Нитрифицирующие бактерии — это хемолитотрофные организмы, включающие виды таких родов, как Nitrosomonas , Nitrosococcus , Nitrobacter , Nitrospina , Nitrospira и Nitrococcus . Эти бактерии получают энергию от окисления неорганических соединений азота . [1] Типы включают аммиакоокисляющие бактерии ( AOB ) и нитритоокисляющие бактерии ( NOB ). Многие виды нитрифицирующих бактерий имеют сложные внутренние мембранные системы, которые являются местом расположения ключевых ферментов нитрификации : аммиачно-монооксигеназа ( которая окисляет аммиак до гидроксиламина ), гидроксиламиноксидоредуктаза (которая окисляет гидроксиламин до оксида азота , который далее окисляется до нитрита в настоящее время не идентифицированным ферментом) и нитритоксидоредуктаза (которая окисляет нитрит до нитрата ). [2]
Нитрифицирующие бактерии представлены в различных таксономических группах и встречаются в наибольшем количестве там, где присутствуют значительные количества аммиака (например, в районах с обширным разложением белка и на очистных сооружениях сточных вод). [3] Нитрифицирующие бактерии процветают в озерах, ручьях и реках с высоким содержанием сточных вод, сточных вод и пресной воды из-за высокого содержания аммиака.
Нитрификация в природе представляет собой двухэтапный процесс окисления аммония ( NH+4) или аммиак ( NH 3 ) в нитрит ( NO−2) и затем нитрат ( NO−3) катализируется двумя вездесущими бактериальными группами, растущими вместе. Первая реакция - окисление аммония до нитрита бактериями, окисляющими аммиак (AOB), представленными членами Betaproteobacteria и Gammaproteobacteria . Другие организмы, способные окислять аммиак, - это Archaea ( AOA ). [4]
Вторая реакция — окисление нитрита ( NO−2) к нитрату нитрит-окисляющими бактериями (НОБ), представленными представителями Nitrospinota , Nitrospirota , Pseudomonadota и Chloroflexota . [5] [6]
Этот двухэтапный процесс был описан еще в 1890 году украинским микробиологом Сергеем Виноградским .
Аммиак также может быть полностью окислен до нитрата одной бактерией комаммокс .
Окисление аммиака при автотрофной нитрификации — сложный процесс, требующий нескольких ферментов , а также кислорода в качестве реагента. Ключевыми ферментами, необходимыми для высвобождения энергии при окислении аммиака до нитрита, являются аммиачная монооксигеназа (АМО) и гидроксиламиноксидоредуктаза (ГАО). Первый — это трансмембранный медный белок, который катализирует окисление аммиака до гидроксиламина ( 1.1 ), забирая два электрона непосредственно из пула хинонов. Для этой реакции требуется O 2 .
Второй этап этого процесса недавно был поставлен под сомнение. [7] В течение последних нескольких десятилетий общепринятым было мнение, что тримерный мультигемовый HAO c-типа преобразует гидроксиламин в нитрит в периплазме с образованием четырех электронов ( 1.2 ). Поток из четырех электронов направляется через цитохром c 554 в связанный с мембраной цитохром c 552. Два из электронов направляются обратно в AMO, где они используются для окисления аммиака (пул хинола). Оставшиеся два электрона используются для создания движущей силы протона и восстановления NAD(P) посредством обратного транспорта электронов. [8]
Однако недавние результаты показывают, что HAO не производит нитрит как прямой продукт катализа. Вместо этого этот фермент производит оксид азота и три электрона. Затем оксид азота может быть окислен другими ферментами (или кислородом) до нитрита. В этой парадигме электронный баланс для общего метаболизма должен быть пересмотрен. [7]
Нитрит, образующийся на первом этапе автотрофной нитрификации, окисляется до нитрата нитрит-оксидоредуктазой (NXR) ( 2 ). Это связанный с мембраной железо-серный молибдопротеин, который является частью цепи переноса электронов, которая направляет электроны от нитрита к молекулярному кислороду. [ необходима цитата ] Ферментативные механизмы, участвующие в нитрит-окисляющих бактериях, описаны меньше, чем механизмы окисления аммония. Недавние исследования (например, Woźnica A. et al., 2013) [9] предлагают новую гипотетическую модель цепи переноса электронов NOB и механизмов NXR. Здесь, в отличие от более ранних моделей, [10] NXR будет действовать на внешней стороне плазматической мембраны и напрямую способствовать механизму генерации протонного градиента, как постулировали Шпик [11] и его коллеги. Тем не менее, молекулярный механизм окисления нитрита остается открытым вопросом.
Двухэтапное превращение аммиака в нитрат, наблюдаемое у бактерий, окисляющих аммиак, архей, окисляющих аммиак, и бактерий, окисляющих нитрит (таких как Nitrobacter ), озадачивает исследователей. [12] [13] Полная нитрификация, превращение аммиака в нитрат за один этап, известное как комаммокс , имеет энергетический выход (∆G°′) −349 кДж моль −1 NH 3 , в то время как энергетические выходы для этапов окисления аммиака и окисления нитрита наблюдаемой двухэтапной реакции составляют −275 кДж моль −1 NH 3 и −74 кДж моль −1 NO 2 − соответственно. [12] Эти значения указывают на то, что для организма было бы энергетически выгодно провести полную нитрификацию от аммиака до нитрата ( комаммокс ), а не проводить только один из двух этапов. Эволюционная мотивация для разъединенной двухэтапной реакции нитрификации является областью текущих исследований. В 2015 году было обнаружено, что вид Nitrospira inopinata обладает всеми ферментами, необходимыми для проведения полной нитрификации за один этап, что предполагает, что эта реакция действительно происходит. [12] [13]