高規(guī)格鐵碳微電解填料生產(chǎn)廠家厭氧氨氧化一個(gè)關(guān)于時(shí)間和耐心的故事- 從43年前談起

　　高規(guī)格鐵碳微電解填料廠家厭氧氨氧化一個(gè)關(guān)于時(shí)間和耐心的故事- 從43年前談起。在1986年之前，人們都不相信有可在厭氧環(huán)境下“氧化”氨氮的細(xì)菌。一個(gè)荷蘭生物工程師和一個(gè)微生物教授的偶遇改變了一切。到了1999年7月，這位微生物學(xué)家連同其他幾位學(xué)者，在《Nature》期刊上宣布了一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)：“厭氧氨氧化”菌屬于浮霉菌門(mén)。在日后關(guān)于anammox的文章里，這個(gè)人的名字會(huì)被反復(fù)引用，他的名字叫Gijs Kuenen。

　　如果你不知道Gijs Kuenen是誰(shuí)的話，那說(shuō)明你對(duì)厭氧氨氧化的歷史還知之甚少。如果說(shuō)誰(shuí)最有資格為厭氧氨氧化作傳，那可能是非Gijs Kuenen教授莫屬。幸運(yùn)的是，Kuenen教授最近還真的將過(guò)去40年厭氧氨氧化史好好地梳理了一遍，并發(fā)表在2020年第二期的《Environmental Microbiology》上，題為《Anammox and Beyond》。今天在本期微信推送里，我們?yōu)榇蠹艺�理一下關(guān)于厭氧氨氧化的那些事。

　　從硫細(xì)菌說(shuō)起1940年12月9日，Gijs Kuenen出生于荷蘭阿姆斯特丹西邊的小城Heemstede。1972年，Kuenen教授在格羅寧根大學(xué)獲得微生物學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)后他在美國(guó)洛杉磯和荷蘭格羅寧根輾轉(zhuǎn)了幾年，隨后在1980年來(lái)到代爾夫特，成為了荷蘭代爾夫特理工大學(xué)TU Delft的第四任微生物教授。前三人都是代爾夫特理工的傳奇人物，包括Martinus Beijerinck、Albert Kluyver和Cornelis van Niel。

　　Kuenen教授說(shuō)，每次回想，都讓他愈發(fā)感覺(jué)微生物界各種人和事之間奇妙的聯(lián)系。他說(shuō)關(guān)于anammox的故事可以從他在格羅寧根大學(xué)讀本科的時(shí)候說(shuō)起。當(dāng)時(shí)這門(mén)課的授課老師是Hans Veldkamp教授(1923-2002)，Veldkamp的導(dǎo)師則是Albert Kluyer (圈子的傳承)。

　　在為期六周的微生物課里，他學(xué)會(huì)了如何對(duì)多種微生物和代謝類(lèi)型進(jìn)行富集培養(yǎng)，而這種方法正是TU Delft首任微生物教授Martinus Beijerinck發(fā)明的。后來(lái)Veldkamp教授則成為了Kuenen教授博士學(xué)位的導(dǎo)師。他的博士論文是關(guān)于兩種硫氧化菌(SOB)的比較。在此后很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，他的研究都是圍繞SOB展開(kāi)的。

　　在1980年他回到Delft之后，他開(kāi)始尋求SOB在工業(yè)上的應(yīng)用。巧合的是，當(dāng)時(shí)荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的Gatze Lettinga教授正在研究污水的厭氧處理技術(shù)。兩位教授聯(lián)合本地一家叫Paques的小公司，成功地開(kāi)發(fā)了生物脫硫工藝，去除污水中的硫化氫，并回收單質(zhì)硫。

　　Paques公司后來(lái)也將這項(xiàng)工藝技術(shù)商業(yè)化，取名THIOPAQ。取名者正是Kuenen和Lettinga聯(lián)合培養(yǎng)的博士生Cees Buisman，后來(lái)他也成為了瓦大環(huán)境系的教授。

　　在大學(xué)當(dāng)教授之余，當(dāng)時(shí)Kuenen每周會(huì)抽幾小時(shí)給一家叫Gist-Brocades (GB)的生物公司當(dāng)咨詢顧問(wèn)。1987年，GB公司請(qǐng)他為公司一套新的污水厭氧處理系統(tǒng)的硫循環(huán)做技術(shù)指導(dǎo)。這套系統(tǒng)本來(lái)是要用來(lái)解決工廠產(chǎn)生的臭氣問(wèn)題的。

