" Кандидатус Скалидуа" | |
---|---|
Научная классификация | |
Домен: | Бактерии |
Тип: | Планктомицеты |
Сорт: | Планктомицеты |
Заказ: | Планктомицеты |
Семья: | Брокадийные |
Род: | " Калидуа " Шмид и др. 2003 |
Разновидность | |
См. текст |
" Candidatus Scalindua" - род бактерий , и предполагаемый член порядка Planctomycetales . [1] Эти бактерии лишены пептидогликана в клеточной стенке и имеют компартментализированную цитоплазму . Это бактерии, окисляющие аммоний , встречающиеся в морской среде.
" Candidatus Scalindua " - род бактерий , член порядка Planctomycetales . Эти бактерии лишены пептидогликана в клеточной стенке и имеют компартментализированную цитоплазму . [1] " Candidatus Scalindua" spp. можно далее разделить на три вида: Scalindua brodae, Scalindua wagneri и Scalindua sorokinii. Это бактерии, окисляющие аммоний , встречающиеся в морской среде. Род " Ca. Scalindua" является наиболее распространенной анаммокс- бактерией в морской среде, поэтому они жизненно важны для азотного цикла Земли. [1]
Представители предлагаемого рода Scalindua являются анаэробными анаммокс - бактериями (окисляющими аммоний). [2] Реакция окисления аммония составляет значительную часть глобального цикла азота ; по некоторым оценкам, она является причиной до 50% общего оборота азота в морской среде. [3] Она состоит из окисления аммония с использованием нитрита в качестве акцептора электронов (оба являются фиксированным азотом) и последующего образования газообразного азота:
«NH 4 + + NO 2 − = N 2 + 2H 2 O (ΔG° = -357 кДж моль-1)» [4]
Эта реакция использует нитрит (NO 2 − ) в качестве конечного акцептора электронов для получения оксида азота (NO), который затем соединяется с аммонием (NH 4 + ) для получения промежуточного гидразина (N 2 H 4 ) и воды (H 2 O). Гидразин , очень реактивная молекула, также используемая для ракетного топлива, затем окисляется до газообразного азота (N 2 ). [5] Полуреакции можно представить как:
«NO 2 − + 2H + + e − = NO + H 2 O (E° = +0,38В)
NO + NH4 + + 2H + + 3e − = N2H4 + H2O ( E ° = + 0,06В )
N 2 H 4 = N 2 + 4H + + 4e − (E° = -0,75В)» [4]
Этот метаболический путь происходит анаэробно, что когда-то считалось невозможным, поскольку аммоний считался инертным в отсутствие кислорода. [6] Фактически, присутствие кислорода более 2 мкМ ингибирует путь анаммокса, поэтому представители предполагаемого рода Scalindua дышат анаэробно. [4]
Эти реакции происходят в большой связанной с мембраной клеточной органелле, называемой анаммоксосомой, которая содержит цепь переноса электронов и АТФазу, которая перекачивает протоны обратно в цитоплазму из просвета анаммоксосомы. Она функционирует во многом как митохондрия в эукариотических клетках. Мембрана анаммоксосомы инвагинирована (сложена сама на себя), чтобы увеличить площадь поверхности. [7] Существование связанных с мембраной клеточных органелл очень необычно для прокариот и, по-видимому, ограничивается членами типа Planctomycetota . [3]
Бактерии анаммокс, включая те, что принадлежат к Ca. Scalindua, фиксируют углерод, используя углекислый газ в качестве источника углерода. Метагеномный анализ выявил наличие генов, ответственных за « восстановительный путь ацетил-КоА» (также известный как путь Вуда-Люнгдаля ), который позволяет создавать молекулу-предшественника ацетил-КоА из углекислого газа. [8] [9]
Известно, что аммоний и метан относительно трудно активировать с помощью реакций, катализируемых ферментами, которые используют высокопотенциальные кислородные радикалы , которые недоступны для анаэробной жизни, что приводит к предположению, что оба соединения были эффективно неактивны в средах с низким содержанием кислорода. [6] На протяжении 1970-х и 80-х годов результаты нескольких независимых исследований, изучающих взаимосвязи между концентрациями метана и сульфата в морских отложениях, обнаружили признаки того, что анаэробное окисление метана на самом деле было широко распространенным явлением. [6] Лишь в 1999 году существование анаэробного окисления аммония было впервые обнаружено на станции очистки сточных вод в Нидерландах и получило название « анаммокс », который позже оказался ключевым игроком в рамках морского азотного цикла . [6] [10] [11] Некоторые известные анаммокс-бактерии включают Candidatus Scalindua, Kuenenia, Brocadia , Jettenia и Anammoxoglobus. [12] Из этих бактерий только Candidatus Scalindua spp. можно обнаружить в морских экосистемах. [12]
