锰氧化细菌（MnOB）能将有毒有害的Mn(II)氧化为生物锰氧化物（BioMnOx），后者具有强吸附性和氧化性，不仅能去除Mn(II)，还能吸附和氧化其他污染物（如抗生素、重金属），是低成本、环境友好的污染修复策略。有机/无机氮与Mn(II)常共存于废水中，需要同步去除。但氮源类型、浓度如何影响MnOB的锰氧化活性，此前缺乏系统研究。

2025年10月，来自大连理工大学的周豪老师团队在顶级期刊Chemical Engineering Journal（IF=13.2）发表题为“Nitrogen-source dependent regulation of manganese oxidation in Pseudomonas sp. AN-1: Mechanistic insights from multi-omics analyses“的研究成果，该成果揭示了不同氮源对假单胞菌AN-1（一种MnOB）生长和Mn(II)氧化的影响以及其中的机制。为氮与锰的废水处理提供理论依据，为微生物修复工艺提供新思路。文章中所用蛋白质组学和转录组学服务由诺禾致源提供。

研究思路

1.锚定研究缺口与核心问题：针对氮源对锰氧化细菌（MnOB）锰氧化的调控机制尚未明确这一研究空白，结合废水体系中氮与Mn(II)常共存且需同步去除的实际治理需求，聚焦两大核心问题：一是氮源类型与浓度是否会影响假单胞菌AN-1的生长及对Mn (II)的氧化活性；二是该调控效应背后的分子机制是什么。

2.解析氮源调控规律：通过系统性筛选实验明确氮源对AN-1生长及锰氧化功能的调控效应，NO₃?以非浓度依赖的方式调控AN-1的生长状态与Mn(II)氧化功能，其调控作用具有稳定性与特异性。以上结果为后续分子机制解析筑牢基础。

3.多组学挖掘与AI辅助机制验证：整合转录组与蛋白质组分析，从“基因-转录-蛋白”全链条锁定调控核心——锰氧化关键酶基因（mnxG和mcoA）及MnxS/MnxR双组分调控系统；借助AlphaFold 3.0开展蛋白三维结构建模与分子对接，结合生物信息学分析，从结构与分子层面完成调控机制的预测与验证，明确核心元件的作用模式。文章中所用蛋白质组学和转录组学服务由诺禾致源提供。

研究流程图

关键结果

1.不同氮源类型对AN-1生长和Mn(II)氧化的影响

图1 氮源类型对AN-1锰氧能力有显著影响

(a-b) 不同类型氮源处理下AN-1生长的影响；(c-d) 不同类型氮源处理下AN-1锰氧化能力的影响。氮源浓度为1.0mM，Mn(II)浓度为100μM。

研究人员首先就无机或有机氮源对菌株生长和Mn(II)氧化能力的表型影响进行分析。如图1a-b显示，无机氮源和组氨酸作为均可显著促进AN-1的生长，NO₃?/NO₂?组生长相近（OD₆₀₀≈0.12），组氨酸组生长最优（OD₆₀₀≈0.169），NH₄?组生长最差（OD₆₀₀≈0.039）。随后对AN-1的Mn(II)氧化能力进行了评估。结果显示仅NO3?/NO₂?组能在27h内完全氧化100μM Mn(II)，而NH₄?、尿素、组氨酸组及无氮对照组，10天内均无Mn(II)氧化（图1c-d）。

由此可见，AN-1的锰氧化能力与氮源类型息息相关，仅NO₃?/NO₂?能诱导锰氧化的发生，且锰氧化能力与AN-1生长量无直接关联。

2.不同氮源浓度对AN-1生长和Mn(II)氧化的影响

图2 氮源浓度对AN-1锰氧化能力有显著影响

(a-c) 不同浓度的NO₃^-，NH₄⁺和组蛋白作为氮源对AN-1生长的影响；(d-f) 不同浓度的NO₃^-，NH₄⁺和组蛋白作为氮源对AN-1锰氧化能力的影响。Mn(II)浓度为100μM

随后，研究人员对不同氮源浓度对AN-1生长和Mn(II)氧化能力进行了评估。研究结果显示NO₃-浓度变化不影响AN-1的生长（OD₆₀₀维持在0.12左右）；NH₄+浓度高或低均无法有效促进AN-1的生长（OD₆₀₀ < 0.05）；随着组氨酸浓度的提高对AN-1生长的促进作用越显著，浓度达到2.5mM时OD₆₀₀达到0.27（图2a-c）。

对Mn(II)氧化能力分析发现，NO₃-处理AN-1能实现对Mn(II)的完全氧化，且无浓度依赖；NH₄+处理AN-1无法实现Mn(II)氧化；随着组氨酸浓度的提高，Mn(II)氧化程度逐渐提高，2.5mM组氨酸能实现对Mn(II)的完全氧化（图2d-f）。该结果首次发现组氨酸存在浓度依赖的锰氧化调控，暗示其代谢存在复杂阈值或信号机制。

3.Mn(II)浓度对AN-1生长、氮利用率和锰氧化能力的影响

图3 Mn(II)浓度对AN-1生长、氮利用率和锰氧化能力有显著影响

(a-c) NO₃-作为氮源时，不同浓度Mn(II)对AN-1的生长、氮利用率和锰氧化能力的影响；(d-f) NH4+作为氮源时，不同浓度Mn(II)对AN-1的生长、氮利用率和锰氧化能力的影响。氮源浓度为1.0mM。

