综述：反硝化厌氧甲烷氧化技术的进展：对相关生理机制和代谢过程的最新认识

《Bioresource Technology》：Advances in denitrifying anaerobic methane Oxidation: Emerging insights into the physiology and metabolism

DAMO微生物通过甲烷氧化与硝酸盐/亚硝酸盐还原的耦合作用，实现氮碳循环的协同调控，其代谢多样性及经典协同理论被修正，揭示细菌（如Ca. M. sinica）可独立完成反硝化，古菌（如Ca. M. nitroreducens）发展反向甲烷生成及电子传递策略，大质粒（Borgs）显著扩展宿主代谢功能，为低碳污染控制提供新范式。

　　

朗瑞燕|郝玉然|郭明宇|李伟斌|张月|唐彦杰|柴凤光|刘盼盼|李顺义|李琳

郑州大学生态与环境学院，中国郑州450001

摘要

反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）是一种独特的微生物过程，在该过程中，甲烷（CH₄）作为电子供体用于硝酸盐（NO₃^-）或亚硝酸盐（NO₂^-）的还原，从而在氮-碳循环中发挥作用。本文综述了最近的研究进展，这些进展修正了人们对DAMO微生物的传统认识。DAMO细菌具有多样的氮代谢能力，包括细胞内氧气生成、完全反硝化以及通过协同作用参与一氧化二氮（N₂O）的产生和还原。对于DAMO古菌，我们回顾了反向甲烷生成途径，并强调了新兴的代谢策略，如细胞外电子转移（EET）、异化硝酸盐还原为铵（DNRA）和乙酸产生。此外，我们还讨论了大型染色体外遗传元件（ECEs），包括Borgs和mini-Borgs，在扩展宿主与CH₄氧化、电子传输和氮代谢相关功能中的作用。本文全面揭示了DAMO微生物的多样生理特性和灵活的代谢机制。

引言

甲烷（CH₄）是一种主要的温室气体，其全球变暖潜力仅次于二氧化碳（CO₂）。其20年的全球变暖潜力约为CO₂的84倍（Brown等人，2023年）。在自然和人工生态系统中，甲烷的厌氧生物转化是维持生态系统稳定和减少温室气体排放的关键机制（Kroeger等人，2020年）。DAMO利用CH₄和NO₃^-/NO₂^-作为电子供体和受体，同时实现CH₄的还原和氮的去除。这种独特的代谢途径将厌氧碳循环和氮循环联系起来（Raghoebarsing等人，2006年）。自发现以来，DAMO已成为微生物生态学、生物地球化学和环境工程交叉领域的前沿课题，为低碳污染控制和气候变化缓解提供了新的范例。

经典的理论认为DAMO过程涉及两种不同功能微生物的协同代谢：一种是由NC10门细菌组成，模式物种为Candidatus Methylomirabilis oxyfera（Ca. M. oxyfera）（Ettwig等人，2008年）。其基因组编码了完整的颗粒状甲烷单加氧酶（pMMO）及其下游代谢途径。通过一氧化氮（NO）的歧化（2NO → N₂ + O₂），它在细胞内生成氧气，使CH₄能够“内源性有氧氧化”，同时将NO₂^-还原为氮气（N₂）（Echeveste Medrano等人，2025年）。另一种是由ANME-2d古菌组成，代表物种为Candidatus Methanoperedens nitroreducens（Ca. M. nitroreducens）（Haroon等人，2013年）。这种古菌通过反向甲烷生成途径氧化CH₄，并利用硝酸盐还原酶（NarGHI）将NO₃^-还原为NO₂^-；然而，它缺乏NO₂^-还原所需的基因，因此必须与NC10细菌形成“两步”协同代谢。古菌提供NO₂^-，而细菌完成后续的还原和CH₄氧化，从而避免NO₂^-积累造成的毒性抑制（Echeveste Medrano等人，2024年）。这一传统理解长期以来主导了DAMO的基础研究和应用探索。

