Las bacterias nitrificantes son organismos quimiolitotróficos que incluyen especies de géneros como Nitrosomonas , Nitrosococcus , Nitrobacter , Nitrospina , Nitrospira y Nitrococcus . Estas bacterias obtienen su energía de la oxidación de compuestos nitrogenados inorgánicos . [1] Los tipos incluyen bacterias oxidantes de amoníaco ( AOB ) y bacterias oxidantes de nitrito ( NOB ). Muchas especies de bacterias nitrificantes tienen sistemas complejos de membrana interna que son la ubicación de enzimas clave en la nitrificación : amoníaco monooxigenasa (que oxida el amoníaco a hidroxilamina ), hidroxilamina oxidorreductasa (que oxida la hidroxilamina a óxido nítrico , que se oxida aún más a nitrito por una enzima actualmente no identificada) y nitrito oxidorreductasa (que oxida el nitrito a nitrato ). [2]
Las bacterias nitrificantes están presentes en grupos taxonómicos distintos y se encuentran en mayor número donde hay cantidades considerables de amoníaco (como áreas con descomposición extensa de proteínas y plantas de tratamiento de aguas residuales). [3] Las bacterias nitrificantes prosperan en lagos, arroyos y ríos con altas entradas y salidas de aguas residuales, aguas residuales y agua dulce debido al alto contenido de amoníaco.
La nitrificación en la naturaleza es un proceso de oxidación de dos pasos del amonio ( NH+4) o amoniaco ( NH 3 ) a nitrito ( NO−2) y luego al nitrato ( NO−3) catalizada por dos grupos bacterianos ubicuos que crecen juntos. La primera reacción es la oxidación del amonio a nitrito por bacterias oxidantes de amoníaco (AOB) representadas por miembros de Betaproteobacteria y Gammaproteobacteria . Otros organismos capaces de oxidar amoníaco son Archaea ( AOA ). [4]
La segunda reacción es la oxidación del nitrito ( NO−2) al nitrato por bacterias oxidantes de nitrito (NOB), representadas por los miembros de Nitrospinota , Nitrospirota , Pseudomonadota y Chloroflexota . [5] [6]
Este proceso de dos pasos fue descrito ya en 1890 por el microbiólogo ucraniano Sergei Winogradsky .
El amoniaco también puede ser oxidado completamente a nitrato por una bacteria comammox .
La oxidación del amoniaco en la nitrificación autótrofa es un proceso complejo que requiere varias enzimas , así como oxígeno como reactivo. Las enzimas clave necesarias para liberar energía durante la oxidación del amoniaco a nitrito son la amonia monooxigenasa (AMO) y la hidroxilamina oxidorreductasa (HAO). La primera es una proteína transmembrana de cobre que cataliza la oxidación del amoniaco a hidroxilamina ( 1.1 ) tomando dos electrones directamente del grupo de quinonas. Esta reacción requiere O2 .
El segundo paso de este proceso ha sido cuestionado recientemente. [7] Durante las últimas décadas, la opinión común fue que un HAO de tipo c multihemo trimérico convierte la hidroxilamina en nitrito en el periplasma con la producción de cuatro electrones ( 1.2 ). La corriente de cuatro electrones se canaliza a través del citocromo c 554 a un citocromo c 552 unido a la membrana . Dos de los electrones se dirigen de nuevo a AMO, donde se utilizan para la oxidación del amoníaco (pool de quinol). Los dos electrones restantes se utilizan para generar una fuerza motriz de protones y reducir NAD(P) a través del transporte electrónico inverso. [8]
Sin embargo, resultados recientes muestran que la HAO no produce nitrito como producto directo de la catálisis. Esta enzima, en cambio, produce óxido nítrico y tres electrones. El óxido nítrico puede luego ser oxidado por otras enzimas (u oxígeno) a nitrito. En este paradigma, el equilibrio de electrones para el metabolismo general necesita ser reconsiderado. [7]
El nitrito producido en el primer paso de la nitrificación autótrofa se oxida a nitrato por la nitrito oxidorreductasa (NXR) ( 2 ). Es una proteína molibdeno hierro-azufre asociada a la membrana y es parte de una cadena de transferencia de electrones que canaliza electrones desde el nitrito al oxígeno molecular. [ cita requerida ] Los mecanismos enzimáticos involucrados en las bacterias oxidantes de nitrito están menos descritos que los de la oxidación de amonio. Una investigación reciente (por ejemplo, Woźnica A. et al., 2013) [9] propone un nuevo modelo hipotético de la cadena de transporte de electrones NOB y los mecanismos NXR. Aquí, en contraste con los modelos anteriores, [10] el NXR actuaría en el exterior de la membrana plasmática y contribuiría directamente a un mecanismo de generación de gradiente de protones como postularon Spieck [11] y colaboradores. Sin embargo, el mecanismo molecular de la oxidación del nitrito es una pregunta abierta.
La conversión de dos pasos de amoníaco a nitrato observada en bacterias oxidantes de amoníaco, arqueas oxidantes de amoníaco y bacterias oxidantes de nitrito (como Nitrobacter ) es desconcertante para los investigadores. [12] [13] La nitrificación completa, la conversión de amoníaco a nitrato en un solo paso conocida como comammox , tiene un rendimiento energético (∆G°′) de −349 kJ mol −1 NH 3 , mientras que los rendimientos energéticos para los pasos de oxidación de amoníaco y oxidación de nitrito de la reacción de dos pasos observada son −275 kJ mol −1 NH 3 y −74 kJ mol −1 NO 2 − , respectivamente. [12] Estos valores indican que sería energéticamente favorable para un organismo llevar a cabo una nitrificación completa de amoníaco a nitrato ( comammox ), en lugar de realizar solo uno de los dos pasos. La motivación evolutiva para una reacción de nitrificación desacoplada de dos pasos es un área de investigación en curso. En 2015, se descubrió que la especie Nitrospira inopinata posee todas las enzimas necesarias para llevar a cabo la nitrificación completa en un solo paso, lo que sugiere que esta reacción ocurre. [12] [13]