　　但在此期間，GB公司的運(yùn)行人員卻發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中一個(gè)奇怪現(xiàn)象——中試運(yùn)行數(shù)月后，反硝化反應(yīng)池的氨氮濃度下降了，硝酸鹽也減少了，還有明顯的氮?dú)猱a(chǎn)出。“書(shū)里不是說(shuō)氨氮只能在好氧條件才會(huì)轉(zhuǎn)化嗎?反硝化池的氨氮濃度應(yīng)該保持不變才對(duì)啊?”時(shí)任GB公司研究員的Arnold Mulder對(duì)此十分不解。他通過(guò)領(lǐng)導(dǎo)找到了 Kuenen教授進(jìn)行咨詢。

　　圖：1984年的Gist Brocades 青霉素制藥廠

　　Mulder先生的發(fā)現(xiàn)喚起了Kuenen教授塵封了10年的記憶，他告訴Mulder：“我10年前就看過(guò)一篇paper報(bào)道過(guò)這個(gè)現(xiàn)象。” Kuenen教授指的是1977年67歲的奧地利理論化學(xué)家Engelbert Broda寫(xiě)的題為《Two kinds of lithotrophs missing in Nature》(德語(yǔ)原題《Zeitschrift für allgemeine Mikrobiologie》)的文章。此文在當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)圈可謂一聲驚雷。當(dāng)時(shí)37歲的Kuenen也拜讀了這篇文章，并和同事們展開(kāi)討論，但他們大都認(rèn)為氨是不可能在厭氧條件下被氧化的。

　　兩人開(kāi)始了進(jìn)一步的研究。很有商業(yè)意識(shí)的Arnold很快給這個(gè)潛在工藝起了一個(gè)朗朗上口的名字——ANAMMOX(厭氧氨氧化)。然而，他們初期的嘗試并不算成功：他無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的培養(yǎng)富集法提取出這個(gè)反應(yīng)發(fā)生的微生物，因此無(wú)法確定這是一個(gè)自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，還是一個(gè)生物反應(yīng)。

　　Kuenen此時(shí)又想起了奧地利人Broda的文章里列出的兩條熱力學(xué)方程式：

　　Kuenen教授提議用15-N同位素示蹤技術(shù)來(lái)確認(rèn)氮?dú)馐欠駚?lái)自氨氮，并將此重任交給了他的一位女碩士生——Astrid van de Graaf。Astrid在實(shí)驗(yàn)室用流化床反應(yīng)器做實(shí)驗(yàn)，成功發(fā)現(xiàn)了14,15-N2。這個(gè)發(fā)現(xiàn)固然讓人激動(dòng)萬(wàn)分，但他們還需要更多的證據(jù)來(lái)充分印證這個(gè)反應(yīng)的生物屬性。

　　幸運(yùn)的是，Kuenen教授向荷蘭技術(shù)基金會(huì)(STW)申請(qǐng)到資金為Astrid專門(mén)開(kāi)設(shè)一個(gè)博士項(xiàng)目，確保后者可以安心將研究進(jìn)行下去。

　　在證明生物反應(yīng)的存在后，Astrid接下來(lái)要繼續(xù)用15-N示蹤標(biāo)記法識(shí)別各種中間物和最終產(chǎn)物，并嘗試富集反應(yīng)的微生物。這項(xiàng)工作的挑戰(zhàn)巨大，別的不說(shuō)，單考慮到Anammox菌超慢的生長(zhǎng)速率(約0.001-0.002/h)，Astrid的工作量就可想而知。她的勇氣也值得欽佩。幸好皇天不負(fù)有心人，在一次偶然的嘗試中，他們發(fā)現(xiàn)anammox反應(yīng)的基質(zhì)是亞硝酸鹽，而不是硝酸鹽，而且部分亞硝酸鹽會(huì)轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮用于固定二氧化碳。

