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 nitritos ( 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 sustancia actualmente no identificada). enzima) y nitrito oxidorreductasa (que oxida el nitrito a nitrato ). [2]
Las bacterias nitrificantes están presentes en distintos grupos taxonómicos y se encuentran en mayores cantidades donde hay cantidades considerables de amoníaco (como áreas con una extensa descomposición 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 amonio en dos pasos ( NH+4) o amoníaco ( NH 3 ) a nitrito ( NO−2) y luego a nitrato ( NO−3) catalizado 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 el amoníaco son Archaea ( AOA ). [4]
La segunda reacción es la oxidación del nitrito ( NO−2) al nitrato por las bacterias oxidantes de nitritos (NOB), representadas por los miembros de Nitrospinota , Nitrospirota , Pseudomonadota y Chloroflexota . [5] [6]
Este proceso de dos pasos ya fue descrito en 1890 por el microbiólogo ucraniano Sergei Winogradsky .
El amoníaco también puede ser oxidado completamente a nitrato por una bacteria comammox .
La oxidación del amoníaco en la nitrificación autótrofa es un proceso complejo que requiere varias enzimas además de oxígeno como reactivo. Las enzimas clave necesarias para liberar energía durante la oxidación del amoníaco a nitrito son la monooxigenasa de amoníaco (AMO) y la hidroxilamina oxidorreductasa (HAO). La primera es una proteína de cobre transmembrana que cataliza la oxidación del amoníaco a hidroxilamina ( 1.1 ), tomando dos electrones directamente del conjunto de quinonas. Esta reacción requiere O 2 .
El segundo paso de este proceso ha quedado recientemente en entredicho. [7] Durante las últimas décadas, la opinión común era que una HAO trimérica multihema de tipo C 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 hasta un citocromo c 552 unido a una membrana . Dos de los electrones se devuelven 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 el NAD(P) mediante el transporte inverso de electrones. [8]
Sin embargo, resultados recientes muestran que HAO no produce nitrito como producto directo de la catálisis. En cambio, esta enzima produce óxido nítrico y tres electrones. Luego, el óxido nítrico puede ser oxidado por otras enzimas (u oxígeno) a nitrito. En este paradigma, es necesario reconsiderar el equilibrio electrónico del metabolismo general. [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 molibdo de 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 necesaria ] Los mecanismos enzimáticos implicados en las bacterias que oxidan nitritos están menos descritos que los de la oxidación de amonio. Investigaciones recientes (por ejemplo, Woźnica A. et al., 2013) [9] proponen un nuevo modelo hipotético de la cadena de transporte de electrones NOB y los mecanismos NXR. Aquí, a diferencia de 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 lo postularon Spieck [11] y colaboradores. Sin embargo, el mecanismo molecular de la oxidación de los nitritos es una cuestión abierta.
La conversión en dos pasos de amoníaco en nitrato observada en las bacterias que oxidan el amoníaco, las arqueas que oxidan el amoníaco y las bacterias que oxidan los nitritos (como Nitrobacter ) resulta desconcertante para los investigadores. [12] [13] La nitrificación completa, la conversión de amoníaco en nitrato en un solo paso conocido como comammox , tiene un rendimiento energético (∆G°′) de −349 kJ mol −1 NH 3 , mientras que el rendimiento energético del amoníaco Los pasos de oxidación 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 en 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 una nitrificación completa en un solo paso, lo que sugiere que esta reacción sí ocurre. [12] [13]