В прошлом многие микроорганизмы, такие как анаммокс-бактерии, могли ускользнуть от обнаружения из-за их относительно низких скоростей роста, требующих очень эффективного удержания биомассы, отсутствующего в классических методах культивирования. [13] С использованием биопленок для улучшения культивируемости организмов, которые естественным образом встречаются в биопленках, в сочетании с использованием удержания биомассы для изучения медленно растущих микроорганизмов в условиях ограничения субстрата, была разработана методика с использованием реакторов периодического действия для секвенирования (SBR) для долгосрочного обогащения, культивирования и количественного анализа очень медленно растущего микробного сообщества. [13] Филогенетический анализ первых обнаруженных анаммокс-бактерий пришел к выводу, что организмы глубоко разветвляются в типе Planctomycetota , который ранее считался имеющим ограниченное экологическое значение. [10] Потери азота, которые можно было объяснить только процессом анаммокс, продолжали обнаруживаться на очистных сооружениях пресноводных сточных вод по всему миру, включая Северную Америку, Азию и несколько регионов по всей Европе. [14] Роль бактерий, принадлежащих к Ca. Scalindua в морском азотном цикле, как было обнаружено, играет важную роль в восстановлении нитрата до атмосферного азота в бескислородных регионах океана. [11] Поскольку первичная продуктивность в океане часто ограничивается доступностью азота, удаление пригодного для использования азота в отложениях через анаммокс Ca. Scalindua может существенно повлиять на биогеохимические циклы в бескислородных водах . [11] В некоторых регионах, таких как залив Гольфо-Дульсе в Коста-Рике, до 35% производства атмосферного азота в водной толще можно отнести к Ca. Scalindua spp. [11] В других регионах, таких как Черное море , крупнейший в мире бескислородный бассейн, характеризующийся большим градиентом концентраций аммония (высокие уровни в глубокой воде, сходящиеся только до следовых количеств в субоксической зоне), было установлено, что кажущееся поглощение аммония в субоксической зоне является результатом анаэробного окисления бактериями, принадлежащими к Ca. Scalindua spp. [15]
Организмы в пределах рода « Candidatus Scalindua» классифицируются как грамотрицательные хемолитоавтотрофные бактерии. [16] Это означает, что их углерод и энергия в основном поступают из неорганических источников. Кроме того, бактерии в пределах рода Ca . Scalindua являются облигатными анаэробами, поэтому они не могут жить в богатой кислородом среде. [16] [1]
Как и у всех других организмов порядка Planctomycetota , клеточная стенка не содержит пептидогликана . [1] [17] Клетки имеют сферическую форму, диаметр примерно один микрометр, и содержат компартментализованную цитоплазму. [1] Кроме того, организмы Ca. Scalindua имеют две внутренние мембраны вместо одной внутренней и одной внешней мембраны, окружающих клеточную стенку. [18] Клетки Ca. Scalindua wagenri ориентированы в компактные кластеры, тогда как клетки Ca. Scalindua brodae упакованы более рыхло. [1] Все клетки Ca. Scalindua spp. содержат уникальные органеллы, называемые анаммоксосомами, которые связаны с мембраной внутри цитоплазмы. [1] [19] Анаммоксосомы — это место, где происходит анаэробный процесс окисления аммония. Мембрана, окружающая анаммоксосомы в анаммокс- бактериях, содержит уникальные липиды, называемые « ладдерановыми » липидами, которые содержат ряд циклобутановых кольцевых структур. [19] Однако все остальные мембраны в анаммокс- бактериях похожи на организмы порядка Planctomycetales .
