厌氧氨氧化细菌贡献了全球近一半的氮遗失。最近的分子钟定年分析表明，厌氧氨氧化细菌在大氧化事件（GOE）前后分化，最可能发生在2.7~2.0十亿年前（2.7~2.0 Ga）。在太古宙-元古宙海水中，NO2-极其稀缺。微生物的还原代谢以及厌氧氨氧化细菌中的NO2-还原酶仅在晚元古宙（~1.0 Ga）二价铁水平下降后才出现。NO2-限制导致厌氧氨氧化细菌生长缺乏电子受体，因此厌氧氨氧化细菌如何起源仍未可知。近日，北京大学环境科学与工程学院刘思彤教授团队在 Nature Ecology & Evolution（《自然·生态与进化》）发表了题为“Photoholes within cyanobacterial mats can account for the origin of anammox bacteria and ancient nitrogen loss”的研究论文。该研究提出厌氧氨氧化细菌利用光生空穴—由光敏剂产生的正电荷载体将氨氧化支撑了它们的起源。
研究指出，厌氧氨氧化细菌在太古宙晚期（3.0~2.5 Ga）首次起源于菌藻生物垫中。当时的海洋表面环境（包括亚硝酸盐限制和高紫外线通量）阻碍它们的生存，蓝细菌生物垫过滤有害的紫外线和蓝光为厌氧氨氧化细菌提供了保护性生态位。生物垫的有机基质与沉积的铁矿物结合，为半导体光敏剂发挥作用。在强烈光照条件下，这些半导体产生光生电子-空穴对。光生电子将Fe3+还原为Fe2+，导致光生空穴的分离。光生空穴进一步被厌氧氨氧化细菌用作电子受体，将氨氧化为N2。此外，热液流体上涌至浅层透光带引入了额外的氨和半导体矿物（例如赤铁矿、单质硫），其价带电位均超过EET基氨氧化的氧化还原要求，从而在热力学上驱动这一生物光电化学过程。鉴于典型的需氧氨氧化菌仅在~2.1 Ga之后才进化出来，光照充足的蓝细菌生物垫中的生物光电化学氨氧化为记录在太古宙海水中的氮流失提供了合理的解释。该研究为理解氨氧化的起源提供了范式转变，并可能解释早期地球上的氮流失。重新评估厌氧氨氧化细菌的光电营养生活方式对于更全面理解这些无处不在的微生物对古代和当今生态系统中氮循环的影响至关重要，对厌氧氨氧化细菌光电营养能力的深入了解为开发可持续的光生物催化脱氮系统提供思路。北京大学环境科学与工程学院2023级博士生孔领锐与2021级博士生郑茹为论文共同第一作者。刘思彤教授为论文通讯作者。
原文链接： https://www.nature.com/articles/s41559-026-02976-9
