Nitrificatie in de natuur is een oxidatieproces in twee stappen van ammonium (NH4+) of ammoniak (NH3) tot nitriet (NO2-) en vervolgens tot nitraat (NO3-), gekatalyseerd door twee alomtegenwoordige bacteriegroepen die samen groeien. De eerste reactie is de oxidatie van ammonium tot nitriet door ammoniakoxiderende bacteriën (AOB), vertegenwoordigd door leden van de Betaproteobacteria en de Gammaproetobacteria. Andere organismen die ammoniak kunnen oxideren zijn Archaea (AOA).

De tweede reactie is de oxidatie van nitriet (NO2-) tot nitraat door nitriet-oxiderende bacteriën (NOB), vertegenwoordigd door de leden van de Nitrospinae, Nitrospirae, Proteobacteria en Chloroflexi.

Dit tweestapsproces werd reeds in 1890 beschreven door de Russische microbioloog Sergei Winogradsky.

Ammonium kan ook volledig tot nitraat worden geoxideerd door één comammoxbacterie.

Eerste stap nitrificatie – moleculair mechanismeEdit

Figuur 1. Moleculair mechanisme van ammoniumoxidatie door AOB

Ammoniumoxidatie bij autotrofe nitrificatie is een complex proces waarvoor verschillende enzymen, eiwitten en de aanwezigheid van zuurstof nodig zijn. De belangrijkste enzymen die nodig zijn voor het verkrijgen van energie tijdens de oxidatie van ammoniak tot nitriet zijn ammoniakmono-oxygenase (AMO) en hydroxylamine-oxidoreductase (HAO). Het eerste is een transmembraane kopereiwit dat de oxidatie van ammoniak tot hydroxylamine (1.1) katalyseert, waarbij twee elektronen rechtstreeks uit de chinonpool worden gehaald. Voor deze reactie is O2 nodig.

De tweede stap van dit proces is onlangs ter discussie komen te staan.

De afgelopen decennia was de gangbare opvatting dat een trimerische multiheme c-type HAO hydroxylamine omzet in nitriet in het periplasma met productie van vier elektronen (1.2). De stroom van vier elektronen wordt via cytochroom c554 naar een membraangebonden cytochroom c552 geleid. Twee van de elektronen worden teruggeleid naar AMO, waar ze worden gebruikt voor de oxidatie van ammoniak (quinolpool). De resterende twee elektronen worden gebruikt om een proton-motorkracht op te wekken en NAD(P) te reduceren via omgekeerd elektronentransport.

Nieuwe resultaten tonen echter aan dat HAO geen nitriet produceert als direct katalytisch product. In plaats daarvan produceert dit enzym stikstofmonoxide en drie elektronen. Stikstofmonoxide kan vervolgens door andere enzymen (of zuurstof) worden geoxideerd tot nitriet. In dit paradigma moet de elektronenbalans voor het totale metabolisme opnieuw worden bekeken.

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)

Nitrificatie in de tweede stap – moleculair mechanismeEdit

Nitriet dat in de eerste stap van autotrofe nitrificatie wordt geproduceerd, wordt tot nitraat geoxideerd door nitrietoxidoreductase (NXR)(2). Het is een membraan-geassocieerd ijzer-zwavel molybdoproteïne, en maakt deel uit van een elektronenoverdrachtsketen die elektronen van nitriet naar moleculaire zuurstof leidt. De enzymatische mechanismen die betrokken zijn bij nitriet-oxiderende bacteriën zijn minder goed beschreven dan die van ammoniumoxidatie. Recent onderzoek (bv. Woźnica A. et al., 2013) stelt een nieuw hypothetisch model voor van de NOB-elektronentransportketen en de NXR-mechanismen (figuur 2.). In tegenstelling tot eerdere modellen werkt de NXR aan de buitenkant van de plasmamembraan, waardoor hij rechtstreeks bijdraagt aan het door Spieck en collega’s gepostuleerde mechanisme van protongradiëntgeneratie. Niettemin is het moleculaire mechanisme van de nitrietoxidatie een open vraag.

NO-
2 + H
2O → NO-
3 + 2H+ + 2e- (2)

Comammox bacteriënEdit

Main page: commamox

Kenmerkend voor nitrificerende bacteriënEdit

Nitrificerende bacteriën die ammoniak oxiderenEdit

Nitrificerende bacteriën die nitriet oxideren

ComammoxbacteriënEdit