Engineered Geobacter sulfurreducens Achieves a Record-High Rate of Biological Nitrogen Fixation

硫化地杆菌 固氮 地杆菌 氮气 化学 环境化学 环境科学 生物 细菌 生物膜 遗传学 有机化学
作者
Wei Yang,Xianyue Jing,Stefano Lai,Hui Wang,Jun Wang,Xing Liu,Shungui Zhou
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (35): 18605-18615
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c05266
摘要

Biological nitrogen fixation (BNF) represents a sustainable alternative to the capital- and energy-intensive Haber-Bosch process, which dominates industrial fertilizer production but contributes significantly to global carbon emissions. While Geobacter sulfurreducens has been identified as a promising diazotroph, its BNF efficiency remains untapped. Here, we engineered G. sulfurreducens by deleting the ammonium transporter gene amtB (strain ΔamtB), achieving a record-high BNF rate of 20.57 ± 0.87 mg N L-1 day-1, approximately twice that of the wild-type strain and exceeding those of all reported free-living diazotrophs and synthetic catalysts for ambient nitrogen fixation. 15N isotope labeling and nitrogenase activity assays confirmed enhanced fixation, whereas biofertilizer trials demonstrated the ability of ΔamtB as a biofertilizer to support Arabidopsis thaliana growth. Mechanistic studies revealed that amtB deletion (1) amplified cellular nitrogen assimilation, (2) alleviated ammonium-mediated suppression of nitrogenase activity, and (3) disrupted energy-intensive futile ammonium cycling, conserving cell energy. This study establishes ΔamtB as a scalable BNF platform for sustainable agriculture, offering a viable pathway to decarbonize fertilizer production.
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