Окисление аммиака до нитрит-аниона
Первая стадия — окисление аммиака до нитрит-аниона, которое осуществляют нитрозные бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosococcus и Nitrosospira (ранее выделялись также рода Nitrosolobus, Nitrosovibrio, но сейчас их представители включены в Nitrosospira) по следующему механизму:
1. NH3 + O2 + НАДН2 → NH2OH + H2O + НАД+
2. NH2OH + H2O → HNO2 + 4H+ + 4e−
3. 1/2O2 + 2H+ + 2e− → H2O
Предполагается, что на первом этапе субстратом является именно аммиак, а не аммоний, поэтому процесс не идёт в кислой среде. Ферментом для первой реакции служит аммиакмонооксигеназа, 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 цитохромоксидоредуктазу 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 обратного переноса части электронов.
Окисление нитрит-аниона до нитрат-аниона[править | править код]
|
|
|
Вторая стадия — окисление аниона азотистой кислоты до аниона азотной, производимое нитратными бактериями (почвенный род Nitrobacter и водные Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina). Процесс протекает в одну реакцию:
NO2− + H2O → NO3− + 2H+ + 2e−
катализируемую нитрит: нитрат-оксидоредуктазой, 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[править | править код]
Нитрозных и нитритных бактерий ранее выделяли в семейство Nitrobacteraceae, 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 хемолитогетеротрофа 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[править | править код]
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[править | править код]
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.
Аммиак, образующийся при аэробном и анаэробном разложении азотсодержащих органических веществ, окисляется двумя высокоспециализированными группами микроорганизмов в азотистую и затем азотную кислоты.
|
|
|
Этот процесс называется нитрификацией. Первыми исследователями, доказавшими его биологическую природу, были Т. Шлезинг и А. Мюнц (1879). На специфичность организмов, вызывающих нитрификацию» указывал Луи Пастер (1880). Однако длительное время их не удавалось выделить в чистую культуру. Лишь в 1890—1892 гг. С. Н. Виноградскому, применившему элективные среды, не содержащие органические вещества, удалось изолировать чистые культуры нитрификаторов. Им было установлено и существование двух групп нитрификатов, одна из которых окисляет аммиак до азотистой кислоты, а другая — азотистую кислоту в азотную. Последовательность в работе — двух или нескольких организмов называется метабиозом.
Нитрифицирующие бактерии входят в семейство Nitrobacteriaceae, имеют ряд общих свойств: все — облигатные аэробы, грамотрицательны, не образуют спор, развиваются при pH 7,5—8,0, оптимальная температура для их роста 25—30° С. Однако различные их роды существенно морфологически отличаются.
Первый этап нитрификации осуществляют бактерии пяти родов: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosovibrio, Nitrosolobus; наиболее изучен род Nitrosomonas. В целях получения энергии для ассимиляции 1,5 г СO2 и построения 1 г микробной плазмы нитрозные бактерии окисляют около 20 г аммиака и образуют 56 г азотистой кислоты; реакция: 2NH3+3O2 = 2HNO2 + 2H2O+158 кал. Окисление аммиака совершается в несколько стадий: на поверхности клетки — до гидроксиламина, далее уже внутри клетки — до гипонитрита и окиси азота.
|
|
|
Микроорганизмы, способные окислять нитриты в нитраты (осуществляющие вторую фазу нитрификации), относятся к родам Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina. Детально исследован род Nitrobacter. Все его представители имеют клетки грушевидной формы, размножаются почкованием, у дочерней клетки есть жгутик, оптимум развития при pH 7,7. Окисление азотистой кислоты в азотную идет также с выделением энергии: 2HNO2 + O2 -> 2HNO3 + 48 кал. При построении 1 г вновь синтезированного органического вещества микробных тел окисляется 72 г HNO2 и образуется 96 г HNO3. Роль нитрификаторов в образовании нитратов грандиозна.
Воздействие органического вещества на нитрификаторы двояко: в лабораторных условиях даже ничтожные дозы органического вещества полностью подавляют рост и развитие организма, а в естественных условиях — нет. Причины этого различия не вполне ясны.
Наряду с нитрифицирующими автотрофными бактериями Д. У. Катлер и Б. К. Мукерджи (1931) выделили ряд гетеротрофных бактерий, способных окислять NH4+ до NO2, но значительно медленнее и только на первом этапе. В настоящее время установлены микроорганизмы, доводящие нитрификацию до конца, в частности гриб Aspergillus flavus и некоторые виды Atrobacter, нитрифицирующие аммиак.
К гетеротрофным нитрификаторам относят представителей родов: Alcaligenes, Corynebacterium, Achromobacter, Pseudomonas, Nocardia, Bacillus. Многие гетеротрофы могут осуществлять нитрификацию органических азотсодержащих соединений: амидов, аминов, оксидов, гидроксаматов и других, а также образовывать продукты, обладающие канцерогенными, токсичными, мутагенными свойствами. В условиях, неблагоприятных для развития автотрофных нитрифицирующих бактерий нитрификаторы-гетеротрофы, по-видимому, главенствуют в нитрификационном процессе.
Дата добавления: 2019-09-08; просмотров: 470; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!