten教授的團(tuán)隊(duì)的弟子已經(jīng)散落全世界，幻方圖的九個(gè)曾經(jīng)空缺的格子也已填入了8種細(xì)菌或古生菌。最近的這個(gè)新發(fā)現(xiàn)屬于甲烷疊球菌(methanosarcinales)。
Jetten教授表示希望他的團(tuán)隊(duì)能盡快找到幻方格上的最后一塊拼圖。為啥要盡快?因?yàn)檫�有來自中國、澳洲和美國的團(tuán)隊(duì)的競爭呢。究竟這個(gè)皇冠上的明珠會由誰搶的呢?我們就安靜地拭目以待就好了…