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導讀
氮是所有生物的重要組成部分，也是限制我們星球上所有生命體的主要營(yíng)養成分。目前為止，可自由獲得氮的最大庫存是大氣中的氮氣，但是大部分生物是依賴(lài)生物可利用的氮形式來(lái)生長(cháng)，比如銨鹽和硝酸鹽。而這些基質(zhì)的可利用性是依賴(lài)于不同的氮轉化反應，這些氮轉化反應是由具有多種多樣新陳代謝功能的微生物構成的復雜網(wǎng)絡(luò )而實(shí)現的。本綜述在目前獲得的新研究和新發(fā)現的背景下，對當前由微生物引起的氮轉化過(guò)程進(jìn)行描述，包括這些微生物構成的氮轉化反應，參與氮轉化的微生物以及它們的生理和環(huán)境功能，也對那些并未發(fā)現但可能會(huì )發(fā)生的反應進(jìn)行了描述。此外，我們對由氮轉化微生物之間的相互作用而構成的復雜網(wǎng)絡(luò )和其對全球生物化學(xué)氮循環(huán)的影響進(jìn)行了討論。
原名：The microbial nitrogen-cycling network
譯名：微生物構成的氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò )
期刊：Nature Reviews Microbiology
IF：26.819
發(fā)表時(shí)間：2018年
通訊作者：Marcel M. M. Kuypers
作者單位：馬克斯普朗克海洋微生物研究所
1.綜述研究背景、研究目的、研究?jì)热莞攀?/span>
氮是所有生物體不可缺少的組成元素，也是合成蛋白質(zhì)和核酸等關(guān)鍵細胞化合物的必要物質(zhì)。大氣中的氮氣是可自由獲得氮的最大庫存，從生物學(xué)上來(lái)講，它具有高度多樣的可利用性，然而能夠固氮的細菌和古生物菌是很少的。而其他生物體卻必須依靠如銨鹽和硝酸鹽這種性質(zhì)活潑的氮形式來(lái)提供生長(cháng)，可這些生物可利用的氮在許多環(huán)境中是罕見(jiàn)的。這些限制性營(yíng)養鹽的可獲得性主要是通過(guò)由微生物參與的能夠改變氮氧化狀態(tài)的反應來(lái)控制的。
由于工業(yè)氮肥的高投入量，導致人類(lèi)活動(dòng)對生物可利用氮的數量產(chǎn)生了極大的影響，人類(lèi)生產(chǎn)的50%的食物需要依靠工業(yè)氮肥，這種氮肥的使用和豆科植物的種植幾乎使向陸地和海洋生態(tài)系統中的氮輸入量增加了一倍。因此為了預測這種氮輸入的后果，我們迫切地需要了解由微生物構成的氮轉化的基本機制。
由微生物形成的氮轉化的過(guò)程通常被描述為由六個(gè)有序進(jìn)行的不同反應過(guò)程組成的一個(gè)循環(huán)。這種觀(guān)點(diǎn)認為一個(gè)氮氣分子體首先通過(guò)固氮作用變成氨氣，氨氣經(jīng)過(guò)同化吸收作用而轉變成生物有機氮，有機氮再經(jīng)過(guò)氨化作用轉變成銨鹽，而銨鹽再通過(guò)硝化作用被氧化成硝酸鹽（NH4+→NO2-→NO3-），最終再經(jīng)反硝化作用被還原為一個(gè)氮氣分子（NO3-→NO2-→NO →N2O→N2）或者經(jīng)厭氧氨氧化作用被還原為一個(gè)氮氣分子（NO2- + NH4+ → N2）。事實(shí)上，在氮循環(huán)過(guò)程并未達到上述所描述的一個(gè)平衡狀態(tài)，反而是與這六個(gè)過(guò)程中截然不同的氮通量的大小有關(guān)。
過(guò)去十年來(lái)收集的基因數據揭示了參與氮轉化的微生物實(shí)際上存在巨大的多種多樣的新陳代謝功能?，F在我們知道很多微生物可以同時(shí)發(fā)生固氮和脫氮作用。因此，由于它們代謝的多樣性，幾乎不可能再根據氮轉化過(guò)程中經(jīng)典的六個(gè)過(guò)程來(lái)劃分這些微生物。故在本文中，我們將使用過(guò)程的名字，比如反硝化作用和硝化作用，而避免對微生物進(jìn)行相應的分類(lèi)。
根據我們目前的理解，微生物可通過(guò)14個(gè)離散型的氧化還原反應改變從-3價(jià)態(tài)到+5價(jià)態(tài)的含氮化合物（圖1），不過(guò)這里不包括有機氮和氨氣之間的相互轉化作用。氮轉化有關(guān)的酶經(jīng)常在不同的微生物中被發(fā)現，而且這里包括的很多酶還是最近才被鑒定出來(lái)的。在過(guò)去的十年里，有四種新的反應被研究學(xué)者發(fā)現，它們分別是：羥胺氧化為一氧化氮的反應（圖1，反應7）；一氧化氮通過(guò)歧化作用轉變成氮氣和氧氣的反應（圖1，反應9）；聯(lián)氨的合成反應（圖1，反應13）；聯(lián)氨氧化成氮氣的反應（圖1，反應12）。另外，許多新的代謝能力也被發(fā)現，比如光氧亞硝酸鹽氧化和生成硝酸鹽的完全氨氧化。許多新型的微生物也被鑒定出來(lái)，比如氨氧化古生菌，反硝化真核生物有孔蟲(chóng)和共生異養的固氮藍藻。
本文中，我們在這些新發(fā)現的背景下，對目前由微生物引起的氮轉化過(guò)程進(jìn)行理解，并對這些微生物構成的氮轉化反應，參與氮轉化的微生物以及它們的生理和環(huán)境功能進(jìn)行描述，也對那些并未發(fā)現但可能會(huì )發(fā)生的反應進(jìn)行了描述。此外，我們對由氮轉化微生物之間的相互作用而構成的復雜網(wǎng)絡(luò )和其對全球生物化學(xué)氮循環(huán)的影響進(jìn)行了討論。
2..氮全球生化循環(huán)圈：全球的氮庫存、氮轉化過(guò)程、氮通量
