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靠吃沼气和铁锈生存的细菌 | 中荷德科学家最新发现或将颠覆污水处理传统

  世上居然有靠吃沼气和铁锈生存的细菌?!而且还就在你家门口的小河涌里?

  小编这么说,虽有哗众取宠的标题党之嫌,但其实也是经过深思熟虑的赚眼球之举——微生物学家一直猜测有能“吃”甲烷和三价铁的微生物的存在,却无法证明他们的猜想…直到今年,荷兰奈梅亨的Radboud大学、德国不莱梅的马普所(Max Planck Institute)和慕尼黑的亥姆霍兹慕尼黑中心的联合团队终于发现了一种能还原铁和氧化甲烷的微生物。而它可能是控制全球温室气体排放的重要生物。

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  这个伟大发现背后的生物反应器 (图源: Boran Kartal)

  他们的研究成果于10月24日发布在科学期刊《美国科学院院报》(PNAS-Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上。此中的一位第一编辑来自中国,叫Baoli Zhu,他的履历写满了北大、中科院以及荷兰、德国著名高校的足迹,小编不得不投以崇拜的目光和真诚的掌声。

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  大家可能知道,可能不知道,甲烷是一种比二氧化碳还要强25倍的温室气体(另外一种说法是72倍)。毫不夸张地说,我们人类肉眼看不见的微生物掌控着甲烷循环再生,也就是说它们对全球温室气体的平衡影响重大。位于荷兰和德国的研究者们发现了一种古生菌(archaeon),一种不同于细菌(bacteria)的古老原核生物(prokaryotes)的分支,能借助三价铁(ferric)将甲烷转化成二氧化碳。

  不信?小编列个化学式给您看看,标准吉布斯自由能可是一个大大的负值:

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  这篇文章两位第一编辑Katharina Ettwig和Baoli Zhu对这个发现的重要性如此评价道:在这个过程当中,还原成二价态的铁能供其他细菌的新陈代谢所用。可以说,这个新发现的微生物是影响了铁循环、甲烷循环的能量梯级(energy cascade)传递的起点

  荷兰人又将掀起污水处理界的又一革命?

  这种新发现的古生菌,除了能吃铁,它的八宝袋里还藏着其他魔法——它们能将硝态氮转化氨氮,后者是著名的厌氧氨氧化菌(Anammox)最爱吃的食物了,而Anammox菌能将氨氮在厌氧环境下转化为氮气。“这跟污水处理拉上了关系,”该研究团队的成员Boran Kartal如此评价。这位微生物学家刚从荷兰的Radboud University搬到德国不莱梅的马普所。“如果一个生物反应器里包含了厌氧条件下的厌氧甲烷氧化菌(AMO)和厌氧氨氧化菌(Anammox),那么这个反应器就能同时将污水中的氨氮、甲烷和氮氧化物转化成无害的氮气和二氧化碳,这对全球变暖意义重大,” Boran跟大家描绘了这个菌种在污水处理的应用前景。

  大家有所不知的是,跟人类相关的甲烷排放中,20%来自我们吃的米饭的来源——稻田。要是Boran说的潜在工艺能够实现工业化应用的话,将大大减少稻田的甲烷的排放。

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  大家如果没有听大白Kartal先生的话的话,小编可以这么诠释:以后反硝化的碳源可以用厌氧消化产生的甲烷来代替昂贵的甲醇。倘若成真,将是城市污水处理的里程碑事件。

  荷兰人已经闻到这个新菌种背后的商机。Jetten传授等荷兰微生物学家已在2013年获得了荷兰当局高达2290万欧元的资助。目前,他的团队正通过荷兰STW技术创新基金名下的项目跟荷兰相关水委会以及著名厌氧水处理权威帕克(Paques)一起研究其工程应用的可行性

  众里寻他千百度,倒是藏在阴沟处

  尽管之前诸多迹象显示这种微生物的存在,但是科学家们就是没办法将它们分离出来。令人惊讶的是,它们其实就在我们家门口。我们奥氏部落之前推荐过的荷兰微生物传奇传授Mike Jetten正好也在这个研究团队中,他说:“经过多年的研究,我们发现它们就在我们收集的样品中。它就在荷兰的Twentekanaal河沟里。我们将此地收集并存放到尝试室里的培养菌,通过拼命地喂它们甲烷和硝酸盐来进行富集,最终发现了这个菌种的存在,证明了我们的猜测。”下一步他们将对反应机理进行更深入的探究,例如阐发这个反应里都涉及了哪些蛋白酶等。

 

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  荷兰小镇Goor上的Twentekanaal运河, 这个运河河沟地下就住着这个让科学家们苦苦追寻了10年的幽灵微生物 (图源 © ANP)

  微生物幻方图的最后拼图

  10年前的2006年4月,权威杂志《自然》有这么一篇文章:

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  边里有一个附件(supplementary info):

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  小编对这样的制表方法要给一个赞,因为这是一种思路清晰的表现——这年头,思路清晰的人并不多。上图原是用来阐释当时发现的能通过硝态氮作为电子受体来完成反硝化和甲烷氧化的微生物。而Jetten传授和他的团队对这个表进行了修改更新,他们将九种曾经或仍旧未知的微生物可能需要的电子供体和受体列了出来。他们把这些微生物称作spookmicrobes(幽灵微生物)。圈内人士把这张表称作微生物的幻方图(Magic Square of Microbiology)。

  通过联系Jetten传授和他的无私分享,小编获得了这张神图:

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  大家可以看到,在过去学术星期四专栏中推荐过的Anammox和Comammox都是幽灵战队中的一员,而如今它们已经被人们所发现而且成为科研学术界甚至是工程应用界的新热点。Jetten传授和他的团队一路走来受过的质疑和挑战,也许旁人是很难完全体会的。这里感慨一句题外话:各位耐得住寂寞搞微生物的朋友们,时间是你们最恨的敌人,但也可能是最好的朋友…

  十年过去了,Jetten传授的团队的弟子已经散落全世界,幻方图的九个曾经空缺的格子也已填入了8种细菌或古生菌。最近的这个新发现属于甲烷叠球菌(methanosarcinales)。

  Jetten传授表示希翼他的团队能尽快找到幻方格上的最后一块拼图。为啥要尽快?因为还有来自中国、澳洲和美国的团队的竞争呢。究竟这个皇冠上的明珠会由谁抢的呢?我们就安静地拭目以待就好了…