　　第一個(gè)20年

　　Kuenen教授在1980年入職TU Delft后的20年可以算是厭氧氨氧化的第一個(gè)20年。這個(gè)階段以驗(yàn)證anammox為焦點(diǎn)，在熱力學(xué)方程式為指導(dǎo)，最終通過(guò)富集培養(yǎng)、流化床反應(yīng)器、同位素示蹤標(biāo)記等手段證明了anammox的存在，并描繪了基本的代謝路徑。

　　Astrid在完成她的博士學(xué)位后，并沒(méi)有選擇繼續(xù)anammox的研究，1994年，在Delft當(dāng)了6年研究員之后，她選擇到荷蘭科學(xué)中心NEMO做科普內(nèi)容方面的工作。Kuenen教授將下一個(gè)挑戰(zhàn)交給了Marc Strous博士，讓他對(duì)anammox菌進(jìn)行富集提純。利用SBR反應(yīng)器，Marc成功地可重復(fù)地培養(yǎng)高產(chǎn)量的anammox菌，純度提高至70%。

　　有了高純度的微生物，Kuenen教授的團(tuán)隊(duì)可以做更多分析了。他找到澳洲昆士蘭大學(xué)的分子生物學(xué)教授John Fuerst幫忙確認(rèn)目標(biāo)微生物。借助電子顯微鏡的近距離觀察，他們發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞有一個(gè)奇怪的、靠膜隔開(kāi)的內(nèi)室。這可是一個(gè)大驚喜!要知道，只有更復(fù)雜(真核)細(xì)胞才有這種隔室，就像人類(lèi)細(xì)胞擁有的細(xì)胞器(organelles)。

　　他們將這個(gè)東西取名厭氧氨氧化體(anammoxosome)。這些細(xì)胞器負(fù)責(zé)執(zhí)行特定的生物學(xué)功能，對(duì)細(xì)胞組分、代謝過(guò)程和信號(hào)傳導(dǎo)途徑起時(shí)空控制作用。簡(jiǎn)單的原核細(xì)胞和細(xì)菌都沒(méi)有細(xì)胞器。目前科學(xué)家只知道浮霉菌(Planctomycetes)具有這種結(jié)構(gòu)，因此研究團(tuán)隊(duì)推斷anammox菌屬于該門(mén)。

　　圖：anammox細(xì)胞的透射電子顯微鏡照片和截面手繪圖(比例尺0.2μm)

　　話說(shuō)浮霉菌非常奇特，因?yàn)樗�同時(shí)含有細(xì)菌、真菌和古菌三大菌屬的特性，因此有些人認(rèn)為該菌在早期可能跟三大菌屬是同一個(gè)祖先。只是DNA的研究將它們歸在了細(xì)菌屬一類(lèi)。可以說(shuō)，浮霉菌的出現(xiàn)模糊了細(xì)菌的定義。

　　在此之前，沒(méi)有人將浮霉菌門(mén)跟厭氧氨氧化拉上關(guān)系，但Kuenen教授的團(tuán)隊(duì)用氨氮和亞硝態(tài)氮培養(yǎng)出了這種細(xì)胞，底物也隨反應(yīng)過(guò)程消失。這也從側(cè)面說(shuō)明anammox菌的特別之處。

　　這個(gè)說(shuō)個(gè)題外話：他們將這個(gè)第一次測(cè)序分析的anammox菌取名Candidatus Brocadia anammoxidans：anammoxidans表示其獨(dú)特的生化特性，Brocadia既表示了這些細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)地(Brocades)，另外也因?yàn)檫@些鮮紅色的細(xì)菌讓研究者聯(lián)想到明艷的織錦。

　　第二個(gè)20年

　　“21世紀(jì)是生物的世紀(jì)。”這句話雖然更多被拿來(lái)揶揄，但在我們看來(lái)，到本世紀(jì)再來(lái)看，它所表達(dá)的可能就變成真知了。就以anammox為例，在2000-2020年之間，關(guān)于它的許多新發(fā)現(xiàn)都有賴于生物技術(shù)的進(jìn)步。