如圖1所示，圖中灰色方塊表示氮儲存量，束縛在巖石和沉積物中的最大氮存量是氨（1.8×1010 Tg氮 ），雖然這種束縛氨經(jīng)侵蝕后可被生物利用，但是它在整個(gè)氮循環(huán)生化圈中起的作用是很小的，而陸地中可自由獲得的氨的儲存量是未知的，海洋中的氨的氮儲存量被估計為340-3600Tg；全球中可自由獲得氮的儲存庫是大氣中的氮氣（約為3.9×109Tg氮）,緊接著(zhù)是有機氮、硝酸鹽、一氧化二氮中氮的儲存量；而全球的亞硝酸鹽和一氧化氮中的氮儲存量可以忽略不計。
在這些氮儲存庫中形成的全球生化的氮循環(huán)主要是因為以下六個(gè)不同的氮轉化過(guò)程：同化作用（Assimilation）、氨化作用（ammonification）、硝化作用（nitrification）、反硝化作用（denitrification）、厭氧氨氧化作用(anammox) 和固氮作用（nitrogen fixation）。我們從可查文獻中估計了這些過(guò)程中的年度氮通量，并作出了如圖1所示的簡(jiǎn)單的假設，在本圖中，我們用每年所含Tg氮來(lái)表示在這些主要含氮的物質(zhì)之間的氮通量，其中綠色、藍色和紅色方塊分別代表每年的陸地氮通量、每年的海洋氮通量以及每年人為制造的氮通量。其中最明確的氮通量包括氮的流失和固定，因為它們是重點(diǎn)研究的對象。如圖1所示，雖然這些氮通量相對較小，但它卻可以調控這些生物可利用氮的可用性，而這些生物可利用氮在很大程度上可以通過(guò)生物碳泵來(lái)控制大氣中二氧化碳的去除。據目前估計，生物固氮量（300Tg氮/年）和人工固氮量（125Tg/年）的總和已經(jīng)超過(guò)了通過(guò)厭氧氨氧化和反硝化作用產(chǎn)生的氮氣的量（350Tg氮/年）。并不是所有的經(jīng)一氧化氮還原產(chǎn)生的一氧化二氮都可以進(jìn)一步的被還原為氮氣，而每年從海洋和陸地環(huán)境中釋放的一氧化二氮的氮通量分別為4Tg和12Tg，雖然與其他氮形式的通量相比，一氧化二氮的氮通量相對較小，但是它對環(huán)境影響卻很大，因為一氧化二氮是破壞臭氧層的主要氣體，而且它還是一個(gè)強大的溫室氣體。
如圖1所示，在這些不同的氮轉化過(guò)程中有著(zhù)截然不同的氮通量，它們并沒(méi)有達成一個(gè)平衡的氮循環(huán)，這和論文及教材中經(jīng)常描述的一樣，而最大的氮通量跟氨氣和有機氮的相互轉化有關(guān)。僅在海洋環(huán)境中，每年與氨化作用和氨同化作用有關(guān)的氮通量（8800Tg氮/年）比海洋中氮的流失和獲得的總和氮通量（約400Tg氮/年）高出了一個(gè)數量級。另一個(gè)巨大的氮通量（約2000Tg氮/年）跟硝化作用（NH4+→NO2-→NO3-）有關(guān)，這也正好可以解釋為什么在海洋中氨鹽的濃度雖然不高，但是海洋氨氧化古生菌卻是最豐富的微生物之一。與硝酸鹽同化有關(guān)的氮通量和硝化作用的氮通量是一個(gè)數量級的，即海洋浮游植物每年可減少約2000Tg的硝酸鹽氮。而之相比，異化硝酸鹽還原為氨的氮通量可能會(huì )比較小。雖然目前還沒(méi)有可利用的對陸地環(huán)境中氮通量進(jìn)行估計的數據，但是因為陸地植物與海洋植物相比對氮的需求比較低，對于陸地植物來(lái)說(shuō)，平均每固定40個(gè)分子的碳才需要1分子的氮，而對于海洋植物來(lái)說(shuō)，平均每固定6.6個(gè)分子的碳就需要1分子的氮，所以陸地中與同化作用相關(guān)的氮通量大概是海洋中的1/6。所以假設在穩定狀態(tài)下（即氮的獲得和流失相等），我們用海洋中的氮通量除以6來(lái)估計陸地環(huán)境中硝化作用與氨化作用中的氮通量。
3.微生物構成的氮化合物的轉化
如圖2所示微生物攜帶的酶可以執行14個(gè)氧化還原反應，在這些氧化還原反應中主要包括8種不同氧化狀態(tài)下的無(wú)機氮（限制酶的中間產(chǎn)物和它們的氧化還原狀態(tài)沒(méi)有顯示）。氨氣與有機氮的相互轉化不涉及氮原子氧化還原狀態(tài)的改變。其中紅色的表示還原反應，藍色的表示氧化反應，綠色的表示歧化反應和歸中反應。接下來(lái)是執行各種反應的酶：同化硝酸鹽還原酶（NAS、NasA和NirA）；膜結合酶（NAR, narGH）；周質(zhì)（NAP, napA）異化硝酸還原酶；亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR, nxrAB）；一氧化氮氧化酶（NOD, hmp）；含血紅素（cd1-NIR, nirs）和含銅（Cu-NIR, nirk）的亞硝酸還原酶；依賴(lài)紅細胞色素（cNOR, cnorB）、依賴(lài)對苯二酚（qNOR, norZ）和含銅的依賴(lài)對苯二酚（CuANOR）一氧化氮還原酶；依賴(lài)NADH細胞色素P450的一氧化氮還原酶（P450NOR, p450nor）；黃銅-二鐵一氧化氮還原酶（NORvw, norVW）；混合集群蛋白質(zhì)酶（HCP, hcp）；羥胺氧化還原酶（HAO, hao）；羥胺氧化酶（HOX, hox）；一氧化二氮還原酶（NOS, nosZ）；一氧化氮歧化酶（NO-D, norZ）；同化亞硝酸鹽還原酶（cNIR, nasB和nirB）；周質(zhì)異化細胞色素C亞硝酸鹽還原酶（ccNIR, nrfAH）；ε -羥胺氧化還原酶（εHAO, haoA）；八面體血紅素亞硝酸鹽還原酶（ONR）；八面體血紅素連四硫酸鹽還原酶（OTR）；鉬-鐵（MoFe, nifHDK）、鐵-鐵（FeFe, anfHGDK）和釩-鐵（VFe, vnfHGDK）固氮酶；聯(lián)氨脫氫酶（HDH, hdh）；聯(lián)氨合成酶（HZS, hzsCBA）；氨單加氧酶（AMO, amoCAB）；微粒甲烷單加氧酶（pMMO, pmoCAB）；氰酸酯酶（CYN, cynS）;尿素酶（URE, ureABC）。
