Nitrifikaatio luonnossa on kaksivaiheinen ammoniumin (NH4+) tai ammoniakin (NH3) hapettumisprosessi nitriitiksi (NO2-) ja sen jälkeen nitraatiksi (NO3-), jota katalysoivat kaksi kaikkialla esiintyvää bakteeriryhmää. Ensimmäisessä reaktiossa ammonium hapettuu nitriitiksi ammoniakkia hapettavien bakteerien (AOB) toimesta, joita edustavat Betaproteobakteerit ja Gammaproetobakteerit. Muita organismeja, jotka kykenevät hapettamaan ammoniakkia, ovat arkeologiset bakteerit (AOA).

Toinen reaktio on nitriitin (NO2-) hapettuminen nitraatiksi nitriittiä hapettavien bakteerien (NOB) toimesta, joita edustavat Nitrospinae-, Nitrospirae-, Proteobacteria- ja Chloroflexi-bakteerien jäsenet.

Venäläinen mikrobiologi Sergei Winogradsky kuvasi tämän kaksivaiheisen prosessin jo vuonna 1890.

Ammoniakki voidaan myös hapettaa kokonaan nitraatiksi yhden komammox-bakteerin toimesta.

Ensimmäisen vaiheen nitrifikaatio – molekulaarinen mekanismiEditio

kuva 1. Ammoniumin hapettumisen molekyylimekanismi AOB:n avulla

Ammoniakin hapettuminen autotrofisessa nitrifikaatiossa on monimutkainen prosessi, joka vaatii useita entsyymejä, proteiineja ja hapen läsnäoloa. Keskeiset entsyymit, joita tarvitaan energian saamiseksi ammoniakin hapettuessa nitriitiksi, ovat ammoniakkimonooksygenaasi (AMO) ja hydroksyyliamiinioksidoreduktaasi (HAO). Ensimmäinen on transmembraaninen kupariproteiini, joka katalysoi ammoniakin hapettumista hydroksyyliamiiniksi (1.1) ottamalla kaksi elektronia suoraan kinonivarastosta. Tämä reaktio vaatii O2:ta.

Tämän prosessin toinen vaihe on viime aikoina asetettu kyseenalaiseksi.

Viime vuosikymmenien ajan yleinen näkemys oli, että trimeerinen monikeeminen c-tyypin HAO muuttaa hydroksyyliamiinin nitriitiksi periplasmassa tuottaen neljä elektronia (1.2). Neljän elektronin virta kanavoituu sytokromi c554:n kautta kalvoon sidottuun sytokromi c552:een. Kaksi elektroneista ohjataan takaisin AMO:lle, jossa ne käytetään ammoniakin hapettamiseen (kinoliallas). Loput kaksi elektronia käytetään protonimoottorivoiman tuottamiseen ja NAD(P):n pelkistämiseen käänteisen elektroninsiirron avulla.

Uudemmat tulokset osoittavat kuitenkin, että HAO ei tuota nitriittiä katalyysin suorana tuotteena. Sen sijaan tämä entsyymi tuottaa typpioksidia ja kolme elektronia. Typpioksidi voidaan sitten hapettaa muiden entsyymien (tai hapen) toimesta nitriitiksi. Tässä paradigmassa koko aineenvaihdunnan elektronitasapainoa on harkittava uudelleen.

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)

Toisen vaiheen nitrifikaatio – molekyylimekanismiEdit

Autotrofisen nitrifikaation ensimmäisessä vaiheessa tuotettu nitriitti hapetetaan nitriitiksi nitriittioksidoreduktaasin (NXR)(2) avulla. Se on membraaniin assosioitunut rauta-rikki-molybdoproteiini, ja se on osa elektroninsiirtoketjua, joka kanavoi elektroneja nitriitistä molekulaariseen happiin. Nitriittiä hapettavien bakteerien entsymaattisia mekanismeja on kuvattu vähemmän kuin ammoniumin hapettumista. Viimeaikaisissa tutkimuksissa (esim. Woźnica A. et al., 2013) ehdotetaan uutta hypoteettista mallia NOB:n elektroninsiirtoketjusta ja NXR-mekanismeista (kuva 2.). Aiemmista malleista poiketen NXR toimii plasmakalvon ulkopuolella, mikä vaikuttaa suoraan Spieckin ja työtovereiden postuloimaan protonigradientin syntymekanismiin. Nitriitin hapettumisen molekyylimekanismi on kuitenkin avoin kysymys.

NO-
2 + H
2O → NO-
3 + 2H+ + 2e- (2)

Comammox-bakteeritEdit

Pääsivu: commamox

Nitrifioivien bakteerien ominaisuusEdit

Nitrifioivat bakteerit, jotka hapettavat ammoniakkia Edit

Nitriittiä hapettavat nitrifioivat bakteerit Muokkaa

Comammox-bakteeritEdit