Нитрифицирующие бактерии — хемолитотрофные 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]
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.
Нитрификация в природе представляет собой двухстадийный процесс окисления аммония ( NH+4) или аммиака ( NH 3 ) в нитрит ( NO−2), а затем нитратировать ( NO−3), 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 ( NO−2) 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.
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]
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.
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]