4.固氮作用
大氣中的氮氣是可以自由獲得氮的最大庫存，但從生物學(xué)上講，只有微生物攜帶的金屬固氮酶可以將氮氣固定為氨氣。固氮酶普遍分布在細菌和古生菌中，這使它們在生物可利用氮被消耗的環(huán)境中有一個(gè)非常有利的競爭優(yōu)勢?？偣灿腥N類(lèi)型的固氮酶：鉬-鐵（MoFe）、鐵-鐵（FeFe）和釩-鐵（VFe）固氮酶，它們有相似的序列、結構和功能特性，但它們的金屬系數不同，而所有的固氮酶都是有兩種物質(zhì)組成（圖3a）。anfDGK, vnfDGK 或 nifDK 分別在活動(dòng)中心編碼含鐵、釩或者鉬的固氮酶的催化成分，另外，anfH、vnfH 或 nifH 編碼含鐵的電子轉運蛋白（又稱(chēng)固氮還原酶或鐵蛋白）。NifH 是用來(lái)檢測環(huán)境中有固氮作用微生物的標記基因。土壤固氮細菌vinelandii 可以編碼這三種類(lèi)型的固氮菌，然而其它微生物，比如海洋固氮菌 Trichodesmium spp .只含有鉬鐵固氮酶。釩是很少被限制的，但鉬和鐵分別在陸地和海洋環(huán)境中是罕見(jiàn)的，因此鉬和鐵可以分別在相應的生態(tài)系統中限制固氮作用。
在固氮作用中，一個(gè)電子載體比如鐵氧化還原蛋白會(huì )首先會(huì )減少鐵蛋白，隨后會(huì )減少催化劑組分，這需要鐵和催化蛋白的分離和再結合。每固定一分子的氮分子，需要消耗16分子的ATP。額外的生物能量損耗是由于強大的還原劑如鐵氧化還原酶的生產(chǎn)和不穩定含氧固氮酶的保護。由于氧氣的暴露會(huì )使固氮酶失效，故含氧的光能利用菌，比如Trichodesmium spp.、Crocosphaera watsonii 和Nodularia spp. 會(huì )使固氮作用和光合作用從空間上（比如在專(zhuān)門(mén)的固氮異形細胞里）或者時(shí)間上分離。而非光和作用的生物體生活在含氧環(huán)境中則需要一些機制從氧氣中保護它們的固氮酶，比如增加氧氣呼吸、超氧化物歧化酶的解毒作用和固氮酶的構象等機制。而關(guān)于存在能夠用一個(gè)不尋常的固氮酶去進(jìn)行一個(gè)完全不同的、對氧氣不敏感的固氮途徑的觀(guān)點(diǎn)也在最近被反駁了。
雖然現在用于固氮作用的真核生物還沒(méi)有被發(fā)現，但是許多有固氮作用的微生物都可以和真核生物共生。例如單核藍藻菌UCYN-A是固氮微生物中最普遍的一種，它與小型的單核海藻共生，并在海洋固氮作用中起著(zhù)重要的作用。共生固氮微生物也是動(dòng)物腸道菌群的一部分，比如在白蟻類(lèi)和雙殼類(lèi)中發(fā)現的一些特殊細菌。此外，根瘤菌目的一些固氮成員生活在豆科農作物的根瘤關(guān)節處，像苜蓿、黃豆、豌豆和大豆等植物，這些農作物提供了全球20%的食物蛋白。
5.羥胺氧化成一氧化氮以及進(jìn)一步氧化成亞硝酸鹽
氨氣向羥胺的有氧氧化是一個(gè)吸熱反應，因此，所有的氨氧化劑可以使羥胺氧化從而保存能量。而需氧氨氧化細菌用八面體血紅素羥胺氧化還原酶（HAO）可以將羥胺氧化成亞硝酸鹽。但最近研究表明，HAO將羥胺氧化的結果不是亞硝酸鹽，而是一氧化氮，然后一氧化氮在一種未知的酶作用下才會(huì )被進(jìn)一步氧化成亞硝酸鹽。盡管目前這種未知的催化酶還沒(méi)有被最終確定下來(lái)，但是含銅的亞硝酸還原酶（Cu-NIR, nirk）卻可以在一氧化氮被氧化成亞硝酸鹽的相反方向起到催化作用。所有的氨氧化細菌，包括新發(fā)現的可以一步使氨氣徹底氧化成硝酸鹽的消化螺菌屬細菌，它們都包含氨單加氧酶（AMO）和羥胺還原酶（HAO），相比之下，已知的氨氧化古生菌卻不能編碼羥胺還原酶（HAO），而使羥胺氧化反應發(fā)生的古生菌酶還是未知的。
八面體血紅素羥胺氧化還原酶（HAO）屬于八面體血紅素蛋白家族，在很多微生物中都可以被發(fā)現。厭氧氨氧化細菌的基因可以編碼約十種的類(lèi)似于HAO的蛋白，而其中的一種蛋白也可以使羥胺氧化成一氧化氮。在種厭氧氨氧化細菌中，這種羥胺氧化酶（HOX）可以回收從聯(lián)氨合成酶中泄漏的羥胺。
甲烷氧化細菌也可以產(chǎn)生羥胺，這是由于它們非特異的氨氧化反應。屬于變形菌門(mén)、疣微菌門(mén)和NC10菌門(mén)中的多種多樣的甲烷氧化菌可以編碼類(lèi)似HAO的蛋白，而這種蛋白很有可能使羥胺氧化成一氧化氮，一氧化氮還可以進(jìn)一步被氧化成亞硝酸鹽或者被還原成一氧化二氮。目前，在甲烷氧化細菌中發(fā)生的這種反應是否可以直接有助于能量保存還未可知。
6.亞硝酸鹽向硝酸鹽的氧化
亞硝酸鹽的氧化是產(chǎn)生硝酸鹽的主要生化途徑，而這一過(guò)程可以通過(guò)亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）來(lái)完成。NXR可以被需氧的亞硝酸鹽氧化細菌、不產(chǎn)氧的光能利用菌（比如莢硫菌屬的KS1、紅假單胞菌屬的LQ17）、厭氧氨氧化細菌編碼。而需氧的亞硝酸鹽細菌在亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）的作用下會(huì )直接發(fā)生亞硝酸鹽氧化反應從而來(lái)保存能量，但是厭氧亞硝酸細菌卻不能做到。此外，厭氧氨氧化細菌會(huì )將厭氧亞硝酸氧化反應和碳固定作用結合起來(lái)。
亞硝酸氧化細菌具有豐富多樣的代謝功能，而且還可以在不是亞硝酸鹽的基質(zhì)上生長(cháng)。的確，消化螺菌屬的一些細菌可以將氨氣徹底氧化成硝酸鹽，當消化螺菌屬以硝酸鹽為基質(zhì)進(jìn)行呼吸作用時(shí)，如果在氫氣環(huán)境中生長(cháng)會(huì )進(jìn)行有氧呼吸，而在有機酸環(huán)境中生長(cháng)則進(jìn)行厭氧呼吸。亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）跟細菌和古生菌的硝酸鹽還原酶也相關(guān)，亞硝酸鹽氧化細菌在NXR的催化作用下進(jìn)行硝酸鹽還原反應。
