Nitrifikation i naturen er en totrins oxidationsproces af ammonium (NH4+) eller ammoniak (NH3) til nitrit (NO2-) og derefter til nitrat (NO3-), som katalyseres af to allestedsnærværende bakteriegrupper, der vokser sammen. Den første reaktion er oxidation af ammonium til nitrit af ammoniakoxiderende bakterier (AOB), der er repræsenteret af medlemmer af Betaproteobacteria og Gammaproetobacteria. Andre organismer, der er i stand til at oxidere ammoniak, er Archaea (AOA).

Den anden reaktion er oxidation af nitrit (NO2-) til nitrat af nitrit-oxiderende bakterier (NOB), repræsenteret af medlemmer af Nitrospinae, Nitrospirae, Proteobacteria og Chloroflexi.

Denne totrinsproces blev beskrevet allerede i 1890 af den russiske mikrobiolog Sergei Winogradsky.

Ammoniak kan også oxideres fuldstændigt til nitrat af en comammox-bakterie.

Første trin nitrifikation – molekylær mekanismeRediger

Figur 1. Molekylær mekanisme for ammoniumoxidation ved AOB

Ammoniakoxidation i autotrof nitrifikation er en kompleks proces, der kræver flere enzymer, proteiner og tilstedeværelse af ilt. De centrale enzymer, der er nødvendige for at opnå energi under oxidation af ammoniak til nitrit, er ammoniakmonooxygenase (AMO) og hydroxylamin oxidoreduktase (HAO). Det første er et transmembran kobberprotein, som katalyserer oxidationen af ammoniak til hydroxylamin (1.1), idet det tager to elektroner direkte fra quinonpuljen. Denne reaktion kræver O2.

Det andet trin i denne proces er der for nylig blevet sat spørgsmålstegn ved.

I de sidste par årtier har den almindelige opfattelse været, at et trimerisk multiheme c-type HAO omdanner hydroxylamin til nitrit i periplasmaet med produktion af fire elektroner (1.2). Strømmen af fire elektroner kanaliseres gennem cytochrom c554 til et membranbundet cytochrom c552. To af elektronerne ledes tilbage til AMO, hvor de anvendes til oxidation af ammoniak (quinolpulje). De resterende to elektroner bruges til at generere en protonmotivationskraft og reducere NAD(P) gennem omvendt elektrontransport.

Nyere resultater viser imidlertid, at HAO ikke producerer nitrit som et direkte produkt af katalysen. Dette enzym producerer i stedet nitrogenoxid og tre elektroner. Nitrogenoxid kan derefter oxideres af andre enzymer (eller ilt) til nitrit. I dette paradigme skal elektronbalancen for den samlede metabolisme genovervejes.

NH3 + O2 → NO-
2 + 3H+ + 2e- (1) NH3 + O2 + 2H+ + 2e- → NH2OH + H
2O (1.1) NH2OH + H
2O → NO-
2 + 5H+ + 4e- (1.2)

Nitrifikation i andet trin – molekylær mekanismeRediger

Nitrit produceret i første trin af autotrof nitrifikation oxideres til nitrat af nitritoxidoreduktase (NXR)(2). Det er et membranassocieret jern-svovl-molybdoprotein og er en del af en elektronoverførselskæde, der kanaliserer elektroner fra nitrit til molekylær oxygen. De enzymatiske mekanismer, der er involveret i nitrit-oxiderende bakterier, er mindre velbeskrevne end dem, der er involveret i ammoniumoxidation. Nyere forskning (f.eks. Woźnica A. et al., 2013) foreslår en ny hypotetisk model for NOB’s elektrontransportkæde og NXR-mekanismer (figur 2.). I modsætning til tidligere modeller virker NXR på ydersiden af plasmamembranen og bidrager direkte til den af Spieck og kolleger postulerede mekanisme for protongradientgenerering. Ikke desto mindre er den molekylære mekanisme for nitritoxidation et åbent spørgsmål.

NO-
2 + H
2O → NO-
3 + 2H+ + 2e- (2)

Comammox-bakterierRediger

Hovedside: commamox

Karakteristik af nitrifikationsbakterierRediger

Nitrifikationsbakterier, der oxiderer ammoniak Rediger

Nitrificerende bakterier, der oxiderer nitrit Rediger

Comammox-bakterierRediger