全球变暖背景下，土壤和水体中的氮循环正面临严峻挑战。微生物分解硝酸盐的过程（反硝化）本应将有害的氮氧化物转化为无害的氮气，但在高温环境中（如温泉、火山地带），这一过程却频频“卡壳”—中间产物一氧化二氮（N₂O，强效温室气体）和亚硝酸盐（NO₂^-）大量堆积。科学家们一直困惑：为何高温会成为反硝化的“绊脚石”？其背后的微生物机制又是如何运作的？

蒋宏忱教授领衔的研究团队，在云南腾冲的天然温泉中找到了答案。他们通过模拟不同温度（37-75℃）的微生物生长环境，结合碳氮比调控和基因测序技术，首次系统揭示了高温如何重塑反硝化微生物的“工作模式”。实验发现：当温度超过60℃时，原本顺畅的反硝化“流水线”在中途突然停摆——微生物只把硝酸盐（NO₃^-）还原成NO₂^-，却不再“接着干活”，导致NO₂^-大量积压；而在55℃这个“中温区”，虽然系统还能继续运转，但只勉强把NO₂^-推进一步，生成N₂O这个“危险半成品”，整条反应链条依然卡在中途。

这项研究为应对全球氮循环失衡提供了新视角：

1.       温度决定反硝化“生产线”的终点站

在自然界中，微生物的反硝化作用就像一条精密的生产线，将有害的NO₃^-逐步转化为无害的氮气（N？）。然而这条生产线在高温环境下却频频出现“断档”—当水温超过60℃时，原本应被完全分解的NO₂^-和N₂O开始大量堆积。科学家们发现，这其实是微生物应对高温的自我保护策略（图1）：在高温温泉（>60℃）中，以Thermus为代表的嗜热菌会优先启动反硝化反应的前半程（NO₃^-→NO₂^-），并将其余能量用于提高热适应能力而不是NO₂^-还原，导致生产线无法继续运转。有趣的是，当温度降至55℃左右时，生产线会出现“换工”：新出现的Tepidimonas替代Thermus直接将部分NO₃^-转化为N₂O，导致中温区成为温室气体N₂O的高发区。此时，虽然下游的N₂O还原菌（如Gemmatimonadetes）试图接力工作，但因“人手不足”贡献有限，最终形成NO₂^-和N₂O的“交通堵塞”。只有在45℃以下的低温环境中，以Thauera菌组成“全能战队”，基因组中同时包含nirS（亚硝酸盐还原酶）、norBC（一氧化氮还原酶）和nosZ（氧化亚氮还原酶），实现从NO₃^-到N₂的“一条龙”服务。

2. 谁来完成最后一棒？温度决定反硝化的“职业分工”

为了验证“温度”是否真的会影响微生物的“岗位分工”，我们做了一个实验：把一批相同的“反硝化工人”（富集物）分别安置在不同的温度“车间”中进行观察。结果发现，随着温度上升，原本只是做“半套活儿”的不完全反硝化菌开始逐步上位，变成了工厂里的主力军。这些微生物只完成反应链的一部分，就像只把NO₃^-变成NO₂^-就“下班”，让生产线停在半路。而在较低温度的“车间”里，情况则始终稳定高效——那些能够把整个反应一口气做到“终点站”（把NO₃^-完整转化为N₂）的“全能型工人”依旧是主力担当，组成了一支高效协同的反硝化“流水线”。这个变化说明，温度不仅决定了微生物的“出勤率”，还深刻影响了它们在反硝化工厂中的“岗位职责”。

3. 基因表达的“节能模式”与“功能取舍”