　　16S rRNA基因測(cè)序的普及幫助科學(xué)家對(duì)更多的anammox菌進(jìn)行命名。例如Mike Jetten和Michael Wagner就說(shuō)服法國(guó)基因測(cè)序中心Genoscope幫Kuenen團(tuán)隊(duì)在一個(gè)流化床反應(yīng)器的富集物進(jìn)行DNA，并找出了新的菌種，并以Kuenen的姓命名(Candidatus Kuenenia stuttgartiensis)。測(cè)序結(jié)果也顯示基因組相當(dāng)大(4.27 Mb)，還含有大量細(xì)胞色素基因，這也解釋了anammox菌呈紅色的原因。

　　這也開(kāi)啟了anammox菌的宏基因組分析時(shí)代。隨著DNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，Kuenenia菌的基因組通過(guò)Mike Jetten教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)得到進(jìn)一步完善。Jetten團(tuán)隊(duì)開(kāi)展大量的生物化學(xué)和酶學(xué)研究，在anammox的代謝路徑方面取得了重大突破。例如通過(guò)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)anammoxosome是能量轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所，又例如發(fā)現(xiàn)一氧化氮才是許多anammox菌的反應(yīng)中間物(而不是羥胺)。

　　圖：Jetten團(tuán)隊(duì)總結(jié)的anammoxosome的能量代謝流程圖

　　可以說(shuō)，21世紀(jì)以來(lái)，厭氧氨氧化研究已經(jīng)遍及各個(gè)方面，從基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、環(huán)境和生態(tài)微生物學(xué)。值得一提的是，雖然實(shí)驗(yàn)和分析手段在過(guò)去20多年有了很大改進(jìn)，不過(guò)時(shí)至今日，科學(xué)家依然無(wú)法得到純種的anammox細(xì)菌，這也是為什么這些菌目前都以Candidatus命名。Kuenen表示希望他的學(xué)生以及學(xué)生的學(xué)生們可以早日得到單菌株，這樣就可以摘掉Candidatus的前綴。

　　沒(méi)有終點(diǎn)的探索

　　之前我們提到Mulder先生早在上世紀(jì)80年代末就為Anammox工藝注冊(cè)了專利。但因?yàn)閍nammox菌超慢的生長(zhǎng)速率，那個(gè)年代的人對(duì)anammox技術(shù)的前景并不看好，壓根沒(méi)有公司感興趣!唯獨(dú)Mark van Loosdrecht教授叫他的學(xué)生Udo van Dongen試著去搭一個(gè)兩段式的反應(yīng)系統(tǒng)，第一段將部分氨氮氧化成亞硝態(tài)氮，第二段是厭氧氨氧化流化床。實(shí)驗(yàn)結(jié)果成功打動(dòng)了鹿特丹的Dokhaven污水廠。后者和TU Delft合作進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)，處理厭氧消化池的高濃度氨氮出水。最后的結(jié)果如今大家都以知道——側(cè)流厭氧氨氧化工藝已經(jīng)成為很成熟的工藝。但可能不為人所知的是，Kuenen教授和Van Loosdrecht教授當(dāng)時(shí)可是通過(guò)2年多的穩(wěn)定運(yùn)行才最終打動(dòng)鹿特丹市所屬的水委會(huì)，為這個(gè)工藝爭(zhēng)取到了工程驗(yàn)證的機(jī)會(huì)。

　　Kuenen教授在這篇12頁(yè)的綜述里，將學(xué)術(shù)界和工程界在1977到2020年里對(duì)厭氧氨氧化認(rèn)知的變化都寫(xiě)了一遍。這是一個(gè)關(guān)于時(shí)間和耐心的故事。43年，說(shuō)長(zhǎng)不長(zhǎng)，說(shuō)短不短。但對(duì)于1972年博士畢業(yè)、2005年退休的Gijs Kuenen教授來(lái)說(shuō)，厭氧氨氧化幾乎貫穿了他的科研生涯。雖然硫氧化菌才是Kuenen教授的摯愛(ài)，但最后讓他流芳百世的卻是厭氧氨氧化菌(anammox第二個(gè)屬Kuenenia就以他命名)。

　　Kuenen教授在文章最后說(shuō)道：“對(duì)作者而言，這個(gè)故事就到此為止了。但欣慰的是，微生物學(xué)的奇妙旅程仍將繼續(xù)。”這是一個(gè)沒(méi)有終點(diǎn)的探索。相信在下一個(gè)20年，厭氧氨氧化的研究還有很多驚喜值得期待。

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