Nitrobacter — род , включающий палочковидные , грамотрицательные и хемоавтотрофные бактерии . [1] Название Nitrobacter происходит от латинского существительного среднего рода nitrum, nitri , alkalis; древнегреческого существительного βακτηρία, βακτηρίᾱς , палочка. Они неподвижны и размножаются почкованием или бинарным делением . [2] [3] Клетки Nitrobacter являются облигатными аэробами и имеют время удвоения около 13 часов. [1]
Nitrobacter играет важную роль в азотном цикле , окисляя нитрит в нитрат в почвенных и морских системах. [2] В отличие от растений , где перенос электронов в фотосинтезе обеспечивает энергию для фиксации углерода , Nitrobacter использует энергию от окисления ионов нитрита, NO 2 − , в ионы нитрата, NO 3 − , для удовлетворения своих энергетических потребностей. Nitrobacter фиксирует углекислый газ через цикл Кальвина для удовлетворения своих потребностей в углероде. [1] Nitrobacter принадлежит к классу Alphaproteobacteria из Pseudomonadota . [3] [4]
Nitrobacter — грамотрицательные бактерии, имеющие палочковидную, грушевидную или плеоморфную форму . [1] [2] Обычно они имеют ширину 0,5–0,9 мкм и длину 1,0–2,0 мкм и имеют внутрицитомембранную полярную шапку . [5] [2] Из-за присутствия цитохромов c они часто имеют желтый цвет в клеточных суспензиях. [5] Система окисления нитрата на мембранах является цитоплазматической . [2] Было показано, что клетки Nitrobacter восстанавливаются после экстремального воздействия углекислого газа и становятся неподвижными. [6] [5] [2]
Анализ последовательности 16s рРНК филогенетически помещает Nitrobacter в класс Alphaproteobacteria . Измерения парных эволюционных расстояний внутри рода низкие по сравнению с таковыми в других родах и составляют менее 1%. [6] Nitrobacter также тесно связаны с другими видами в пределах Alphaproteobacteria , включая фотосинтетическую Rhodopseudomonas palustris , корнеобразующие Bradyrhizobium japonicum и Blastobacter denitrificans , а также патогены человека Afipia felis и Afipia clevelandensis . [6] Предполагается, что бактерии в пределах рода Nitrobacter возникли во многих случаях от фотосинтетического предка, и для отдельных нитрифицирующих родов и видов есть доказательства того, что фенотип нитрификации развивался отдельно от того, который обнаружен у фотосинтетических бактерий. [6]
Все известные окисляющие нитрит прокариоты ограничены несколькими филогенетическими группами. Сюда входит род Nitrospira в пределах типа Nitrospirota [7] и род Nitrolancetus из типа Chloroflexota (ранее Chloroflexi). [8] До 2004 года считалось, что окисление нитрита происходит только в пределах Pseudomonadota; вполне вероятно, что дальнейшие научные исследования расширят список известных видов, окисляющих нитрит. [9] Низкое разнообразие видов, окисляющих окисление нитрита, контрастирует с другими процессами, связанными с азотным циклом в океане, такими как денитрификация и N-фиксация , где разнообразные таксоны выполняют аналогичные функции. [8]
Нитрификация является важнейшим компонентом азотного цикла, особенно в океанах. Производство нитрата (NO 3 − ) путем окисления нитрита (NO 2 − ) осуществляется путем нитрификации — процесса, который производит неорганический азот, который удовлетворяет большую часть потребностей морских кислородных фотосинтезирующих организмов, таких как фитопланктон , особенно в областях апвеллинга . По этой причине нитрификация поставляет большую часть азота, который подпитывает первичное производство планктона в мировых океанах. По оценкам, нитрификация является источником половины нитрата, потребляемого фитопланктоном во всем мире. [10] Фитопланктон вносит основной вклад в океаническое производство и, следовательно, важен для биологического насоса , который экспортирует углерод и другие твердые органические вещества из поверхностных вод мировых океанов. Процесс нитрификации имеет решающее значение для разделения переработанного производства от производства, ведущего к экспорту. Биологически метаболизированный азот возвращается в неорганический растворенный азотный пул в форме аммиака. Микробная нитрификация преобразует этот аммиак в нитрат, который впоследствии может быть поглощен фитопланктоном и переработан. [10]
Реакция окисления нитрита, осуществляемая бактерией Nitrobacter, выглядит следующим образом:
NO2 − + H2O → NO3 − + 2H + + 2e −
2H + + 2e − + ½O 2 → H 2 O [9]
Выход свободной энергии Гиббса для окисления нитрита составляет:
ΔG ο = -74 кДж моль −1 NO 2 −
В океанах бактерии, окисляющие нитрит, такие как Nitrobacter, обычно находятся в непосредственной близости от бактерий, окисляющих аммиак. [11] Эти две реакции вместе составляют процесс нитрификации. Реакция окисления нитрита, как правило, протекает быстрее в океанских водах и, следовательно, не является этапом, ограничивающим скорость нитрификации. По этой причине нитрит редко накапливается в океанских водах.
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 стадий 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] Это открытие поднимает вопросы об эволюционной способности Nitrobacter проводить только окисление нитрита.