在高温环境中，微生物展现出惊人的生存智慧：它们会主动关闭不必要的基因表达，以节省能量应对极端环境。研究发现（图3）：在75℃的Thermus中，负责NO₂^-还原的nirS基因虽存在但极少表达，而下游的norAB（一氧化氮还原酶组装蛋白）和nosZ（氧化亚氮还原蛋白）基因几乎完全沉默。这种“选择性失活”导致NO₂^-无法进一步降解。在55℃的Tepidimonas中，norAB基因被激活以维持一氧化氮（NO）的还原，但nosZ基因仍保持沉默。这使得N₂O成为代谢终产物。只有在45代的Thauera中，所有关键基因（nirS、norAB、nosZ）均高效表达，形成完整的电子传递链。这种“按需分配”的基因表达模式，实质上是微生物在能量获取与代谢负担之间的权衡。高温环境下，微生物更倾向于将资源投入核心代谢（如细胞膜修复、蛋白质合成），而非复杂的反硝化过程。这种策略虽降低了代谢效率，却确保了其在极端环境中的生存优势。

4. 幕后英雄缺席？温度如何悄悄干扰了反硝化的协同演出

在反硝化这场由微生物主演的“气体转化剧”中，我们通常把注意力放在了主角——那些完成关键转化步骤的“核心酶”（如NirS、NorAB、NosZ）身上。但其实，舞台上真正决定剧情能否顺利推进的，还有一群常常被忽视的“幕后英雄”——反硝化附属基因。它们不直接参与转化反应，却是酶类成熟、运转不可缺的“道具组”“灯光组”和“助理导演”。

我们对这些幕后角色的“出勤记录”进行了大排查（图4），结果令人意外：当温度升高到60℃以上时，这些“幕后帮手”（nirNCJ, norDQ, nosRD）几乎集体罢工，即使主酶（nirS表达）在场也无法顺利完成任务，导致NO？？和N？O在系统中堆积。只有在45℃以下的低温环境中，幕后团队全员上线，主角配角配合无间（反硝化核心和附属基因全部表达），才能实现从NO₃^-到N₂的全链条反硝化。这项研究揭示：高温下反硝化“断档”的原因，可能不仅仅是主酶活性受限，更可能是这些酶缺乏成熟所需的辅助蛋白与辅因子合成系统。这就好比一个工厂，机器有了，操作手册也有，但关键的零件没人送来——自然运转不起来。

图1 在不同温度，乙酸/NO₃^-为1:4的培养基条件下进行的反硝化过程

图2 同一富集物在不同温度下NO₃^-、NO₂^-动力学及微生物群落组成的变化

图3 在乙酸/NO₃^-为1:4条件下，反硝化富集物中反硝化基因的表达情况

图4 在乙酸/NO₃^-为1:4条件下，edgeR分析筛选出的差异表达反硝化附属基因结果

这些发现不仅揭开了高温环境中反硝化作用的神秘面纱，更为应对全球氮循环危机提供了新思路：1）在环境治理方面，通过调节温度或添加特定微生物，可优化高温污染区（如地热废水、垃圾渗滤液）的脱氮效率；2）在气候变化方面，温度升高可能阻碍氮的完全去除，导致NO₂^-与N₂O等中间产物在水体中积累，提升氮负荷并加剧富营养化风险，需审视全球变暖对氮循环的系统性影响；3）在工业应用方面，模仿微生物的“功能分工”策略，设计新型生物反应器以实现高效脱氮。

总之，微生物是地球氮循环的隐形工程师。破解它们的生存密码，不仅能深化我们对生命本质的理解，更为守护蓝色星球提供了绿色解决方案。这项研究犹如一把钥匙，为我们打开了高温生态系统这座神秘的微生物宝库。

上述研究成果发表在国际环境领域权威期刊《Environmental Science & Technology》上。第一作者为我校海洋学院博士研究生马力，中国地质大学（武汉）黄柳琴副研究员与我校蒋宏忱教授为本文的共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金（42172340, 42192503, 42192500）等项目资助。具体论文信息如下：Li Ma, Liuqin Huang*, Yuanguo Xie, Yang Luo, Yinuo Zhao, Jie Feng, Geng Wu, Jianyu Jiao, Wenjun Li, Hongchen Jiang* (2025). Temperature-Dependent Regulation of Denitrification Intermediates in High-Temperature Ecosystems. Environmental Science & Technology, DOI: 10.1021/acs.est.5c00174.

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c00174