亞硝酸鹽和氨氧化微生物在農業(yè)土壤中可以協(xié)同作用將氨基化肥轉變成硝酸鹽，它們在肥料向河水和地下水中的流失過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵的作用，而化肥的流失會(huì )導致河流、湖泊、海岸水域的水體富營(yíng)養化。與上述同樣的協(xié)同作用在污水處理工廠(chǎng)中也會(huì )被用做去除氮濃度的第一步處理。在海洋環(huán)境中，亞硝酸鹽氧化細菌會(huì )生產(chǎn)硝酸鹽，而硝酸鹽是海洋中最主要的生物可利用氮，同時(shí)亞硝酸鹽氧化細菌也有助于碳的固定。
7.硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的過(guò)程
硝酸鹽被還原成亞硝酸鹽是用來(lái)進(jìn)行呼吸作用的（此過(guò)程又被稱(chēng)為異化硝酸鹽還原反應），同時(shí)也使氮被同化成生物量。硝酸鹽被還原為亞硝酸鹽的反應都可以由來(lái)自三個(gè)領(lǐng)域中的微生物來(lái)完成，而這些微生物都存在于含有硝酸鹽的缺氧環(huán)境中，包括土壤、低氧區、海洋沉積物和人類(lèi)胃腸道中。這些反應可以被膜結合硝酸還原酶（NAR）或者周質(zhì)的硝酸還原酶（NAP）催化，而且許多生物體，包括副球菌屬的反硝化細菌都含有NAR和NAP。NAR在細胞質(zhì)中還原硝酸鹽，并將質(zhì)子釋放到細胞質(zhì)中（圖3c），并通過(guò)質(zhì)子的動(dòng)能量直接有助于節約能量。相比之下，NAP在細胞外周質(zhì)中將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，因此不改變質(zhì)子位置。
異化的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽不僅僅是反硝化作用的第一步。許多微生物，比如廣泛分布在淡水和海洋沉積物中的巨大硫氧化貝日阿托氏菌就是先將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，再進(jìn)一步還原為氨鹽。還有許多微生物，比如海洋進(jìn)化分支SAR11的一些成員只把硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。硝酸鹽的還原對于其它氮循環(huán)過(guò)程來(lái)說(shuō)是亞硝酸鹽的一個(gè)主要的來(lái)源，比如需氧的亞硝酸鹽氧化和厭氧氨氧化作用。異化的硝酸鹽還原反應還可以與有機物、甲烷、硫化物、氫氣或者鐵等電子供體的氧化作用相結合。
硝酸鹽是真核生物的主要氮源，而細菌和古生菌中都含有同化硝酸鹽還原酶（NAS）?？紤]到硝酸鹽支持了至少20%的海洋藻類(lèi)的生長(cháng)，所以在海洋中，硝酸鹽的同化吸收作用很可能已經(jīng)超過(guò)了氮循環(huán)過(guò)程中其它大部分的氧化還原反應。同化硝酸鹽還原酶（NAS）與同化亞硝酸鹽還原酶共同產(chǎn)生了氨氣，而這氨氣也成為了生物量的一部分。因為NAS存在于細胞質(zhì)中，所以硝酸鹽的同化需要用依賴(lài)ATP的轉運蛋白將硝酸鹽轉運到細胞內。由于這種能量的需求，NAS的活性會(huì )在充滿(mǎn)氨的環(huán)境中被抑制（比如肥沃的土壤中）。
細菌和古生菌的同化硝酸鹽還原酶（NAS）、周質(zhì)的硝酸還原酶（NAP）、膜結合硝酸還原酶（NAR）和亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）都屬于二甲亞砜還原酶家族，而真核生物的同化硝酸鹽還原酶屬于亞硫酸鹽氧化酶家族，這就表明硝酸鹽還原酶有多種起源。同化硝酸鹽反應與異化硝酸鹽還原反應的途徑間的差別并不是絕對的，從原理上講，亞硝酸鹽的產(chǎn)生是由于在呼吸鏈上可以進(jìn)一步減少硝酸鹽的還原反應，但與之相反的是，分支桿菌結核病已被證實(shí)可以用NAS復合體來(lái)進(jìn)行硝酸鹽的同化吸收。
8.亞硝酸鹽還原為銨鹽
亞硝酸鹽還原為氨鹽的反應可以用做同化作用，也可以用作異化作用。異化亞硝酸鹽反應大部分是由嗜熱的熱球菌屬家族的細菌來(lái)完成的，這種反應是由nrfAH編碼的周質(zhì)的細胞色素C亞硝酸鹽還原酶（ccNIR）、八面體血紅素亞硝酸鹽還原酶（ONR）或者八面體血紅素連四硫酸鹽還原酶（OTR）催化完成的，目前尚不清楚后兩種酶是否能用于呼吸作用、亞硝酸鹽或羥胺的解毒作用中。亞硝酸鹽還原為銨鹽的過(guò)程中還涉及到中間產(chǎn)物羥胺的形成，而羥胺一直和相應的酶結合在一起直到轉變成銨鹽。
有趣的是，厭氧氨氧化細菌K. stuttgartiensis在缺少產(chǎn)生銨鹽的亞硝酸鹽還原酶的情況下，還可以將亞硝酸鹽還原為銨鹽，因此可以推測亞硝酸鹽還原為銨鹽是由一種類(lèi)似于HAO的蛋白酶來(lái)完成的。最近研究表明，一種羥胺還原酶（HAO）可以被ε-變形菌門(mén)（比如彎曲桿菌和鸚鵡螺菌）編碼，此酶被稱(chēng)為εHAO，也可以將亞硝酸鹽或羥胺還原為銨鹽，只不過(guò)效率比較低。
異化的亞硝酸鹽還原為銨鹽的反應是異化硝酸鹽還原為銨鹽（DNRA）過(guò)程中的關(guān)鍵反應。微生物可以利用異化硝酸鹽還原為銨鹽反應（DNRA）和電子供體的氧化的耦合來(lái)生長(cháng)，比如有機物、二價(jià)鐵、氫氣、硫化物、甲烷等電子供體。但DNRA對環(huán)境的重要性還未可知，而且在海洋和湖泊等沉積物中當與硝酸鹽有關(guān)的電子供體超量時(shí)，DNRA反應就更偏愛(ài)轉向于反硝化作用。