Согласно Страусу и др., способность к анаммокс -реакции является результатом единичного эволюционного события. Все анаммокс- бактерии являются потомками одного и того же древнего вида Planctomycetota , который первым развил реакцию анаммокс . [6] Представители предлагаемого рода Ca. Scalindua являются наиболее распространенными из всех родов анаммокс-бактерий, описанных до сих пор. [1]
В настоящее время считается, что все анаммокс- бактерии являются членами порядка Brocadiales. [20]
Представители Candidatus Scalindua являются близкими генетическими родственниками других анаммокс- бактерий отряда Planctomycetales , таких как Candidatus Brocadia и Candidatus Kuenenia. [1] Тем не менее, члены Ca. Scalindua сильно отличаются от других предполагаемых родов анаммокс- бактерий с точки зрения последовательностей 16S рибосомальной РНК . [1] Например, Candidatus Scalindua и Candidatus Brocadia имеют только 85% сходства в последовательностях 16S рРНК. [1] « Candidatus Scalindua» можно разделить на следующие три вида: « Ca. Scalindua brodae», « Ca. Scalindua wagneri» и « Ca. Scalindua sorokinii». [1] [21] Клетки, принадлежащие Ca. Scalindua spp. являются наиболее распространенными представителями бактерий Anammox , известными на сегодняшний день, что делает их очень важными в водной среде мира.
Принятая в настоящее время таксономия основана на Списке названий прокариот, имеющих постоянное место в номенклатуре (LPSN) [22] и Национальном центре биотехнологической информации (NCBI) [23].
120 маркерных белков на основе GTDB 08-RS214 [24] [25] [26] | |||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Определенные виды:
Candidatus Scalindua sp. — единственная таксономическая группа бактерий, окисляющих аммоний, обнаруженная в Черном море, зоне минимального содержания кислорода в Бенгеле у побережья Намибии и эстуарии фьорда Раннерс, Дания. [27] В глобальном масштабе представители Candidatus Scalindua spp. были обнаружены во всех изученных морских средах; большинство других морских бактерий не так широко распространены. [27] [12]
Идеальные условия окружающей среды с точки зрения температуры, pH и солености для « Candidatus Scalindua sp.» следующие: от 10 до 30 °C, от 6,0 до 8,5 pH и от 0,8% до 4,0% солености. Никакой аммонийной окисляющей активности не наблюдалось, когда соленость была 0%. [28]
Морские отложения, расположенные в глубоководных метановых просачиваниях, содержат анаммокс -бактерии, связанные с Candidatus Scalindua spp.; эти бактерии, вероятно, играют существенную роль в азотном цикле в отложениях. [29]
Два типа анаммокс- бактерий, принадлежащих Ca. Scalindua (59% обилия) и Ca. Kuenenia (41% обилия), были обнаружены в неризосферной области солончаковой травы Spartina alterniflora , в то время как в ризосфере присутствовал только Ca. Scalindua . Более того, его было в 1,5 раза больше, чем других анаммокс- бактерий в неризосферных отложениях . [30] Смена сезонов не влияет на состав анаммокс -способных бактериальных сообществ в отложениях внутри и вокруг ризосферы ; однако, в ризосфере всегда было больше анаммокс- бактерий, которые достигали пика обилия в июле и октябре, когда температуры самые высокие. [30] В более теплые периоды года оба сообщества анаммокс -бактерий внутри и снаружи ризосферы более активны и производят больше N 2 , при этом бактерии в ризосфере производят почти в два раза больше N 2 . [30]
Бактерии, относящиеся к « Ca. Scalindua wagneri », часто используются на очистных сооружениях для снижения неблагоприятного воздействия нитрификации и денитрификации на местную окружающую среду. [31] Использование анаммокс-бактерий на очистных сооружениях имеет значительно меньшую стоимость по сравнению с предыдущими методами денитрификации . Кроме того, это гораздо более экологичный метод. [8]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )