拯救地球的新发现！挑战温室气体减排的革命性蛋白质是什么？─ 从土壤开始的去温室气体新战略

导入──发现改变“前提”的蛋白质

2025年10月21日，Phys.org报道了一则新闻，为温室气体对策的地图增添了新的地形。以美国田纳西大学诺克斯维尔分校为中心的研究团队报告了一种能够将N₂O（一氧化二氮）还原为气候中立的氮气（N₂）的未知蛋白质家族。现有教科书中，N₂O还原酶（N₂OR，基因名nosZ）被整理为两个“系统（clade）”。然而，此次发现的蛋白质在序列层面上与这两者有很大不同，是一个“第三系统”，其功能通过AI结构预测、质谱分析和培养实验得到了证实。phys.org

背景──N₂O为何棘手

N₂O的单位质量温室效应比CO₂强得多，并且还会破坏平流层臭氧。自合成氮肥普及以来，农田土壤中残留的氮被微生物转化，产生大量N₂O的情况已广为人知。田纳西大学的解释用“约300倍于CO₂”这一比喻，简明地展示了其棘手之处。因此，理解土壤中“消除N₂O的”微生物和酶，与现实的气候对策直接相关。cee.utk.edu

新发现是什么──L-N2OR / L-NosZ

研究团队在2024年已展示了酸性土壤中持续的N₂O还原现象。通过后续的大规模宏基因组和宏蛋白质组分析，以及最新的结构预测，鉴定出一组与已知nosZ相似性低于40%但共享立体结构关键基序，并实际将N₂O还原为N₂的蛋白质群。该群被报告为“L-N2OR（乳糖酶型N₂O还原酶）”。在系统学上，它超出了现有框架，广泛分布于包括难以培养的Nitrospinota等分类群中。Nature　PubMed

有三点关键。

1. 序列相距甚远，但结构和功能相近──可以解释为趋同进化的一个例子。

2. 基因组参考库将更新──此前被忽视的“相似而不同”的序列将自动被识别为N₂O还原候选者。

3. 氮循环模型需要重新调整──“在哪里、多少N₂O被消除”的估计可能会改变。phys.org

实验的关键──AI×质谱分析×培养

论文（Nature, 2025）通过在培养系统中加速N₂O还原速率、在N₂O存在下特异性表达的蛋白质群，以及与NosZ对应的结构元素的重叠，证明了其功能。特别是，仅在N₂O存在时检测到的周边基因群的蛋白质组行为，强化了其作为代谢途径的完整性。phys.org

“重新解读过去研究”开始

正如研究团队所指出的，当这一家族被纳入参考数据库时，重新分析已有数据将能够追溯性地解释“无法解释的N₂O还原活性”。2024年的报告展示了在酸性条件下，伴随生长减少N₂O的微生物群落的存在，这正是一个开端。Nature

应用可能性──现场实施的场景

• 土壤改良剂/生物刺激剂：选择和驯化含有L-N2OR的微生物并返回土壤，以抑制施肥后的N₂O峰值。

• 畜牧业/沼气设施中的生物过滤器：设计适应高浓度N₂O气流的生物反应器。

• 监测：使用L-N2OR基因作为生物标记，定量土壤/水域的N₂O“汇能力”。
  这些不意味着立即产品化，但探索范围比仅基于已知的NosZ系统Ⅰ和Ⅱ的设计更广。PubMed

风险与限制──并非“万能药”

• 对生态系统的干预：引入外来菌株伴随竞争和基因水平传播等生态风险。

• 环境依赖性：在pH、碳源、氧化还原状态等现场条件下活性变化显著。尽管在酸性土壤中显示出持续性，但并非普遍。

• 测量问题：由于通量测量和同位素方法的空间尺度依赖性，难以确保效果验证的统计能力。

• 监管：无论是否为GMO，实际田间试验需要环境安全性评估。Nature

SNS的反应──“期待”与“谨慎”的中间点

此次论文于8月下旬在《Nature》上公开，随后Nature官方X账号进行了介绍。随着帖子的传播，气候和农业社区对“第三种N₂O还原酶”的关注迅速升温。在Facebook的Nature官方页面和科学媒体的Instagram上也进行了可视化展示，话题扩展到了普通大众。总结趋势如下：

• 欢迎氛围：“相比于CO₂对策，N₂O的王牌较少。这是一个突破口。”

• 实施问题：“何时、如何将其引入土壤？不怕氧气吗？能测量吗？”对技术条件的具体问题。

• 怀疑与是非：“实验室的活性不一定在田地中表现出来。需要长期数据。”冷静的指摘。这些总结基于SNS上的实际帖子（Nature的X/Facebook，科学Instagram帖子），特点是热情与现实主义的平衡。
  X (formerly Twitter)　Facebook

为何“第三系统”重要

自2010年代以来，nosZ基因被大致分为“典型（clade I）”和“非典型（clade II）”，后者因不进行反硝化但仅还原N₂O的菌也被包含在内，作为N₂O汇的承担者受到关注。此次的L-N2OR超越了这些定义框架，在结构上相似但序列上遥远的群体中实现了可视化，这一点具有突破性。被忽视的N₂O汇的地理分布和贡献率可能会被上调。ASM Journals

未来的验证重点

1. 现场再现性：在降雨后、施肥后峰值等动态条件下的实地验证。

2. 宿主范围和生态位：在哪些分类群和环境中最活跃（例如：Nitrospinota）。

3. 合成生物学：将L-N2OR功能移植到安全宿主中，能否稳定表达和活化。

4. 模型整合：将新家族纳入气候和氮循环模型，定量各地区的减排潜力。PubMed

总结──“可视化”改变战略

温室气体对策不仅仅是CO₂，还需要N₂O的“可视化”和“消除能力”的增强。L-N2OR/L-NosZ的鉴定更新了可用于现场的具体方案（改良剂、生物反应器、监测）的设计图，同时促使对过去数据的重新解读。研究团队的发现正位于科学基础与政策实施的交汇点。接下来是如何在现场展示持久效果，以及如何设计安全且公平的推广。phys.org