同化亞硝酸鹽還原酶可以產(chǎn)生氨，而且它和同化硝酸鹽還原酶（NAS）一樣普遍分布，這兩種酶經(jīng)常被相同的nas操縱子編碼。在海洋中亞硝酸鹽最大值的形成是由于浮游植物中硝酸鹽的同化吸收作用與亞硝酸鹽的還原作用并沒(méi)有偶聯(lián)，從而可以釋放更多的亞硝酸鹽，但這種未偶聯(lián)的生理原因并不清楚。
9.亞硝酸鹽還原為一氧化氮
許多微生物都有將亞硝酸鹽還原為一氧化氮的能力，比如變形菌、厭氧氨氧化菌和擬桿菌。這些微生物在很多環(huán)境中都能被發(fā)現，比如在土壤、低氧區、海洋沉積物等環(huán)境中（在這些環(huán)境中硝酸鹽可被利用且含氧量低）。這種反應可以由兩種不相關(guān)的酶催化，包含血紅素的cd1亞硝酸鹽還原酶 (cd1-NIR; 被 nirS編碼) 和含銅的亞硝酸鹽還原酶(Cu-NIR; 被nirK編碼) ，而且這兩種酶在細菌和古生菌中都普遍分布。這兩種酶都存在于外周質(zhì)細胞內，不會(huì )直接有助于節約能量。這兩酶也可以一起出現在同一個(gè)微生物內，比如海洋紅嗜熱鹽菌。
通常nirS 和nirK 被用作基因標記來(lái)研究環(huán)境中的反硝化菌，而且這些基因在其他很多微生物中都存在，包括厭氧氨氧化細菌、亞硝化細菌、甲烷氧化細菌、氨氧化細菌和古生菌。除了cd1-NIR和Cu-NIR，其他亞硝酸鹽還原酶也可能存在。比如，一些厭氧氨氧化細菌并不包含nirS 和nirK 這兩種基因，但卻可以將亞硝酸鹽還原為一氧化氮。而為了執行這種反應，這些細菌可以利用類(lèi)似于HAO的八面體血紅素氧化還原酶。
10.一氧化氮還原為一氧化二氮或氮氣
一氧化氮是一種信號分子，一種有毒物質(zhì)，也是反硝化作用、硝化作用和厭氧氨氧化作用過(guò)程中的一個(gè)中間產(chǎn)物。此外，可催化需氧的反硝化作用的細菌可以將2分子的NO變成1分子的N2和1分子的O2。能夠使一氧化氮還原的微生物在環(huán)境中可以廣泛的被發(fā)現，包括廢水處理工廠(chǎng)、農業(yè)土壤、海洋沉積物、海洋低氧區。由微生物引起的一氧化氮還原反應是一氧化二氮的主要來(lái)源，而一氧化二氮是一個(gè)強大的溫室氣體（比二氧化碳的溫室效應強烈310倍），也是破壞臭氧層的主要物質(zhì)。能夠產(chǎn)生一氧化二氮的一氧化氮還原酶（NOR）被用于一氧化氮的解毒作用或呼吸作用。屬于不同組的酶從黃素蛋白到血紅素銅氧化酶，它們都通過(guò)生命樹(shù)而廣泛分布。黃銅-二鐵蛋白例如黃銅-二鐵一氧化氮還原酶（NORvw, norVW）可以通過(guò)像硫酸鹽還原細菌（牡蠣中的脫硫弧菌）來(lái)解毒一氧化氮。其他的NOR類(lèi)型的酶是從真菌線(xiàn)粒體中發(fā)現的依賴(lài)NADH細胞色素P450的一氧化氮還原酶（P450NOR, p450nor），比如鐮刀菌屬的馬拉色菌以及最近在大腸桿菌中發(fā)現的混合聚類(lèi)蛋白HCP。
血紅素銅氧化酶家族包括末端氧化酶類(lèi)，比如依賴(lài)紅細胞色素（cNOR, cnorB）、依賴(lài)對苯二酚（qNOR, norZ）和含銅的依賴(lài)對苯二酚（CuANOR）一氧化氮還原酶，它們都在利用一氧化氮進(jìn)行的呼吸作用中都起著(zhù)重要作用。一氧化二氮是反硝化作用的中間產(chǎn)物，而NOR存在于反硝化細菌和假單胞菌屬等微生物中。一氧化二氮對于一些微生物來(lái)說(shuō)也可以是最終產(chǎn)物，比如綠葉假單胞菌。氨氧化細菌可以在硝化-反硝化作用中可以產(chǎn)生一氧化二氮，而在硝化-反硝化作用中NOR是被用來(lái)在亞硝酸鹽還原過(guò)程中還原產(chǎn)生的一氧化氮的。在氨氧化細菌和能夠一步徹底氧化氨到硝酸鹽的細菌培養中，一氧化二氮也可以通過(guò)細胞外的中間產(chǎn)物一氧化氮和羥胺的非生物反應產(chǎn)生。此外，氨氧化細菌還可以在羥胺氧化中產(chǎn)生的一氧化氮還原酶（NOR）的催化作用下產(chǎn)生一氧化二氮。和氨氧化細菌相似，嗜甲烷細菌也可以通過(guò)在羥胺氧化和亞硝酸鹽還原中產(chǎn)生的一氧化氮還原酶（NOR）的催化作用產(chǎn)生一氧化二氮。與此相比，氨氧化古生菌只是通過(guò)中間產(chǎn)物一氧化氮和羥胺的非生物反應產(chǎn)生一氧化二氮。
氮肥的使用大幅度增加了一氧化二氮的排放。由于氮轉化微生物的協(xié)同作用，3%-5%的氮作為農業(yè)氮肥被轉化成一氧化二氮。氮肥越來(lái)越多的被用來(lái)種植生物燃料，這為代替化石燃料提供了可能。但也因此形成了一個(gè)困境，越多的氮肥被用來(lái)生產(chǎn)生物燃料，就會(huì )有越多的一氧化二氮被排放出來(lái)。為了生產(chǎn)生物燃料而對氮肥的使用，抵消了由于減少對化石燃料的使用降低的溫室效應的效果。
一氧化氮轉變成氮氣和氧氣的歧化作用是最近被發(fā)現的新的氮轉化反應。從湖泊和濕地等富含甲烷和硝酸鹽的缺氧系統中發(fā)現的微生物（比如Ca.Methylomirabilis oxyfera）用這種歧化反應從亞硝酸鹽中產(chǎn)生自己的氧氣。微生物Ca.Methylomirabilis oxyfera可以在缺氧環(huán)境中生存，也可以利用需氧的甲烷氧化途徑。這種歧化反應包含一種不尋常的酶qNOR，暫時(shí)稱(chēng)這種酶為一氧化氮歧化酶（NO-D）。一氧化氮的歧化反應比之前預想的更為普遍，與此相似的是，這種不尋常的酶qNOR的基因序列在其它菌門(mén)中也存在，比如γ-變形菌門(mén)的細菌HdN1和擬桿菌門(mén)的細菌。
