La reducción disimilatoria de nitrato a amonio (DNRA), también conocida como amonificación de nitrato/nitrito , es el resultado de la respiración anaeróbica por microbios quimioorganoheterotróficos que utilizan nitrato (NO 3 − ) como aceptor de electrones para la respiración. [1] [2] En condiciones anaeróbicas, los microbios que realizan DNRA oxidan la materia orgánica y utilizan nitrato (en lugar de oxígeno) como aceptor de electrones, reduciéndolo a nitrito y luego a amonio (NO 3 − → NO 2 − → NH 4 + ). [1]
La reducción disimilatoria de nitrato a amonio es más común en procariotas , pero también puede ocurrir en microorganismos eucariotas . [3] [4] [5] La DNRA es un componente del ciclo del nitrógeno terrestre y oceánico . A diferencia de la desnitrificación , actúa para conservar el nitrógeno biodisponible en el sistema, produciendo amonio soluble en lugar de gas nitrógeno no reactivo ( N 2 ). [6]
La reducción disimilatoria de nitrato a amonio es un proceso de dos pasos, reduciendo NO 3 − a NO 2 − y luego NO 2 − a NH 4 + , aunque la reacción puede comenzar con NO 2 − directamente. [1] Cada paso está mediado por una enzima diferente , el primer paso de la reducción disimilatoria de nitrato a amonio suele estar mediado por una nitrato reductasa periplásmica . El segundo paso (reducción respiratoria de NO 2 − a NH 4 + ) está mediado por la nitrito reductasa del citocromo c , que se produce en la superficie de la membrana periplásmica . [7] A pesar de que la DNRA no produce óxido nitroso (N 2 O) como intermediario durante la reducción de nitrato (como lo hace la desnitrificación ), N 2 O aún puede liberarse como subproducto, [2] por lo que la DNRA también puede actuar como un sumidero de nitrógeno fijo y biodisponible. La producción de N 2 O por parte de DNRA puede mejorarse a niveles de pH más altos . [8]
La reducción disimilatoria de nitrato a amonio es similar al proceso de desnitrificación , aunque el NO 2 − se reduce más a NH 4 + en lugar de a N 2 , transfiriendo ocho electrones. [2] Tanto los desnitrificadores como los amonificadores de nitrato compiten por NO 3 − en el medio ambiente. A pesar de que el potencial redox de la reducción disimilatoria de nitrato a amonio es menor que la desnitrificación y produce menos energía libre de Gibbs , el rendimiento energético de la desnitrificación puede no conservarse eficientemente en su serie de reacciones enzimáticas y los amonificadores de nitrato pueden lograr mayores tasas de crecimiento y superar a los desnitrificadores. [9] Esto puede ser especialmente pronunciado cuando el NO 3 − es limitante en comparación con el carbono orgánico, ya que el carbono orgánico se oxida de manera más "eficiente" por NO 3 − (ya que cada molécula de NO 3 − se reduce más). [10] El equilibrio entre la desnitrificación y la DNRA es importante para el ciclo del nitrógeno de un ambiente, ya que ambos utilizan NO 3 − pero, a diferencia de la desnitrificación , que produce N 2 gaseoso, no biodisponible (un sumidero de nitrógeno), la DNRA produce NH 4 + soluble y biodisponible . [1]
Como la reducción disimilatoria de nitrato a amonio es un proceso de respiración anaeróbica , los microorganismos marinos capaces de realizar DNRA se encuentran más comúnmente en entornos con bajo contenido de O 2 , como zonas de mínimo oxígeno (OMZ) en la columna de agua o sedimentos con gradientes pronunciados de O 2 . [11] [12]
La DNRA se ha documentado en procariotas que habitan la capa superior de sedimentos marinos. Por ejemplo, las bacterias bentónicas de azufre en géneros como Beggiatoa y Thioploca habitan sedimentos anóxicos en plataformas continentales y obtienen energía oxidando sulfuro a través de DNRA. Estas bacterias pueden llevar a cabo DNRA utilizando nitrato intracelular almacenado en vacuolas. [4] [13] La reducción directa de nitrato a amonio a través de la reducción disimilatoria de nitrato, junto con la conversión directa de amonio a dinitrógeno a través de Anammox , se ha atribuido a una pérdida significativa de nitrógeno en ciertas partes del océano; este acoplamiento DNRA-Anammox por DNRA y bacterias Anammox puede explicar la pérdida de nitrato en áreas sin desnitrificación detectable, como en las OMZ frente a las costas de Chile, Perú y Namibia, así como en las OMZ sobre la plataforma de Omán en el mar Arábigo . [14] Si bien la desnitrificación es más favorable energéticamente que la DNRA, hay evidencia de que las bacterias que utilizan DNRA conservan más energía que los desnitrificadores, lo que les permite crecer más rápido. [14] Por lo tanto, a través del acoplamiento DNRA-Anammox, las bacterias que utilizan DNRA y Anammox pueden ser competidores más fuertes por los sustratos que los desnitrificadores. [14]
Aunque la reducción disimilatoria de nitrato a amonio se asocia más comúnmente con procariotas, investigaciones recientes han encontrado evidencia creciente de DNRA en varios microorganismos eucariotas . De las especies de hongos conocidas capaces de DNRA, una se encuentra en ecosistemas marinos; se ha descubierto que un aislado de ascomiceto Aspergillus terreus de una OMZ del Mar Arábigo es capaz de realizar DNRA en condiciones anóxicas. [5] También se ha encontrado evidencia de DNRA en foraminíferos marinos . [5]
