stringtranslate.com

Нитрифицирующие бактерии

Нитрифицирующие бактериихемолитотрофные организмы, включающие такие виды, как Nitrosomonas , Nitrosococcus , Nitrobacter , Nitrospina , Nitrospira и Nitrococcus . Эти бактерии получают энергию от окисления неорганических соединений азота . [1] Типы включают бактерии, окисляющие аммиак ( AOB ) и бактерии, окисляющие нитрит ( NOB ). Многие виды нитрифицирующих бактерий имеют сложные внутренние мембранные системы, которые являются местом расположения ключевых ферментов нитрификации : аммиакмонооксигеназа (которая окисляет аммиак до гидроксиламина ), гидроксиламиноксидоредуктаза (которая окисляет гидроксиламин до оксида азота , который далее окисляется до нитрита под действием в настоящее время неопознанного вещества). фермент) и нитритоксидоредуктаза (которая окисляет нитрит в нитрат ). [2]

Экология

Нитрифицирующие бактерии представлены в отдельных таксономических группах и в наибольшем количестве встречаются там, где присутствуют значительные количества аммиака (например, в районах с обширным разложением белка и на очистных сооружениях). [3] Нитрифицирующие бактерии процветают в озерах, ручьях и реках с большим количеством сточных, сточных и пресных вод из-за высокого содержания аммиака.

Окисление аммиака до нитрата

Нитрификация в природе представляет собой двухстадийный процесс окисления аммония ( NH+4) или аммиака ( NH 3 ) в нитрит ( NO2), а затем нитратировать ( NO3), катализируемый двумя вездесущими бактериальными группами, растущими вместе. Первая реакция — окисление аммония до нитрита бактериями, окисляющими аммиак (АОБ), представленными представителями бетапротеобактерий и гаммапротеобактерий . Другими организмами, способными окислять аммиак, являются археи ( АОА ). [4]

Вторая реакция – окисление нитрита ( NO2) к нитратам нитритокисляющими бактериями (НОБ), представленными представителями Nitrospinota , Nitrospirota , Pseudomonadota и Chloroflexota . [5] [6]

Этот двухэтапный процесс описал еще в 1890 году украинский микробиолог Сергей Виноградский .

Аммиак также может быть полностью окислен до нитрата одной комаммокс- бактерией.

Механизм превращения аммиака в нитрит

Молекулярный механизм окисления аммония АОБ

Окисление аммиака при автотрофной нитрификации — сложный процесс, требующий участия нескольких ферментов , а также кислорода в качестве реагента. Ключевыми ферментами, необходимыми для высвобождения энергии при окислении аммиака в нитрит, являются аммиакмонооксигеназа (АМО) и гидроксиламиноксидоредуктаза (ГАО). Первый представляет собой трансмембранный медный белок, который катализирует окисление аммиака до гидроксиламина ( 1.1 ), забирая два электрона непосредственно из хинонового пула. Для этой реакции требуется O 2 .

Второй этап этого процесса недавно оказался под вопросом. [7] В течение последних нескольких десятилетий общепринятым было мнение, что тримерный мультигем HAO c-типа превращает гидроксиламин в нитрит в периплазме с образованием четырех электронов ( 1.2 ). Поток четырех электронов направляется через цитохром c 554 к мембраносвязанному цитохрому c 552 . Два электрона направляются обратно в АМО, где они используются для окисления аммиака (хиноловый пул). Оставшиеся два электрона используются для создания движущей силы протонов и восстановления НАД(Ф) посредством обратного транспорта электронов. [8]

Однако недавние результаты показывают, что ГАО не производит нитриты как прямой продукт катализа. Вместо этого этот фермент производит оксид азота и три электрона. Оксид азота затем может быть окислен другими ферментами (или кислородом) до нитрита. В этой парадигме необходимо пересмотреть электронный баланс общего метаболизма. [7]