11.一氧化二氮還原為氮氣
由微生物引起的一氧化二氮向氮氣的還原，是減少這種強大溫室氣體的主要途徑。已知的催化這種反應的酶只有一氧化二氮還原酶（NOS），而這種酶存在于細胞外周質(zhì)中，這對于由質(zhì)子動(dòng)能引起的能量節約并沒(méi)有直接的促進(jìn)作用。來(lái)自于變形菌門(mén)、擬桿菌們、綠菌門(mén)的多種多樣的細菌與來(lái)自于泉古菌門(mén)、嗜鹽菌門(mén)的古生菌都能利用一氧化二氮還原酶（NOS）。在大腸桿菌中發(fā)現的稍微不同的能夠編碼NOS的基因揭示了人們忽視了土壤中NOS基因序列的多樣性。編碼NOS變體的有機體經(jīng)常不含有氧化物還原酶。一些真核生物，比如有孔蟲(chóng)類(lèi)或者網(wǎng)足蟲(chóng)目也可以減少一氧化二氮，但是它們的酶機制還不清楚。
長(cháng)久以來(lái)，人們都認為一氧化二氮還原酶（NOS）比其他氮化合物還原酶對O2、pH、硫化物更敏感?；谶@種明顯的敏感性，一氧化二氮向環(huán)境中的排放，完全是由于在能夠使硝酸鹽一直被還原為氮氣的生物體（這就是所謂完全反硝化菌）內NOS的活性被抑制。此外，由于這些不完全反硝化菌的相互作用，比如只能進(jìn)行亞硝酸鹽還原為一氧化二氮反應，或者一氧化二氮還原為氮氣的反應等的微生物，它們生態(tài)位的差別在很多環(huán)境中也會(huì )導致一氧化二氮的產(chǎn)生和消耗間的不平衡，比如土壤和海洋環(huán)境。
12.聯(lián)氨的合成和聯(lián)氨向氮氣的氧化
人們普遍認為只有O2才能激活氨氣，而生物可利用氮只有通過(guò)反硝化作用被轉化為氮氣才能損失。然而以亞硝酸鹽作為終端電子接受者轉成氮氣的厭氧氨氧化反應卻推翻了這兩種教條觀(guān)點(diǎn)。聯(lián)氨合成酶（HZS, hzsCBA）是唯一已知的可以激活厭氧氨的酶，而且它只在屬于浮霉菌門(mén)中的五種厭氧氨氧化細菌中被發(fā)現。HZS也是唯一已知的可以使兩種離散的氮化合物形成N-N化合鍵的酶，在一個(gè)含有兩步的反應中會(huì )產(chǎn)生中間產(chǎn)物聯(lián)氨。而聯(lián)氨合成的假設機制是從一氧化氮還原為羥胺開(kāi)始的，然后羥胺和氨一起發(fā)生歸中反應產(chǎn)生聯(lián)氨，而聯(lián)氨在自然界中是最強有力的還原劑之一。在這種反應中，羥胺從一個(gè)活動(dòng)中心轉移到另一個(gè)活動(dòng)中心，這樣在聯(lián)氨合成酶HZS的作用下羥胺就會(huì )損失。編碼HZS的基因有兩個(gè)，分別是hzsA 和 hzsB，這兩種基因一般會(huì )被作為環(huán)境中厭氧氨氧化細菌的標記基因。
通過(guò)聯(lián)氨脫氫酶（HDH, hdh）可以將聯(lián)氨氧化成氮氣。通過(guò)對氨基序列的測定，知道了這種酶與羥胺氧化還原酶（HAO）和羥胺氧化酶（HOX）有關(guān)，但聯(lián)氨脫氫酶（HDH）會(huì )被羥胺抑制，而且它只能氧化聯(lián)氨。聯(lián)氨的氧化作用發(fā)生在被稱(chēng)為厭氧氨氧化體的一種獨特的膜結構中，而且很可能與能量節約有直接的關(guān)系。有趣的是，厭氧氨氧化細菌的所有分解代謝酶（HDH, HZS, NIR, HOX 和 NXR）都只存在于厭氧氨氧化體中。
聯(lián)氨脫氫酶（HDH）主要負責向大氣中釋放氮氣，在過(guò)去的數十年，關(guān)于在海洋中的厭氧氨氧化過(guò)程已經(jīng)很清楚了，而且該過(guò)程在陸地生態(tài)系統中也有著(zhù)非常重要的作用。
13.利用微生物去除廢水中的氮
自工業(yè)革命以來(lái)，農耕、化石燃料的燃燒、家庭和工業(yè)產(chǎn)生的廢水等一直都是造成氮污染的主要因素，而氮污染嚴重影響著(zhù)地球上生命的生存。在過(guò)去的四十年，當發(fā)現過(guò)量的氮會(huì )導致水體富營(yíng)養化以及氨鹽的毒性可以造成魚(yú)類(lèi)的死亡時(shí)，氮就被認為是廢水中重要的污染物，因此，在原本用來(lái)去除有機碳的廢水處理工廠(chǎng)里都又添加了氮去除系統，然而大部分常規的廢水處理工廠(chǎng)并沒(méi)有進(jìn)行對氮的去除。
在很多自然生態(tài)系統中，珍貴的氮都是是被循環(huán)回收和保存的，但與此對比，在廢水處理工廠(chǎng)卻需要通過(guò)設計將水體中的銨鹽轉變成氮氣釋放到大氣中。在廢水處理工廠(chǎng)，有機碳會(huì )首先被去除，然后將有機碳貧乏但銨鹽氮豐富的水體送入到氮去除循環(huán)系統中。傳統的去氮系統是依靠硝化作用（NH4+→NO2-→NO3-）將氨鹽氧化成硝酸鹽，再依靠反硝化作用（NO3-→NO2-→NO→N2O→N2）將硝酸鹽還原為氮氣。但硝化作用需要大量曝氣增加氧氣來(lái)創(chuàng )造條件使氨鹽氧化成硝酸鹽（平均每1分子的氨需要2分子的O2），然后通過(guò)外源添加有機碳（一般為甲醇）誘導可以將硝酸鹽還原為氮氣的反硝化作用發(fā)生。因此傳統的去氮方法很費財力、精力和資源，而且這個(gè)過(guò)程中還會(huì )產(chǎn)生溫室氣體N2O。為了緩和這個(gè)問(wèn)題，現在很多不同結構的反應器被運用起來(lái)，比如將富含有機碳的部分原始廢水直接輸入到反硝化作用的步驟中，或者對單獨的一個(gè)池子里進(jìn)行間接性的曝氣，以促進(jìn)硝化作用和反硝化作用的進(jìn)行。
