Extracellular electron transfer-dependent anaerobic oxidation of ammonium by anammox bacteria

厌氧氨氧化菌 电子受体 电子转移 羟胺 细菌 化学 亚硝酸盐 细胞外 无机化学 电子传输链 氮气 生物化学 光化学 生物 有机化学 反硝化 硝酸盐 反硝化细菌 遗传学
作者
Dario Rangel Shaw,Muhammad Ali,Krishna P. Katuri,Jeffrey A. Gralnick,Joachim Reimann,Rob Mesman,Laura van Niftrik,Mike S. M. Jetten,Pascal E. Saikaly
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:11 (1) 被引量:290
标识
DOI:10.1038/s41467-020-16016-y
摘要

Anaerobic ammonium oxidation (anammox) bacteria contribute significantly to the global nitrogen cycle and play a major role in sustainable wastewater treatment. Anammox bacteria convert ammonium (NH4+) to dinitrogen gas (N2) using intracellular electron acceptors such as nitrite (NO2−) or nitric oxide (NO). However, it is still unknown whether anammox bacteria have extracellular electron transfer (EET) capability with transfer of electrons to insoluble extracellular electron acceptors. Here we show that freshwater and marine anammox bacteria couple the oxidation of NH4+ with transfer of electrons to insoluble extracellular electron acceptors such as graphene oxide or electrodes in microbial electrolysis cells. 15N-labeling experiments revealed that NH4+ was oxidized to N2 via hydroxylamine (NH2OH) as intermediate, and comparative transcriptomics analysis revealed an alternative pathway for NH4+ oxidation with electrode as electron acceptor. Complete NH4+ oxidation to N2 without accumulation of NO2− and NO3− was achieved in EET-dependent anammox. These findings are promising in the context of implementing EET-dependent anammox process for energy-efficient treatment of nitrogen. Bacteria capable of anaerobic ammonium oxidation (anammox) produce half of the nitrogen gas in the atmosphere, but much of their physiology is still unknown. Here the authors show that anammox bacteria are capable of a novel mechanism of ammonium oxidation using extracellular electron transfer.
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