Mn(II)氧化过程与氮转化密切相关。据此研究人员就AN-1中Mn(II)与氮代谢的关系展开了进一步的研究。

在NO₃-作为唯一氮源情况下，Mn(II)的浓度变化不影响AN-1的生长和氮转化（图3a-b）。前24h氮快速消耗，24h后转化率稳定在68.21%-69.12%。NO₃−的还原与细菌生长同时进行，而MnOx的产生仅在氮耗尽后（30h）才开始，所有Mn(II)浓度均能实现完全氧化（图3c）。反观NH₄+作为唯一氮源时，无论Mn(II)浓度高低均无法促进AN-1的生长，NH₄+的利用率仅11%-13%（图3d-e）。且在所有Mn(II)浓度下均无氧化发生（图3f）。

由此可见，NO₃-是AN-1可利用的氮源，锰氧化与氮转化之间存在前后顺序（先耗氮再氧化），NH₄+既抑制氮代谢也抑制锰氧化。

4.基多组学的AN-1的氮代谢通路分析

图4 AN-1中氮代谢通路示意图

图5 (a) NO3?组（PN）和组氨酸组（PL）转录水平差异分析；(b) NO₃?组（PN）和组氨酸组（PL）蛋白表达水平差异分析。

为更深入解析不同氮源对Mn(II)氧化过程的调控机制，本研究以多组学整合分析为核心技术支撑，在硝酸盐（NO₃?）实验组（PN）与组氨酸对照组（PL）中开展转录组与蛋白质组分析，通过对“转录-表达”的全链条验证，精准锁定关键调控分子与通路。

基于AN-1菌株已有的基因组数据，研究人员先完成了各类氮源代谢通路的注释（图4），为后续组学差异分析搭建了功能参考框架。随后通过两组学数据的系统对比，重点筛选氮代谢、碳代谢及锰氧化相关的差异基因与差异蛋白，在两个数据层面实现相互印证。转录组数据揭示了基因表达的调控趋势，NO₃?转运/同化相关基因（nrtABC、nasA、nirBD）、组氨酸代谢基因（hutU/I）转录水平显著上调；锰氧化核心基因mnxG和mcoA转录水平也显著上升，而AHP表达水平下调；碳代谢中苯酚降解相关基因则均显著下调（图5a）。

蛋白质组分析进一步验证了功能蛋白的实际表达状态，成为支撑结论的关键依据。PN组中锰氧化关键蛋白MnxG 和McoA的表达量显著上调，硝酸盐同化相关蛋白同步高表达，固氮蛋白则呈下调趋势（图5b），与转录组数据形成高度契合，确认了这些基因的表达调控最终转化为蛋白层面的功能激活。此外，蛋白质组还揭示了组氨酸代谢hut通路相关蛋白的转录水平和表达水平趋势相反，提示这其中存在转录后或翻译后调控机制。同时AHP蛋白在蛋白质组层面未被检测到，进一步说明其未参与该条件下的锰氧化过程。

综上，转录组与蛋白质组的整合应用，双重佐证在硝酸盐条件下，锰氧化关键酶MnxG和McoA的转录水平与蛋白表达量均显著上升，排除了单一组学可能存在的偏差，明确了其在锰氧化调控中的核心功能地位。

那么，mnxG和mcoA基因的表达是如何调控的呢？通过生物信息学分析，研究者的目光锁定了一个名为MnxS/MnxR的双组分调控系统。这是细菌中常见的一种信号传导系统，MnxS位于细胞膜上，充当“传感器”，负责感知外界环境（如氮源类型）。MnxR位于细胞内，充当“应答调节器”，接收来自MnxS的信号后，会直接去调控下游目标基因的开关。转录组数据证实，在硝酸盐条件下，mnxR基因本身也高度活跃。这意味着，MnxS/MnxR系统很可能就是连接“外界氮信号”与内部“锰氧化机器”启动之间的关键桥梁。

5.MnxR结构模型与DNA对接

图6 MnxR的结构建模与DNA对接分析

(a) MnxR的六聚体三维结构；(b) MnxR 的结构域分析；(c-d) MnxR与mnxG、mcoA启动子区的对接分析

为了证实以上猜想，研究者利用AlphaFold 3.0对蛋白质结构进行预测，并构建了MnxR三维模型（图6a）。模型显示，MnxR蛋白具有非常经典的结构特征——信号接收域用于接收传感器MnxS传来的磷酸化信号，ATP酶活性域以及C端的DNA结合域（图6b）。值得注意的是，C端结构域含有特征性的螺旋-转角-螺旋（HTH）基序，该基序有助于与DNA的大沟发生特异性结合，并介导序列特异性识别。进一步的分子对接模拟预测，MnxR蛋白能够紧密结合在mnxG和mcoA上游特定的DNA区域（图6c-d）。这些区域正是被转录起始因子σ??所识别的启动子部位。

综上，MnxR可通过DNA结合域特异性结合mnxG/mcoA启动子，是激活其转录的关键调控蛋白。

文章总结

特定的氮源信号（如硝酸盐）被膜传感器MnxS感知后，应答器MnxR被激活，进而MnxR形成六聚体，并结合到mnxG/mcoA启动子区域。随后σ??-RNA聚合酶复合体被招募，基因转录启动，大量锰氧化酶产生，最终实高效氧化锰离子。而当氮源是铵盐或其他不合适的信号时，这个调控通路不被激活，mnxG和mcoA保持沉默，锰氧化流程也就无法启动。

当硝酸盐等适宜氮源信号被膜传感器MnxS感知后，应答调控蛋白MnxR随之被激活并形成六聚体，进而特异性结合至mnxG与mcoA的启动子区域。随后，σ??-RNA聚合酶复合体被招募并启动基因转录，大量锰氧化酶（如MnxG、McoA）得以合成，最终实现Mn(II)的高效氧化。若氮源为不适宜信号，该调控通路则无法激活，同时mnxG与mcoA持续沉默，锰氧化过程随之受阻。