加州理工学院（2024USNews美国大学排名：7）的研究人员最近发现了一类新的酶，这些酶使得许多细菌在低氧条件下能够“呼吸”硝酸盐。这一发现不仅揭示了细菌在极端环境下的生存策略，还对全球温室气体排放的理解和控制具有重要意义。本文将深入探讨这一研究的各个方面，包括硝酸盐呼吸在细菌生存中的作用、一氧化二氮（N2O）作为温室气体的环境影响、减少肥料使用以减轻N2O排放的潜在益处，以及跨学科合作和研究资助的重要性。
硝酸盐呼吸在细菌生存中的作用
细菌在低氧条件下的生存策略是一个复杂而有趣的过程。加州理工学院的研究揭示了细菌如何通过硝酸盐呼吸在低氧环境中生存，这一过程涉及一类新的酶。这些酶使细菌能够将硝酸盐转化为一氧化氮（NO），然后进一步转化为一氧化二氮（N2O）。这一过程不仅是细菌在低氧环境下生存的关键，还对环境有着深远的影响。
在抗生素压力下，细菌通过小RNA调控的厌氧呼吸机制生存。例如，当大肠杆菌暴露于第一代抗生素头孢噻吩时，其转录和转录后动态发生了显著变化。细菌从活跃的有氧呼吸转变为厌氧适应，这一过程由小RNA FnrS和Tp2介导。研究表明，从抗生素暴露的早期阶段，FnrS就参与了调节活性氧（ROS）水平，并延缓了细菌的氧气消耗。通过转录组分析，发现抗生素处理增加了与厌氧呼吸相关的基因表达，而与三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化相关的基因表达则显著下降。进一步的sRNA测序显示，FnrS和Tp2在抗生素暴露下的表达显著变化，FnrS在调节氧化代谢相关基因的表达中起关键作用。研究还发现，FnrS通过抑制有氧代谢基因的表达，帮助细菌在抗生素压力下维持细胞稳态。
一氧化二氮（N2O）作为温室气体的环境影响
一氧化二氮（N2O）是继二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）之后的第三大强效温室气体。虽然N2O在大气中的寿命较短，但其温室效应却是二氧化碳的300倍。因此，任何减少N2O排放的干预措施都能立即见效，对缓解全球变暖具有重要意义。
全球湖泊和水库是N2O排放的热点，但其排放量尚未得到充分量化。研究显示，2010年代全球湖泊和水库每年排放64.6±12.1吉克N2O-N，自1850年代以来增加了126%。小型湖泊和水库在减缓N2O排放方面的重要性得到了强调，因为它们的排放率较高且对陆地环境变化反应显著。结合河流排放，本研究表明2010年代全球内陆水体的N2O排放量为319.6±58.2吉克N2O-N。研究还提出了一个全球排放因子，即内陆水体N2O排放相对于农业氮应用的比例为0.051%，并提供了国家级排放因子（范围从0到0.341%），以改进国家温室气体排放清单的方法。建模显示，自前工业时代以来，全球湖泊和水库的N2O排放量翻了一番，主要原因是广泛的农业氮应用。
减少肥料使用以减轻N2O排放的潜在益处
全球农业食品系统依赖合成氮肥来提高作物产量，但这种使用方式并不可持续。过度使用肥料会为土壤细菌提供丰富的硝酸盐，它们随后将其转化为一氧化二氮。减少肥料使用不仅能减少温室气体排放，还能为农民节省成本。
研究估算了合成氮肥在制造、运输和田间使用过程中产生的全球温室气体（GHG）排放量。通过开发现有最大规模的田间N2O土壤排放数据集，估算了国家、地区和全球的N2O直接排放因子（EFs），并从文献中获取了间接N2O土壤排放、氮肥制造和运输的EFs。研究发现，2018年合成氮肥供应链的排放量估计为1.13 GtCO2e，占农业排放量的10.6%和全球GHG排放量的2.1%。其中，合成氮肥生产占总排放量的38.8%，田间排放占58.6%，运输占2.6%。中国、印度、美国和欧盟28国是排放量最大的四个地区，占总排放量的62%。历史趋势显示，不同地区在总氮使用量和人均氮使用量上存在巨大差异。减少合成氮肥的生产和使用具有很大的减排潜力，并且在许多情况下具有可实现的减排潜力。
跨学科合作和研究资助的重要性
这项研究得到了美国国立卫生研究院、阿古龙研究所、社区科学项目、联合基因组研究所和美国能源部的资助。研究团队包括来自内华达大学拉斯维加斯分校、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、蒙大拿州立大学等机构的科学家。这种跨学科的合作和多方资助是推动科学研究的重要因素。
一项针对美国教授的调查显示，增加资助金额或延长资助期限不太可能显著改变资助接受者的研究策略。哈佛商学院的经济学家Kyle Myers和Wei Yang Tham在arXiv上发布的预印本文章中描述了这项调查，调查对象包括自然科学、社会科学、工程、数学和人文学科的4175名教授。研究发现，较长的资助期限仅对有长期职位保障的终身教授有影响，他们更愿意从事风险较高的项目，而非终身教授则不受影响。调查还显示，教授们更看重资助金额的增加，而不是资助期限的延长。研究结论认为，单一资助的期限并不是研究人员追求研究的主要限制因素。华盛顿大学的生物学家Carl Bergstrom认为，尽管修改资助结构可能不会显著改变研究人员的行为，但仍有可能吸引不同类型的候选人申请资助，从而影响研究的多样性。Myers希望这些发现能为未来的实际资助实验提供参考。
结论
加州理工学院的这项研究不仅揭示了细菌在低氧条件下的生存策略，还对全球温室气体排放的理解和控制具有重要意义。通过减少肥料使用，我们可以有效减少一氧化二氮的排放，从而缓解全球变暖。此外，这项研究的成功也离不开跨学科的合作和多方资助，这为未来的科学研究提供了宝贵的经验和参考。总之，这项研究不仅在科学上具有重要意义，还为环境保护和可持续农业提供了新的思路和方法。
参考新闻资料:
- Many More Bacteria Produce Greenhouse Gases than Previously Thought
- Small RNA-modulated anaerobic respiration allows bacteria to survive under antibiotic stress conditions
- Increased nitrous oxide emissions from global lakes and reservoirs since the pre-industrial era
- Greenhouse gas emissions from global production and use of nitrogen synthetic fertilisers in agriculture
- Larger or longer grants unlikely to push senior scientists towards high-risk, high-reward work
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