Más recientemente, se ha descubierto que utilizando reservas intracelulares de nitrato, las diatomeas pueden llevar a cabo una reducción disimilatoria de nitrato a amonio, probablemente para una supervivencia a corto plazo o para entrar en estados de reposo, lo que les permite persistir en condiciones oscuras y anóxicas. [11] [15] Sin embargo, su metabolismo probablemente no se sostiene mediante DNRA para una supervivencia a largo plazo durante los estados de reposo, ya que estos estados de reposo a menudo pueden ser mucho más largos de lo que duraría su suministro intracelular de nitrato. [11] El uso de DNRA por parte de las diatomeas es una posible explicación de cómo pueden sobrevivir enterradas en capas de sedimentos oscuros y anóxicos en el fondo del océano, sin poder realizar la fotosíntesis ni la respiración aeróbica . [12] Actualmente, se sabe que la DNRA la lleva a cabo la diatomea bentónica Amphora coffeaeformis , así como la diatomea pelágica Thalassiosira weissflogii . [11] [12] Dado que las diatomeas son una fuente importante de producción primaria oceánica , la capacidad de las diatomeas para realizar DNRA tiene implicaciones importantes en su función ecológica, así como en su papel en el ciclo del nitrógeno marino . [12]
A diferencia de la desnitrificación , que elimina el nitrógeno reactivo del sistema en forma gaseosa (como N 2 o N 2 O), la reducción disimilatoria de nitrato a amonio conserva el nitrógeno como especie disuelta dentro del sistema. Dado que la DNRA toma el nitrato y lo convierte en amonio , no produce gases N 2 o N 2 O. En consecuencia, la DNRA recicla el nitrógeno en lugar de causar pérdida de N gaseoso, lo que conduce a una producción primaria y nitrificación más sostenibles . [6]
Dentro de un ecosistema , la desnitrificación y la DNRA pueden ocurrir simultáneamente. Por lo general, la DNRA representa alrededor del 15% de la tasa total de reducción de nitrato, que incluye tanto la DNRA como la desnitrificación. [6] Sin embargo, la importancia relativa de cada proceso está influenciada por variables ambientales. Por ejemplo, se ha descubierto que la DNRA es de tres a siete veces mayor en los sedimentos debajo de las jaulas de peces que en los sedimentos cercanos debido a la acumulación de carbono orgánico . [16]
Las condiciones en las que la reducción disimilatoria de nitrato a amonio se favorece por sobre la desnitrificación en los ecosistemas costeros marinos incluyen las siguientes: [16] [6]
Una alta concentración de sulfuro puede inhibir los procesos de nitrificación y desnitrificación. Al mismo tiempo, también puede mejorar la reducción disimilatoria de nitrato a amonio, ya que una alta concentración de sulfuro proporciona más donantes de electrones. [17]
Los ecosistemas donde predomina la DNRA tienen una menor pérdida de nitrógeno, lo que da como resultado niveles más altos de nitrógeno conservado en el sistema. [16] Dentro de los sedimentos, la tasa total de reducción de nitrato disimilatorio a amonio es mayor en primavera y verano en comparación con el otoño. Los procariotas son los principales contribuyentes a la DNRA durante el verano, mientras que los eucariotas y los procariotas contribuyen de manera similar a la DNRA durante la primavera y el otoño. [6]
Los posibles beneficios del uso de la reducción disimilatoria de nitrato a amonio para organismos individuales pueden incluir los siguientes: [18]
El balance de la reducción de nitrato disimilatorio a amonio y la desnitrificación altera la precisión de los cálculos del índice f . El índice f se utiliza para cuantificar la eficiencia de la bomba biológica , que refleja el secuestro de carbono de la atmósfera al fondo del mar. [20] El índice f se calcula utilizando estimaciones de "nueva producción" (productividad primaria estimulada por nutrientes que entran en la zona fótica desde fuera de la zona fótica, por ejemplo desde el océano profundo) y "producción regenerada" (productividad primaria estimulada por nutrientes que ya están en la zona fótica, liberados por remineralización ). [21] Los cálculos del índice f utilizan las especies de nitrógeno que estimulan la productividad primaria como un indicador del tipo de producción que ocurre; la productividad estimulada por NH 4 + en lugar de NO 3 − es "producción regenerada". [22] La DNRA también produce NH 4 + (además de la remineralización), pero a partir de materia orgánica que se ha exportado desde la zona fótica; Esto puede reintroducirse posteriormente mediante la mezcla o el afloramiento de aguas más profundas a la superficie, estimulando así la productividad primaria ; por lo tanto, en áreas donde hay grandes cantidades de DNRA, los cálculos del índice f no serán precisos.
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