Die Nitrifikation in der Natur ist ein zweistufiger Oxidationsprozess von Ammonium (NH4+) oder Ammoniak (NH3) zu Nitrit (NO2-) und dann zu Nitrat (NO3-), der von zwei ubiquitär vorkommenden Bakteriengruppen katalysiert wird, die zusammen wachsen. Die erste Reaktion ist die Oxidation von Ammonium zu Nitrit durch ammoniakoxidierende Bakterien (AOB), die durch Mitglieder der Betaproteobakterien und Gammaproetobakterien vertreten sind. Weitere Organismen, die in der Lage sind, Ammoniak zu oxidieren, sind Archaea (AOA).

Die zweite Reaktion ist die Oxidation von Nitrit (NO2-) zu Nitrat durch Nitrit-oxidierende Bakterien (NOB), vertreten durch Mitglieder der Nitrospinae, Nitrospirae, Proteobacteria und Chloroflexi.

Dieser zweistufige Prozess wurde bereits 1890 von dem russischen Mikrobiologen Sergei Winogradsky beschrieben.

Ammoniak kann auch durch ein Comammox-Bakterium vollständig zu Nitrat oxidiert werden.

Erster Schritt der Nitrifikation – molekularer MechanismusEdit

Abbildung 1. Molekularer Mechanismus der Ammoniumoxidation durch AOB

Die Ammoniumoxidation bei der autotrophen Nitrifikation ist ein komplexer Prozess, der mehrere Enzyme, Proteine und die Anwesenheit von Sauerstoff erfordert. Die Schlüsselenzyme, die für die Energiegewinnung bei der Oxidation von Ammoniak zu Nitrit notwendig sind, sind die Ammoniak-Monooxygenase (AMO) und die Hydroxylamin-Oxidoreduktase (HAO). Erstere ist ein transmembranes Kupferprotein, das die Oxidation von Ammoniak zu Hydroxylamin (1.1) katalysiert und dabei zwei Elektronen direkt aus dem Chinon-Pool entnimmt. Für diese Reaktion wird O2 benötigt.

Der zweite Schritt dieses Prozesses ist in letzter Zeit in Frage gestellt worden.

In den letzten Jahrzehnten war die gängige Meinung, dass ein trimeres multihemeres c-Typ HAO Hydroxylamin im Periplasma unter Gewinnung von vier Elektronen in Nitrit umwandelt (1.2). Der Strom von vier Elektronen wird durch Cytochrom c554 zu einem membrangebundenen Cytochrom c552 geleitet. Zwei der Elektronen werden zurück zu AMO geleitet, wo sie für die Oxidation von Ammoniak (Chinol-Pool) verwendet werden. Die verbleibenden zwei Elektronen werden zur Erzeugung einer Protonenantriebskraft und zur Reduktion von NAD(P) durch umgekehrten Elektronentransport verwendet.

Neue Ergebnisse zeigen jedoch, dass HAO kein Nitrit als direktes Produkt der Katalyse produziert. Stattdessen produziert das Enzym Stickstoffmonoxid und drei Elektronen. Stickstoffmonoxid kann dann durch andere Enzyme (oder Sauerstoff) zu Nitrit oxidiert werden. In diesem Paradigma muss die Elektronenbilanz des gesamten Stoffwechsels neu überdacht werden.

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)

Zweiter Schritt der Nitrifikation – molekularer MechanismusEdit

Nitrit, das im ersten Schritt der autotrophen Nitrifikation gebildet wird, wird durch Nitrit-Oxidoreduktase (NXR)(2) zu Nitrat oxidiert. Es handelt sich um ein membranassoziiertes Eisen-Schwefel-Molybdoprotein, das Teil einer Elektronentransferkette ist, die Elektronen von Nitrit zu molekularem Sauerstoff leitet. Die enzymatischen Mechanismen, die bei nitritoxidierenden Bakterien eine Rolle spielen, sind weniger gut beschrieben als die der Ammoniumoxidation. Neuere Forschungen (z. B. Woźnica A. et al., 2013) schlagen ein neues hypothetisches Modell der Elektronentransportkette von NOB und der NXR-Mechanismen vor (Abbildung 2). Im Gegensatz zu früheren Modellen wirkt der NXR an der Außenseite der Plasmamembran und trägt direkt zu dem von Spieck und Mitarbeitern postulierten Mechanismus der Erzeugung eines Protonengradienten bei. Dennoch ist der molekulare Mechanismus der Nitritoxidation eine offene Frage.

NO-
2 + H
2O → NO-
3 + 2H+ + 2e- (2)

Comammox BakterienBearbeiten

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Merkmal nitrifizierender BakterienBearbeiten

Nitrifizierende Bakterien, die Ammoniak oxidierenBearbeiten

Nitrifizierende Bakterien, die Nitrit oxidieren Bearbeiten

Comammox-BakterienEdit