随着宏基因组学-转录组学整合、靶向富集培养和反应器工程技术的突破，DAMO领域的研究进展已经远远超越了经典理论的界限。在微生物代谢水平上，来自NC10细菌的Candidatus Methylomirabilis sinica（Ca. M. sinica）已被证实能够独立完成从NO₃^-到N₂的完整反硝化过程（Yao等人，2024年），推翻了“两步”代谢模型。DAMO细菌并不像传统认为的那样完全不产生N₂O（Tan等人，2023年）。NO₂^-浓度阈值会触发NorZ基因的表达，从而通过NO?→?N₂O转化来避免有毒中间产物的积累，形成“应激分流机制”。然而，N₂O的最终还原依赖于与Methyloversatilis等协同微生物的相互作用（Lv等人，2024年；Tan等人，2023年），这突显了其在温室气体调节中的复杂作用。ANME-2d古菌演化出了专门的代谢策略，如乙酸产生和DNRA（Wang等人，2025年）以及EET。它们还可以与硫酸盐还原细菌（SRB）合作，完成依赖硫酸盐的CH₄氧化，从而连接碳、氮和硫循环（Nie等人，2021年；Wei等人，2022年）。特别重要的是在ANME-2d古菌中发现的ECEs，包括巨大的线性Borgs和小型mini-Borgs（Al-Shayeb等人，2022年；Shi等人，2024年）。这些元件携带与CH₄氧化和电子转移相关的基因，显著增强了宿主的适应能力。生态位分化塑造了DAMO微生物的独特生理特征。这种分化的核心驱动因素包括NO₂^-浓度（Ca. M. oxyfera适应低浓度，而Ca. M. sinica适应高浓度）和溶解氧（DO）水平。这种分化使细菌更倾向于占据过渡性生态位，而古菌则局限于稳定的厌氧微环境。DAMO古菌和细菌在氧气耐受性和生态位分化方面的差异构成了它们在自然和人工环境中的核心分工基础。尽管这些现象在不同研究中分别被报道，但尚未被整合到一个系统的认知框架中。目前的综述大多关注单一微生物群体或特定代谢途径，缺乏对DAMO微生物多维适应策略的总体解释。

因此，本文系统地总结了DAMO细菌和古菌的核心生理功能，强调了DAMO细菌多样的氮转化途径，以及EET、产酸代谢和染色体外元件（如Borgs）在DAMO古菌中的功能作用。同时讨论了未来的研究需求和方向，旨在加深对DAMO微生物生理和代谢多样性的理解。

部分内容摘录

利用NO₂^-作为电子受体的细胞内氧气生成过程

Ca. M. oxyfera的“内需氧”途径（Ettwig等人，2010年）是其最显著的代谢特征，这一特征从根本上颠覆了人们对厌氧微生物代谢的传统理解。该途径的新颖之处在于，CH₄氧化所需的分子氧气（O₂）并非来自环境，而是在细胞内通过氮代谢过程生成的（Wu等人，2011年）。尽管该途径存在于厌氧环境中，但其基因组仍然

DAMO古菌中的反向甲烷生成途径

关于厌氧甲烷氧化（AOM）的传统研究主要集中在海洋生态系统中的ANME群体与SRB之间的共生代谢模型（Wang等人，2023年）。人们认为ANME群体依赖共生微生物来转换电子受体或进行电子转移以实现高效的CH₄氧化。然而，Ca. M. nitroreducens这种ANME-2d群体的代表菌株以独特的方式定殖于淡水沉积物和废水处理系统中，并且可以

DAMO微生物的生态位分化

电子供体和受体的类型是决定微生物群落特征的基本因素。此外，底物浓度和溶解氧（DO）是影响微生物生理功能和生态位分化的主要因素。例如，NO₂^-浓度可能导致Ca. M. oxyfera和Ca. M. sinica之间的分化，而NO₃^-和CH₄不足的条件可能刺激DAMO古菌产生乙酸。相反，在

研究需求和未来方向

DAMO微生物在通过将CH₄氧化与NO₃^-/NO₂^-还原相结合来减少废水中的氮和温室气体方面展现出巨大潜力。这种代谢能力为低碳污染控制策略提供了理论和技术上的机遇。在主流和旁路处理场景中，厌氧铵氧化（Anammox）的高反硝化效率和低污泥产生可以通过DAMO古菌在溶解氧中的功能得到增强

结论

DAMO微生物表现出高度的代谢多样性和可塑性。NC10细菌通过生成细胞内氧气克服了热力学限制；Ca. M. sinica可以利用NO₃^-进行完全反硝化，并扩大底物谱。NC10细菌能够内在产生N₂O，而NO₂^-浓度是其代谢途径的关键调节因子。它们与共生伙伴协同还原N₂O。ANME-2d古菌通过反向甲烷生成途径运作

未引用的参考文献

Medrano和Maider Junkal，2024年；Li等人，2025年；Niu等人，2024年；Shen等人，2020年。

CRediT作者贡献声明

朗瑞燕：撰写——初稿，调查，正式分析。郝玉然：正式分析。郭明宇：撰写——初稿。李伟斌：可视化，验证。张月：验证，软件。唐彦杰：监督，软件。柴凤光：监督，数据管理。刘盼盼：监督。李顺义：项目管理，概念化。李琳：撰写——审稿与编辑，资源管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52300068）、中国博士后科学基金（项目编号：2024M762997）以及河南省关键专项研发突破计划（项目编号：242102320089）的财政支持。