La nitrificazione in natura è un processo di ossidazione in due fasi dell’ammonio (NH4+) o dell’ammoniaca (NH3) a nitrito (NO2-) e poi a nitrato (NO3-) catalizzato da due gruppi batterici onnipresenti che crescono insieme. La prima reazione è l’ossidazione dell’ammonio a nitrito da parte dei batteri ossidanti dell’ammoniaca (AOB) rappresentati da membri dei Betaproteobatteri e Gammaproetobatteri. Altri organismi in grado di ossidare l’ammoniaca sono gli Archaea (AOA).

La seconda reazione è l’ossidazione del nitrito (NO2-) a nitrato da parte dei batteri ossidanti i nitriti (NOB), rappresentati dai membri di Nitrospinae, Nitrospirae, Proteobacteria e Chloroflexi.

Questo processo a due fasi fu descritto già nel 1890 dal microbiologo russo Sergei Winogradsky.

L’ammoniaca può anche essere ossidata completamente a nitrato da un batterio comammox.

Prima fase della nitrificazione – meccanismo molecolareEdit

Figura 1. Meccanismo molecolare dell’ossidazione dell’ammonio da parte di AOB

L’ossidazione dell’ammoniaca nella nitrificazione autotrofica è un processo complesso che richiede diversi enzimi, proteine e presenza di ossigeno. Gli enzimi chiave necessari per ottenere energia durante l’ossidazione dell’ammoniaca a nitrito sono l’ammoniaca monoossigenasi (AMO) e l’idrossilammina ossidoreduttasi (HAO). La prima è una proteina transmembrana di rame che catalizza l’ossidazione dell’ammoniaca a idrossilammina (1.1) prendendo due elettroni direttamente dal pool di chinoni. Questa reazione richiede O2.

Il secondo passo di questo processo è recentemente caduto in discussione.

Negli ultimi decenni, l’opinione comune era che un multiemio trimerico di tipo c HAO converte l’idrossilammina in nitrito nel periplasma con produzione di quattro elettroni (1.2). Il flusso di quattro elettroni viene incanalato attraverso il citocromo c554 verso un citocromo c552 legato alla membrana. Due degli elettroni sono reindirizzati all’AMO, dove sono usati per l’ossidazione dell’ammoniaca (pool di chinolo). I due elettroni rimanenti sono usati per generare una forza motrice protonica e ridurre NAD(P) attraverso il trasporto elettronico inverso.

Recenti risultati, tuttavia, mostrano che HAO non produce nitrito come prodotto diretto della catalisi. Questo enzima produce invece ossido nitrico e tre elettroni. L’ossido nitrico può poi essere ossidato da altri enzimi (o dall’ossigeno) a nitrito. In questo paradigma, il bilancio di elettroni per il metabolismo generale deve essere riconsiderato.

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)

Secondo passo della nitrificazione – meccanismo molecolareEdit

Il nitrito prodotto nel primo passo della nitrificazione autotrofica è ossidato a nitrato dalla nitrito ossidoreduttasi (NXR)(2). Si tratta di una molibdoproteina ferro-zolfo associata alla membrana, e fa parte di una catena di trasferimento di elettroni che convoglia gli elettroni dal nitrito all’ossigeno molecolare. I meccanismi enzimatici coinvolti nei batteri che ossidano i nitriti sono meno descritti di quelli dell’ossidazione dell’ammonio. Recenti ricerche (ad esempio Woźnica A. et al., 2013) propongono un nuovo modello ipotetico della catena di trasporto degli elettroni NOB e dei meccanismi NXR (Figura 2.). In contrasto con i modelli precedenti, il NXR agisce all’esterno della membrana plasmatica, contribuendo direttamente al meccanismo postulato da Spieck e colleghi di generazione del gradiente protonico. Tuttavia, il meccanismo molecolare dell’ossidazione dei nitriti è una questione aperta.

NO-
2 + H
2O → NO-
3 + 2H+ + 2e- (2)

Comammox bacteriaEdit

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Caratteristica dei batteri nitrificantiModifica

Batteri nitrificanti che ossidano l’ammoniaca Modifica

Batteri nitrificanti che ossidano i nitriti Modifica

Batteri ComammoxEdit