Представители рода Nitrobacter используют нитрит в качестве источника электронов ( восстановитель ), нитрит в качестве источника энергии и CO 2 в качестве источника углерода. [11] Нитрит не является особенно благоприятным субстратом для получения энергии. Термодинамически окисление нитрита дает выход (∆G°′) всего -74 кДж моль −1 NO 2 − . [12] В результате Nitrobacter развил высокоспециализированный метаболизм для получения энергии из окисления нитрита.
Клетки рода Nitrobacter размножаются почкованием или бинарным делением. [5] [2] Карбоксисомы , которые способствуют фиксации углерода, обнаруживаются в литоавтотрофно и миксотрофно выращенных клетках. Дополнительные энергосберегающие включения — гранулы PHB и полифосфаты . Когда присутствуют как нитрит, так и органические вещества, клетки могут демонстрировать двухфазный рост: сначала используется нитрит, а после лаг-фазы окисляется органическое вещество. Рост хемоорганотрофов медленный и несбалансированный, поэтому наблюдается больше гранул поли-β-гидроксибутирата, которые искажают форму и размер клеток.
Фермент, ответственный за окисление нитрита до нитрата у представителей рода Nitrobacter, — это нитрит-оксидоредуктаза (NXR), которая кодируется геном nxrA . [14] NXR состоит из двух субъединиц и, вероятно, образует αβ-гетеродимер. [15] Фермент существует внутри клетки на специализированных мембранах в цитоплазме, которые могут быть свернуты в пузырьки или трубки. [15] Считается, что α-субъединица является местом окисления нитрита, а β-субъединица является электронным каналом от мембраны. [15] Направление реакции, катализируемой NXR, может быть изменено в зависимости от концентрации кислорода. [15] Участок гена nxrA , кодирующий β-субъединицу фермента NXR, по последовательности аналогичен железо-серным центрам бактериальных ферредоксинов и β-субъединице фермента нитратредуктазы, обнаруженного в Escherichia coli . [16]
Род Nitrobacter широко распространен как в водной, так и в наземной среде. [2] Нитрифицирующие бактерии имеют оптимальный рост между 77 и 86 °F (25 и 30 °C) и не могут выживать за пределами верхнего предела 120 °F (49 °C) или нижнего предела 32 °F (0 °C). [1] Это ограничивает их распространение, хотя они могут быть найдены в самых разных местах обитания. [1] Клетки рода Nitrobacter имеют оптимальный pH для роста между 7,3 и 7,5. [1] По словам Грундмана, Nitrobacter, по-видимому, оптимально растут при 38 °C и при pH 7,9, но Холт утверждает, что Nitrobacter оптимально растут при 28 °C и в диапазоне pH от 5,8 до 8,5, хотя у них есть оптимум pH между 7,6 и 7,8. [17] [3]
Основная экологическая роль представителей рода Nitrobacter заключается в окислении нитрита до нитрата, основного источника неорганического азота для растений. Эта роль также важна в аквапонике . [1] [18] Поскольку все представители рода Nitrobacter являются облигатными аэробами , кислород вместе с фосфором, как правило, являются факторами, ограничивающими их способность выполнять окисление нитрита. [1] Одним из основных воздействий нитрифицирующих бактерий, таких как окисляющие аммиак Nitrosomonas и окисляющие нитрит Nitrobacter, как в океанических, так и в наземных экосистемах является процесс эвтрофикации . [ 19]
Распределение и различия в скоростях нитрификации у разных видов Nitrobacter могут быть связаны с различиями в плазмидах между видами, как показывают данные, представленные в Schutt (1990), плазмидная ДНК, специфичная для среды обитания, была вызвана адаптацией для некоторых исследованных озер. [20] Последующее исследование, проведенное Navarro et al . (1995), показало, что различные популяции Nitrobacter несут две большие плазмиды. [19] В сочетании с исследованием Schutts (1990) Navarro et al. (1995) проиллюстрировали геномные особенности, которые могут играть решающую роль в определении распределения и экологического воздействия членов рода Nitrobacter . Нитрифицирующие бактерии в целом, как правило, менее многочисленны, чем их гетеротрофные аналоги, поскольку окислительные реакции, которые они выполняют, имеют низкий выход энергии, и большая часть их выработки энергии идет на фиксацию углерода, а не на рост и размножение. [1]
В 1890 году украинско - русский микробиолог Сергей Виноградский выделил первые чистые культуры нитрифицирующих бактерий , способных расти в отсутствие органического вещества и солнечного света . Исключение Виноградским органического материала при приготовлении его культур признано фактором, способствовавшим его успеху в выделении микробов (попытки выделить чистые культуры затруднены из-за тенденции гетеротрофных организмов захватывать пластины с любым присутствием органического материала [21] ). [22] В 1891 году английский химик Роберт Уорингтон предложил двухступенчатый механизм нитрификации , опосредованный двумя различными родами бактерий. Первая предложенная стадия заключалась в превращении аммиака в нитрит, а вторая - в окислении нитрита в нитрат. [23] Виноградский назвал бактерию, ответственную за окисление нитрита в нитрат, Nitrobacter в своем последующем исследовании микробной нитрификации в 1892 году. [24] Уинслоу и др . предложили типовой вид Nitrobacter winogradsky в 1917 году. [25] Вид был официально признан в 1980 году. [26]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )