Nitrifikation i naturen är en tvåstegs oxidationsprocess av ammonium (NH4+) eller ammoniak (NH3) till nitrit (NO2-) och sedan till nitrat (NO3-) som katalyseras av två allestädes närvarande bakteriegrupper som växer tillsammans. Den första reaktionen är oxidation av ammonium till nitrit av ammoniakoxiderande bakterier (AOB) som representeras av medlemmar av Betaproteobacteria och Gammaproetobacteria. Ytterligare organismer som kan oxidera ammoniak är Archaea (AOA).

Den andra reaktionen är oxidation av nitrit (NO2-) till nitrat av nitritoxiderande bakterier (NOB), representerade av medlemmar av Nitrospinae, Nitrospirae, Proteobacteria och Chloroflexi.

Denna tvåstegsprocess beskrevs redan 1890 av den ryske mikrobiologen Sergei Winogradsky.

Ammoniak kan också oxideras fullständigt till nitrat av en comammoxbakterie.

Nitrifikation i första steget – molekylär mekanismRedigera

Figur 1. Molekylär mekanism för ammoniumoxidation av AOB

Ammoniakoxidation vid autotrof nitrifikation är en komplex process som kräver flera enzymer, proteiner och närvaro av syre. De viktigaste enzymerna som är nödvändiga för att erhålla energi under oxidationen av ammoniak till nitrit är ammoniakmonooxygenas (AMO) och hydroxylaminoxidoreduktas (HAO). Det första är ett transmembrankopparprotein som katalyserar oxidationen av ammoniak till hydroxylamin (1.1) och tar två elektroner direkt från kinonpoolen. Denna reaktion kräver O2.

Det andra steget i denna process har nyligen ifrågasatts.

Under de senaste decennierna var den gängse uppfattningen att ett trimeriskt multihem av c-typ HAO omvandlar hydroxylamin till nitrit i periplasman med produktion av fyra elektroner (1.2). Strömmen av fyra elektroner kanaliseras genom cytokrom c554 till ett membranbundet cytokrom c552. Två av elektronerna leds tillbaka till AMO, där de används för oxidation av ammoniak (kinolpool). De återstående två elektronerna används för att generera en protonmotivkraft och reducera NAD(P) genom omvänd elektrontransport.

Renoverade resultat visar dock att HAO inte producerar nitrit som en direkt produkt av katalysen. Detta enzym producerar istället kväveoxid och tre elektroner. Nitrioxid kan sedan oxideras av andra enzymer (eller syre) till nitrit. I detta paradigm måste elektronbalansen för den totala ämnesomsättningen omprövas.

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)

Nitrifikation i andra steget – molekylär mekanismEdit

Nitrit som produceras i det första steget av autotrof nitrifikation oxideras till nitrat av nitritoxidoreduktas (NXR)(2). Det är ett membranassocierat järn-svavel-molybdoprotein och ingår i en elektronöverföringskedja som kanaliserar elektroner från nitrit till molekylärt syre. De enzymatiska mekanismer som är involverade i nitritoxiderande bakterier är mindre beskrivna än de som är involverade i ammoniumoxidation. Ny forskning (t.ex. Woźnica A. et al., 2013) föreslår en ny hypotetisk modell för NOB:s elektrontransportkedja och NXR-mekanismer (figur 2.). Till skillnad från tidigare modeller verkar NXR på utsidan av plasmamembranet och bidrar direkt till den av Spieck och medarbetare postulerade mekanismen för protongradientgenerering. Den molekylära mekanismen för nitritoxidation är dock en öppen fråga.

NO-
2 + H
2O → NO-
3 + 2H+ + 2e- (2)

Comammox-bakterierRedigera

Huvudsida: Redigera

Nitrifierande bakterier som oxiderar ammoniak Redigera

Nitrifierande bakterier som oxiderar nitrit Redigera

ComammoxbakterierEdit