Нитрификация — микробиологический процесс окисления аммиака до азотистой кислоты или её самой далее до азотной кислоты , что связано либо с получением энергии ( хемосинтез , автотрофная нитрификация), либо с защитой от активных форм кислорода, образующихся при разложении пероксида водорода (гетеротрофная нитрификация).

Протекает в аэробных условиях в почве , а также природных водах. Часто может вызывать появление в них нитратов в токсичном количестве, а поскольку нитраты — наиболее активно мигрирующее в растворе соединение азота — происходит их вынос из почвы в расположенные ниже по склону водоемы, что влечет за собой уменьшение коэффициента использования азотных удобрений и эвтрофикацию данных водоемов.

Автотрофная нитрификация

Нитрификация проходит в две стадии, которые осуществляются разными микроорганизмами.

Окисление аммиака до нитрит-аниона

Первая стадия — окисление аммиака до нитрит - аниона , которое осуществляют нитрозные бактерии родов , и (ранее выделялись также рода Nitrosolobus , Nitrosovibrio , но сейчас их представители включены в Nitrosospira ) по следующему механизму:

1. NH ₃ + O ₂ + НАДН ₂ → NH ₂ OH + H ₂ O + НАД ⁺
2. NH ₂ OH + H ₂ O → HNO ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻
3. 1/2O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O

Предполагается, что на первом этапе субстратом является именно аммиак, а не аммоний, поэтому процесс не идёт в кислой среде. Ферментом для первой реакции служит , фермент с очень низкой субстратной специфичностью, окисляющая также метан , оксид углерода , циклогексан , фенол , бензиловый спирт , однако со скоростью на порядки ниже. Гидроксиламин ингибирует работу фермента. В бесклеточных экстрактах восстановителем может служить НАД(Ф)·H , однако в клетке его роль, скорее всего, выполняет один из компонентов дыхательной цепи .

Следующую реакцию осуществляет гидроксиламиноксидоредуктаза , расположенная в периплазме. Окислителем в них служит цитохром c , с него электрон передаётся на убихинон и далее в дыхательную цепь , на и, в конечном итоге, на кислород. При этом запасается энергия в виде трансмембранного протонного потенциала.

Образование НАД(Ф)·H для фиксации углекислого газа в цикле Калвина происходит путём .

Окисление нитрит-аниона до нитрат-аниона

Вторая стадия — окисление аниона азотистой кислоты до аниона азотной, производимое нитратными бактериями (почвенный род и водные , , ). Процесс протекает в одну реакцию:

NO ₂ ⁻ + H ₂ O → NO ₃ ⁻ + 2H ⁺ + 2e ⁻

катализируемую , локализованной в ЦПМ . Далее электроны передаются на цитохромы дыхательной цепи , в которой единственным пунктом транслокации протонов является цитохромоксидаза .

Образование НАД(Ф)·H для фиксации углекислого газа также происходит путём обратного переноса электронов.

Организмы

Нитрозных и нитритных бактерий ранее выделяли в семейство , сейчас с развитием геносистематики их рода разнесены по разным подклассам протеобактерий . Оптимальная для их развития температура 25—30 °C и pH 7,5—8,0. В кислой среде процесс не идет. Все эти бактерии — грамотрицательные хемолитоавтотрофы , использующие энергию окисления соединений азота для синтеза органических веществ из углекислого газа . Некоторые из них способные переключаться на хемоорганогетеротрофный метаболизм, однако ни одного среди данных организмов найдено не было. Морфологически эти группы разнообразны, в большинстве своем мелкие, подвижные, с полярным или перитрихиальным жгутикованием . Окисление они проводят на цитоплазматической мембране .

Гетеротрофная нитрификация

Особо выделяют гетеротрофную нитрификацию , происходящую у многих бактерий и грибов и связанную с окислением аммиака и азота органических соединений без использования полученной энергии, попутно с окислением органического вещества и, предположительно, посредством кислорода, образуемого при разложении пероксида водорода . Удельная активность этого процесса на 2-4 порядка ниже, чем в случае автотрофной нитрификации, однако именно с ним связано происхождение чилийской селитры а также вся нитрификация в почвах и водоемах с низкими значениями pH.

История изучения

Процесс был открыт в середине XIX века , первое предположение об участии микроорганизмов в нитрификации было сделано Луи Пастером , однако выделить их не удавалось, пока в 1891 С. Н. Виноградский не применил для этих целей селективную среду, содержащую только минеральные компоненты (чтобы избежать роста на ней банальных гетеротрофов) и в том числе сернокислый аммоний .

Литература

• Умаров М. М., Кураков А. В., Степанов А. Л. Микробиологическая трансформация азота в почве. — М.: ГЕОС, 2007. ISBN 5-89118-315-7 (ошибоч.)
• Современная микробиология. Прокариоты: В 2-х томах. Пер. с англ./Под ред. Й. Ленглера, Г. Древса, Г. Шлегеля. — М.: Мир, 2005. ISBN 5-03-003706-3 ISBN 5-03-003707-1 (1 том) ISBN 5-03-003708-X (2 том)

Ссылки