在過(guò)去數十年里，厭氧氨氧化的出現，被用作去除氮的可供選擇的一種方法。在一些簡(jiǎn)潔的生物反應器中，需氧的氨氧化細菌（比如亞硝化單胞菌屬）在氧氣限制條件下可以進(jìn)行一半的生物可利用氨向亞硝酸鹽的轉化，這被稱(chēng)為局部亞硝化。接下來(lái)在細菌（比如Kuenenia spp.）作用下發(fā)生厭氧氨氧化，將亞硝酸鹽和剩下的氨鹽轉變成氮氣（圖4中實(shí)線(xiàn)所示）。在這種部分亞硝化厭氧氨氧化的系統中，可以生成硝酸鹽的需氧亞硝酸鹽氧化劑（比如消化螺菌屬Nitrospira spp. 或者消化桿菌屬 Nitrobacter spp ）是不受歡迎的，因為它們降低了氮去除的效率。這種亞硝化厭氧氨氧化生物反應器與傳統的氮去除系統相比，需要的曝氣較少，而且不需要再另添加有機碳，產(chǎn)生的N2O氣體也較少。目前，這種亞硝化厭氧氨氧化生物反應器在污水處理（比如來(lái)自厭氧污泥消化器的廢水）中也越來(lái)越多的被應用，而這些系統在含有較低銨鹽濃度的全市規模的廢水處理中的應用，為可持續的治理廢水鋪平了道路。
最近發(fā)現的一些氮循環(huán)中的微生物也可以應用到廢水治理中?？梢允拱毖趸絹喯跛猁}的古生菌和徹底氨氧化為硝酸鹽的細菌在廢水處理工廠(chǎng)中被發(fā)現，但它們在這些系統中所扮演的角色還不是很清楚。在氧氣受限制的氮去除系統中（比如亞硝化厭氧氨氧化反應器），那些可以進(jìn)行徹底的氨氧化成硝酸鹽的細菌可能跟傳統的氨氧化過(guò)程一樣產(chǎn)生亞硝酸鹽。而令人興奮的是，新發(fā)現的依賴(lài)亞硝酸鹽和依賴(lài)硝酸鹽的厭氧甲烷氧化微生物為廢水的治理提供了一種新的可能。一個(gè)聯(lián)合著(zhù)厭氧甲烷氧化菌（比如ethylomirabilis spp. 和Methanoperedens spp.）和可進(jìn)行厭氧氨氧化反應的微生物的反應器，就可以同時(shí)去除氨鹽、硝酸鹽和甲烷（圖4中虛線(xiàn)所示）。這樣的系統已經(jīng)在實(shí)驗室的條件下建立起來(lái)了，但這樣的全規模的污水處理系統還沒(méi)有在實(shí)際環(huán)境中被實(shí)施，而在這樣系統中，需氧的甲烷氧化劑（比如Methylomonas spp.）可以有助于甲烷的去除。
對氮循環(huán)微生物的基本生理和生化以及它們的應用的研究正在一步一步進(jìn)行著(zhù)，新的微生物的發(fā)現會(huì )引領(lǐng)更高效和持續發(fā)展的去氮系統，反之亦然。很明顯地，這種趨勢可以保護環(huán)境而造福我們的子孫后代。
圖4.利用微生物去除廢水的氮
14.微生物構成的氮轉化網(wǎng)絡(luò )
微生物在氮轉化方面的多樣性是驚人的，每一種微生物都有各自最適宜的生理生長(cháng)條件。由于在自然界中生長(cháng)環(huán)境是多變的，而且很少能達到最優(yōu)條件，所以微生物個(gè)體對氮的轉化效率必然是低效的。然而，在自然界中依靠微生物群落的氮轉化效率比依靠單個(gè)微生物的轉化效率高多了。因此，在微生物群的作用下，幾乎沒(méi)有生物可利用氮逃逸到大氣中，而以氮氣的形式損失的少量的氮也會(huì )由于固氮作用而達到平衡。這種明顯的氮體內平衡不僅是全球生物圈的特征，也是很多生態(tài)系統的特征，比如森林土壤和海洋環(huán)流。這些能夠高效進(jìn)行氮回收的必需的微生物群落即使因為環(huán)境擾動(dòng)而使微生物的物種組成發(fā)生了改變，它們仍然會(huì )保持執行氮轉化的反應。由微生物連接起來(lái)的氮轉化過(guò)程在自然和人為建造的生態(tài)系統中都形成了一個(gè)復雜的網(wǎng)絡(luò )（圖5）。
世界上最大的生態(tài)系統-海洋環(huán)流，因為大量的氮回收利用而達到了一個(gè)氮平衡。在這里主要的氮轉化過(guò)程是由藍藻細菌（比如Prochlorococcus spp.）完成的氮的同化吸收作用、由浮游動(dòng)物和異養細菌（比如Pelagibacter spp. ）完成的氨化作用、由Nitrosopumilus spp. 和Nitrospina spp. 完成的硝化作用（如圖5a）。而由微生物群（比如Trichodesmium spp.和Atelocyanobacterium spp. ）完成的固氮作用在海洋環(huán)流中屬于相當小的氮轉化過(guò)程，但因為可發(fā)生固氮作用的領(lǐng)域非常大，所以它是向海洋中提供生物可利用氮的主要途徑。
與海洋環(huán)流相比，那些低氧區的水域雖然不到公海海域的1%，但卻占海洋領(lǐng)域氮損失的30%-50%。在這里，厭氧微生物（比如Scalindua spp.）可以與需氧的生物體（Nitrosopumilus spp. 和 Nitrospina spp. ）共生。由微生物構成的氮轉化網(wǎng)絡(luò )在公海的低氧區是非常復雜的，彼此之間以及與旁邊發(fā)生的氮轉化過(guò)程都是已知的（如圖5b）。
和低氧區水域相似，在廢水處理工廠(chǎng)也是以不平衡的氮轉化為特點(diǎn)。這些人為設計的系統主要用來(lái)將銨鹽轉變成氮氣排到空氣中的。農業(yè)土壤是人為建造的最大的生態(tài)系統，它們由微生物構成的氮轉化系統已經(jīng)受到了人工輸入的氮的強烈影響。種植的豆科農作物和固氮微生物群形成了共生關(guān)系，這大大增加了環(huán)境中氮的輸入量。固氮微生物菌（比如Bradyrhizobium spp.）經(jīng)常生活在特定的根瘤中，并給豆科植物提供銨鹽（如圖5c），而泄漏到周?chē)寥乐械匿@鹽又可以促進(jìn)其他微生物的氮轉化過(guò)程，比如需氧的氨氧化作用。在稻田領(lǐng)域，人工肥料的使用導致了強烈的硝化作用，并加大了氮的損失。Nitrosopumilus spp. 和Nitrospina spp. 在氨氧化到硝酸鹽的過(guò)程中是相互合作的，在很多環(huán)境中，硝化作用是由氨氧化和亞硝酸鹽氧化微生物的集合體共同執行的，同時(shí)，它們也分別競爭銨鹽和亞硝酸鹽。