Нитрификация, преобразование аммиака через нитрит в нитрат, осуществляется специализированными микроорганизмами, называемыми нитрификаторами. Этот процесс чрезвычайно важен для глобального биогеохимического цикла азота практически во всех экосистемах, но он играет амбивалентную роль в глобальных изменениях.
С одной стороны, нитрификация способствует выбросу мощного парникового газа и озоноразрушающего вещества закиси азота и приводит к огромным потерям удобрений в сельском хозяйстве, что приводит к эвтрофикации водоемов. С другой стороны, нитрификация необходима как этап биологической очистки для удаления питательных веществ на очистных сооружениях, тем самым защищая водоемы от чрезмерного поступления азота из сточных вод.
Международная исследовательская группа под руководством Центра микробиологии и науки об экологических системах (CeMESS) Венского университета теперь нашла способ, который может способствовать появлению нитрификаторов в окружающей среде, которые выделяют меньше закиси азота.
Бактерии Comammox считаются «зелеными» нитрификаторами, поскольку, в отличие от многих других нитрификаторов, они производят лишь небольшое количество закиси азота в качестве побочного продукта своего метаболизма и эффективно удаляют соединения азота из сточных вод на очистных сооружениях. С момента открытия нитрификаторов в 19 веке предполагалось, что эти микроорганизмы могут дышать только аммиаком и мочевиной. В 2015 году исследовательские группы под руководством Михаэля Вагнера и Хольгера Даймса продемонстрировали, что некоторые нитрификаторы также могут использовать химически нестабильный цианат для своего энергетического метаболизма .
«В недавно опубликованной статье наша команда показала, что бактерии комаммокс также могут расти с нетрадиционным субстратом гуанидином, - объясняет Мартон Палатински, первый автор исследования. - Бактерии комаммокс используют транспортер и фермент, структурно и функционально подробно описанные нами, что позволяет им производить аммоний из гуанидина в клетке весьма энергоэффективным способом».
Гуанидин — продукт метаболизма микроорганизмов и растений. Мало что известно о его роли в метаболизме человека и животных. Он образуется в почвах при распаде синтетических добавок к удобрениям и в сточных водах при распаде широко используемого препарата метформин. Однако мало что известно о распределении и дальнейшей переработке гуанидина в окружающей среде.
Гуанидин широко распространен в природе и используется несколькими микроорганизмами в качестве источника азота, но микроорганизмы, растущие на гуанидине как единственном субстрате, до сих пор не идентифицированы.
Здесь исследователи показывают, что полный окислитель аммиака (комаммокс) Nitrospira inopinata и, вероятно, большинство других микроорганизмов комаммокс могут расти на гуанидине как единственном источнике энергии, восстановителя и азота. Протеомика, кинетика ферментов и кристаллическая структура гомолога гуанидиназы N. inopinata продемонстрировали, что это настоящая гуанидиназа. Инкубационные эксперименты с микробиомами сельскохозяйственных почв и очистных сооружений сточных вод, содержащими комаммокс, показали, что гуанидин служит субстратом для нитрификации в окружающей среде.
Международная исследовательская группа, включающая микробиологов из Центра Гельмгольца по исследованию окружающей среды в Лейпциге; Германия и Университета Ольборга в Дании, также продемонстрировала, что гуанидин присутствует не только в моче человека, но и в экскрементах скота, и что бактерии комаммокса используют гуанидин на очистных сооружениях сточных вод. Они также показали, что гуанидин метаболизируется нитрификаторами в сельскохозяйственных почвах.
В настоящее время венские микробиологи пытаются обогатить и выделить широко распространенные бактерии комаммокс из образцов окружающей среды с помощью гуанидина, поскольку в настоящее время в мире в чистой культуре доступен только один штамм.
«Это кажется особенно многообещающим, поскольку ни один из других штаммов нитрификаторов, которые мы тестировали, не мог расти с гуанидином в качестве единственного источника энергии и азота», — объясняет Катарина Китцингер, старший научный сотрудник CeMESS.
Команда также хочет исследовать, может ли добавление гуанидина к сельскохозяйственным удобрениям увеличить численность бактерий комаммокс в пахотных почвах, тем самым сокращая выбросы закиси азота в сельском хозяйстве.
«Эта работа была бы невозможна без тесного сотрудничества многих исследователей, участвующих в кластере передового опыта «Микробиомы — движущая сила планетарного здоровья», запущенном в 2023 году. Мы выражаем искреннюю благодарность Австрийскому научному фонду (FWF) за эту особую поддержку», заключил руководитель исследования Вагнер.
Источник: University of Vienna.
На заглавном фото структура фермента гуанидиназы вида комаммокс Nitrospira inopinata, который преобразует гуанидин в мочевину. Предполагаемый вход в туннель, ведущий к активному центру, выделен на левом изображении. В правой части туннель показан зеленой линией, а гуанидин — в виде стержневой модели. Структура была выяснена группой под руководством Кристины Джинович-Каруго. Фото: Кристина Джинович-Каруго/Венский университет.