Нитритно-нитратный механизм

Нитрит, образующийся на первом этапе автотрофной нитрификации, окисляется до нитрата нитритоксидоредуктазой (NXR) ( 2 ). Это связанный с мембраной железо-серо-молибдо-белок, который является частью цепи переноса электронов, которая направляет электроны от нитрита к молекулярному кислороду. [ нужна цитация ] Ферментативные механизмы, участвующие в нитрит-окисляющих бактериях, менее описаны, чем механизмы окисления аммония. Недавние исследования (например, Возница А. и др., 2013) [9] предлагают новую гипотетическую модель цепи переноса электронов NOB и механизмов NXR. Здесь, в отличие от более ранних моделей, [10] NXR будет действовать снаружи плазматической мембраны и напрямую способствовать механизму генерации протонного градиента, как постулировал Спик [11] и его коллеги. Тем не менее молекулярный механизм окисления нитритов остается открытым вопросом.

Комаммокс бактерии

Двухэтапное превращение аммиака в нитрат, наблюдаемое у бактерий, окисляющих аммиак, архей и бактерий, окисляющих нитрит (таких как Nitrobacter ), озадачивает исследователей. [12] [13] Полная нитрификация, превращение аммиака в нитрат за одну стадию, известную как comammox , имеет энергетический выход (∆G°') -349 кДж моль -1 NH 3 , в то время как энергетический выход аммиака Стадии -окисления и окисления нитрита наблюдаемой двухстадийной реакции составляют -275 кДж моль -1 NH 3 и -74 кДж моль -1 NO 2 - соответственно. [12] Эти значения указывают на то, что организму было бы энергетически выгодно провести полную нитрификацию из аммиака в нитрат ( комаммокс ), а не проводить только один из двух этапов. Эволюционная мотивация несвязанной двухэтапной реакции нитрификации является областью продолжающихся исследований. В 2015 году было обнаружено, что вид Nitrospira inopinata обладает всеми ферментами, необходимыми для проведения полной нитрификации за один этап, что позволяет предположить, что эта реакция действительно происходит. [12] [13]