由于不同的新陳代謝，在微生物菌群之間同樣存在對基質(zhì)營(yíng)養的競爭。比如Nitrospira spp.、Methylomirabilis spp.、Brocadiaspp.、Methanoperedens spp. 和Pseudomonas spp.都競爭亞硝酸鹽（如圖5d）。微生物之間既可以相互合作，同時(shí)也會(huì )相互競爭，而對于控制這些相互合作的因素的了解還比較少。就像有時(shí)候，一個(gè)生理特征可以解釋那些與氮轉化有關(guān)的微生物菌群在環(huán)境中占主導作用的原因，例如，在氨耗損的環(huán)境中，氨氧化古生菌與細菌相比而言比較豐富，主要是因為古生菌對氨更有親和力。但是最近研究發(fā)現了一種陸地細菌硝化螺菌屬（Nitrospira inopinata）可以完成一步式徹底氨向硝酸鹽的氧化，它對氨的親和力比陸地培養的所有古生菌還要高，但它在氨耗損的環(huán)境中卻沒(méi)有占主導地位。微生物群構成的氮轉化網(wǎng)絡(luò )的成功也依賴(lài)與其他因素，比如可供選擇的基質(zhì)和細胞能量的需求，而這些變量在微生物構成的氮轉化網(wǎng)絡(luò )形成過(guò)程也起到有一定的作用。
公共海水環(huán)流氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò )圖
海水低氧區氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò )
稻田的氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò )
15.未被發(fā)現的生物化學(xué)反應
在過(guò)去十年里許多由微生物引起的新的氮轉化反應和途徑被發(fā)現，而基于熱力學(xué)方面的考慮，應該會(huì )存在由微生物引起的更進(jìn)一步釋放能力的反應（反應15—26）。然而這里有一些反應可以由已知的酶催化，但有一些反應卻需要迄今為止未被發(fā)現的生物化學(xué)催化劑（反應15—19,25和26）。例如依賴(lài)硝酸鹽的氨氧化作用（反應15）不能通過(guò)厭氧氨氧化途徑來(lái)進(jìn)行，因為氨鹽需要首先被氧化成中間產(chǎn)物羥胺或者類(lèi)似的含氧物質(zhì)。
相似的，激活氨鹽的新的生化途徑對于依賴(lài)鐵和錳的氨氧化作用是必需的（反應16—19）。
相反地，一些歧化反應（反應20—24）可以由已知的微生物用現存的生化機制實(shí)施。厭氧氨氧化細菌可以進(jìn)行對亞硝酸鹽（反應20）和一氧化氮（反應21）的歧化作用。
相似的，由亞硝酸鹽轉化成一氧化二氮和硝酸鹽的歧化反應（反應22）、由一氧化氮轉化成亞硝酸鹽和一氧化二氮的歧化反應（反應23）或者是由一氧化氮轉化成硝酸鹽和一氧化二氮的歧化反應（反應24），在理論上可以由需氧的亞硝酸鹽氧化細菌完成。
這些微生物可以利用亞硝酸鹽氧化還原酶使亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，而存在于硝化桿菌屬（Nitrobacter spp.）、硝化球菌屬（Nitrococcus spp.）、硝化螺菌屬（Nitrospira spp.）和硝化刺菌屬（Nitrospina spp.）中的亞硝酸鹽還原酶可以將亞硝酸鹽還原為一氧化氮。一氧化氮的氧化可以在硝化桿菌屬（Nitrobacter spp.）中觀(guān)察到，但是這種反應是生物反應還是非生物反應還未可知，而且與該反應有關(guān)的酶還不清楚。一氧化氮氧化成亞硝酸鹽的反應可以由含銅的亞硝酸鹽還原酶（由nirk基因編碼）催化，眾所周知這個(gè)反應是雙向的。一氧化氮還原為一氧化二氮的反應可以由末端氧化酶類(lèi)催化，而末端氧化酶類(lèi)在進(jìn)化上是與一氧化氮還原酶有關(guān)的。
一氧化二氮是一種強效的溫室氣體，在缺氧條件下可以被還原為氮氣，而它在好氧條件下被認為在生物學(xué)上性質(zhì)比較穩定的。有趣的是，從熱力學(xué)上講需氧的一氧化二氮被氧化成亞硝酸鹽或者硝酸鹽反應是可行的（反應25、26），但這種反應需要新的生化途徑。
將催化這些未被發(fā)現反應的微生物鑒定出來(lái)的唯一方法就是在條件可控的實(shí)驗室內培養它們。很顯然，對這些氮轉化微生物的生理生化條件的研究在未來(lái)幾年的研究領(lǐng)域里依然是重點(diǎn)研究對象。
想要確定出影響氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò )的因素，需要對微生物的生理機能、生態(tài)學(xué)功能以及它們的進(jìn)化有更深一步的了解。而現在也越來(lái)越清楚的意識到，氮轉化網(wǎng)絡(luò )需要各種各樣的微生物群共同作用，單靠一種微生物完成完整的反硝化作用只是個(gè)例，并不是常規，大部分微生物還是只能完成氮轉化過(guò)程中的一步或幾步。但是通過(guò)近幾十年的研究，我們唯一得出的結論是，微生物并沒(méi)有清晰的界限的，它們會(huì )為了生存而做出任何必要的長(cháng)期斗爭。
本文總結了對目前氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò )的理解，包括新鑒定的微生物群、新的氮轉化過(guò)程，以及潛在的氮轉化生化途徑。描述了它們對環(huán)境的影響和工業(yè)應用價(jià)值，為微生物研究方向的學(xué)者提供了寶貴的參考意見(jiàn)！
本文由宋君編譯，江舜堯和宋君編輯。
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