Nitryfikacja w przyrodzie to dwuetapowy proces utleniania amonu (NH4+) lub amoniaku (NH3) do azotynów (NO2-), a następnie do azotanów (NO3-) katalizowany przez dwie wszechobecne grupy bakterii rosnące razem. Pierwszą reakcją jest utlenianie amonu do azotynów przez bakterie utleniające amoniak (AOB) reprezentowane przez przedstawicieli Betaproteobacteria i Gammaproetobacteria. Dalsze organizmy zdolne do utleniania amoniaku to Archaea (AOA).

Druga reakcja to utlenianie azotynu (NO2-) do azotanu przez bakterie utleniające azotyn (NOB), reprezentowane przez członków Nitrospinae, Nitrospirae, Proteobacteria i Chloroflexi.

Ten dwuetapowy proces został opisany już w 1890 roku przez rosyjskiego mikrobiologa Siergieja Winogradskiego.

Amoniak może być również utleniony całkowicie do azotanu przez jedną bakterię comammox.

Nitryfikacja pierwszego stopnia – mechanizm molekularnyEdit

Rysunek 1. Molekularny mechanizm utleniania amonu przez AOB

Oksydacja amoniaku w nitryfikacji autotroficznej jest procesem złożonym, wymagającym udziału kilku enzymów, białek i obecności tlenu. Kluczowymi enzymami niezbędnymi do uzyskania energii podczas utleniania amoniaku do azotynów są monooksygenaza amoniakalna (AMO) i oksydoreduktaza hydroksyloaminowa (HAO). Pierwsza z nich to transmembranowe białko miedziowe, które katalizuje utlenianie amoniaku do hydroksyloaminy (1.1), pobierając dwa elektrony bezpośrednio z puli chinonowej. Ta reakcja wymaga O2.

Drugi etap tego procesu został ostatnio zakwestionowany.

Przez ostatnie kilka dekad, wspólny pogląd był taki, że trimeryczny multiheme c-type HAO przekształca hydroksyloaminę w azotyny w peryplazmie z produkcją czterech elektronów (1.2). Strumień czterech elektronów jest kierowany przez cytochrom c554 do związanego z błoną cytochromu c552. Dwa z elektronów są kierowane z powrotem do AMO, gdzie są wykorzystywane do utleniania amoniaku (pula chinolowa). Pozostałe dwa elektrony są wykorzystywane do generowania siły napędowej protonów i redukcji NAD(P) poprzez odwrotny transport elektronów.

Ostatnie wyniki pokazują jednak, że HAO nie wytwarza azotynów jako bezpośredniego produktu katalizy. Enzym ten zamiast tego wytwarza tlenek azotu i trzy elektrony. Tlenek azotu może być następnie utleniony przez inne enzymy (lub tlen) do azotynu. W tym paradygmacie równowaga elektronowa dla ogólnego metabolizmu musi być ponownie rozważona.

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)

Nitryfikacja drugiego stopnia – mechanizm molekularnyEdit

Nitryny powstające w pierwszym stopniu nitryfikacji autotroficznej są utleniane do azotanów przez oksydoreduktazę azotynową (NXR)(2). Jest ona związaną z błoną molibdenoproteiną żelazowo-siarkową i stanowi część łańcucha przenoszenia elektronów, który przenosi elektrony z azotynów do tlenu cząsteczkowego. Mechanizmy enzymatyczne zaangażowane w bakterie utleniające azotyny są słabiej opisane niż w przypadku utleniania amonu. Ostatnie badania (np. Woźnica A. i in., 2013) proponują nowy hipotetyczny model łańcucha transportu elektronów NOB i mechanizmów NXR (Rys. 2.). W przeciwieństwie do wcześniejszych modeli, NXR działa na zewnątrz błony plazmatycznej, bezpośrednio przyczyniając się do postulowanego przez Spiecka i współpracowników mechanizmu generacji gradientu protonowego. Niemniej jednak, molekularny mechanizm utleniania azotynów pozostaje kwestią otwartą.

NO-
2 + H
2O → NO-
3 + 2H+ + 2e- (2)

Bakterie ComammoxEdit

Strona główna: commamox

Charakterystyka bakterii nitryfikacyjnychEdit

Bakterie nitryfikacyjne, które utleniają amoniak Edit

.

Bakterie nitryfikacyjne, które utleniają azotyny Edycja

Bakterie ComammoxEdit

.

.