Таблица характеристик

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Манчинелли Р.Л. (1996). «Природа азота: обзор». Жизнеобеспечение и биосферные науки: Международный журнал земного космоса . 3 (1–2): 17–24. ПМИД  11539154.
  2. ^ Кайперс, МММ; Марчант, Гонконг; Картал, Б (2011). «Микробная сеть круговорота азота». Обзоры природы Микробиология . 1 (1): 1–14. дои : 10.1038/nrmicro.2018.9. hdl : 21.11116/0000-0003-B828-1 . PMID  29398704. S2CID  3948918.
  3. ^ Бельсер Л.В. (1979). «Популяционная экология нитрифицирующих бактерий». Анну. Преподобный Микробиол . 33 : 309–333. дои : 10.1146/annurev.mi.33.100179.001521. ПМИД  386925.
  4. ^ Коннеке, Мартин; Бернхард, Энн Э.; де ла Торре, Хосе Р.; Уокер, Кристофер Б.; Уотербери, Джон Б.; Шталь, Дэвид А. (сентябрь 2005 г.). «Выделение автотрофного морского архея, окисляющего аммиак». Природа . 437 (7058): 543–546. Бибкод : 2005Natur.437..543K. дои : 10.1038/nature03911. ISSN  1476-4687. PMID  16177789. S2CID  4340386.
  5. ^ abc Шехтер М. «Энциклопедия микробиологии», AP, Амстердам, 2009 г.
  6. ^ Уорд BB (1996). «Нитрификация и аммонификация в водных системах». Жизнеобеспечение и биосферные науки: Международный журнал земного космоса . 3 (1–2): 25–9. ПМИД  11539155.
  7. ^ аб Каранто, Джонатан Д.; Ланкастер, Кайл М. (17 июля 2017 г.). «Оксид азота является облигатным промежуточным продуктом бактериальной нитрификации, продуцируемым гидроксиламиноксидоредуктазой». Труды Национальной академии наук . 114 (31): 8217–8222. Бибкод : 2017PNAS..114.8217C. дои : 10.1073/pnas.1704504114 . ISSN  0027-8424. ПМЦ 5547625 . ПМИД  28716929. 
  8. ^ Бён Хон Ким; Джеффри Майкл Гэдд (2008). Бактериальная физиология и метаболизм . Издательство Кембриджского университета.
  9. ^ Возница А. и др. (2013). «Стимулирующее действие ксенобиотиков на окислительный транспорт электронов хемолитотрофных нитрифицирующих бактерий, используемых в качестве биочувствительного элемента». ПЛОС ОДИН . 8 (1). е53484. Бибкод : 2013PLoSO...853484W. дои : 10.1371/journal.pone.0053484 . ПМЦ 3541135 . ПМИД  23326438. 
  10. ^ Фергюсон С.Дж., Николлс Д.Г. (2002). Биоэнергетика III . Академическая пресса.
  11. ^ Спик Э. и др. (1998). «Выделение и иммуноцитохимическая локализация нитрит-окисляющей системы у Nitrospira moscoviensis». Арка Микробиол . 169 (3): 225–230. дои : 10.1007/s002030050565. PMID  9477257. S2CID  21868756.
  12. ^ abc Даймс, Хольгер; Лебедева Елена Владимировна; Пьевац, Петра; Хан, Пинг; Гербольд, Крейг; Альбертсен, Мэдс; Йемлих, Нико; Палатинский, Мартон; Фиерхайлиг, Юлия (24 декабря 2015 г.). «Полная нитрификация бактериями Nitrospira». Природа . 528 (7583): 504–509. Бибкод : 2015Natur.528..504D. дои : 10.1038/nature16461. ISSN  0028-0836. ПМК 5152751 . ПМИД  26610024. 
  13. ^ Аб ван Кессель, Маартье AHJ; Спет, Даан Р.; Альбертсен, Мэдс; Нильсен, Пер Х.; Оп ден Кэмп, Хууб Дж.М.; Картал, Боран; Джеттен, Майк С.М.; Люкер, Себастьян (24 декабря 2015 г.). «Полная нитрификация одним микроорганизмом». Природа . 528 (7583): 555–559. Бибкод : 2015Natur.528..555V. дои : 10.1038/nature16459. ISSN  0028-0836. ПМЦ 4878690 . ПМИД  26610025. 
  14. ^ аб Майкл Х. Джерарди (2002). Нитрификация и денитрификация в процессе активного ила . Джон Уайли и сыновья.
  15. ^ Даймс, Хольгер; Лебедева Елена Владимировна; Пьевац, Петра; Хан, Пинг; Гербольд, Крейг; Альбертсен, Мэдс; Йемлих, Нико; Палатинский, Мартон; Фиерхейлиг, Юлия; Булаев, Александр; Киркегор, Расмус Х. (декабрь 2015 г.). «Полная нитрификация бактериями Nitrospira». Природа . 528 (7583): 504–509. Бибкод : 2015Natur.528..504D. дои : 10.1038/nature16461. ISSN  1476-4687. ПМК 5152751 . ПМИД  26610024. 
  16. ^ ван Кессель, Маартье AHJ; Спет, Даан Р.; Альбертсен, Мэдс; Нильсен, Пер Х.; Оп ден Кэмп, Хууб Дж.М.; Картал, Боран; Джеттен, Майк С.М.; Люкер, Себастьян (декабрь 2015 г.). «Полная нитрификация одним микроорганизмом». Природа . 528 (7583): 555–559. Бибкод : 2015Natur.528..555V. дои : 10.1038/nature16459. ISSN  1476-4687. ПМЦ 4878690 . ПМИД  26610025. 
  17. ^ Китс, К. Дмитрий; Седлачек, Кристофер Дж.; Лебедева Елена Владимировна; Хан, Пинг; Булаев, Александр; Пьевац, Петра; Дебелер, Энн; Романо, Стефано; Альбертсен, Мэдс; Штейн, Лиза Ю.; Даймс, Хольгер (сентябрь 2017 г.). «Кинетический анализ полного нитрификатора показывает олиготрофный образ жизни». Природа . 549 (7671): 269–272. Бибкод : 2017Natur.549..269K. дои : 10.1038/nature23679. ISSN  1476-4687. ПМК 5600814 . ПМИД  28847001.