Процесс нитрификации

Нитрификация – окисление восстановленных соединений азота (аммиак, азотистая кислота, гидроксиламин и другие неорганические соединения азота). Нитрифицирующие бактерии относятся к протеобактериям и входят в семейство Nitrobacteriaceae, которое состоит из 8 родов.

В природе процесс нитрификации идет в 2 фазы, за каждую из которых ответственны свои возбудители. Первую фазу – окисление солей аммония до солей азотистой кислоты – осуществляют нитрозобактерии, к которым относятся представители родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira и Nitrosovibrio:

NH + 1½ O₂ → NO + H₂O + 2H⁺

Вторую фазу – окисление нитритов в нитраты – осуществляют нитробактерии, к которым относятся бактерии родов Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus:

NO + ½ O₂ → NO

Нитрифицирующие бактерии – это грамотрицательные микроорганизмы, различающиеся формой и размером клеток. В эту группу входят бактерии с палочковидной, сферической, спиралевидной, грушевидной формой клеток. Все нитрифицирующие бактерии, кроме представителей рода Nitrobacter, размножаются бинарным делением. Бактерии, принадлежащие к роду Nitrobacter, размножаются почкованием. Среди нитрифицирующих бактерий есть подвижные (с полярным или перитрихиальным жгутикованием) и неподвижные.

Все нитрифицирующие бактерии – облигатные аэробы; большинство – облигатные автотрофы, рост которых ингибируется органическими соединениями в концентрациях, обычных для гетеротрофных прокариот. Ассимиляция СО₂ осуществляется в цикле Кальвина.

Оптимальные условия для роста нитрифицирующих бактерий – 25–30 °С и рН 7,5–8,0.

Процесс нитрификации происходит в цитоплазматической мембране. Ему предшествует поглощение NH₄⁺ и перенос его через цитоплазматическую мембрану с помощью медьсодержащей транслоказы.

Как мы уже отметили, процесс нитрификации состоит из 2 фаз:

- окисление аммиака до нитрита;

- окисление нитрита до нитрата.

Окисление аммиака в нитрит осуществляется в несколько этапов. На первом этапе аммиак окисляется до гидроксиламина с помощью фермента монооксигеназы. Этот фермент катализирует присоединение к молекуле аммиака 1 атома кислорода; второй атом кислорода взаимодействует с НАДН, что приводит к образованию Н₂О:

NH₃ + O₂ + НАДH → NH₂OH + H₂O + НАД⁺

Этот этап окисления является эндергоническим, так как здесь проис-ходит потребление энергии.

Далее гидроксиламин с помощью гидроксиламиноксидоредуктазы окисляется до нитрита:

N H₂OH + O₂ NO + H₂O + H⁺

В качестве промежуточного продукта предполагается образование нитроксила:

N H₂OH HNO + 2е^–+ 2H⁺

Электроны от NH₂OH поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с и далее на терминальную оксидазу и конечный акцептор – молекулярный кислород.

Транспорт электронов по электронтранспортной цепи, расположенной в цитоплазматической мембране, сопровождается переносом двух протонов через мембрану. Это приводит к созданию протонного градиента и в конечном итоге к синтезу молекул АТФ (в этом процессе участвует фермент АТФ-синтаза).

Вторая фаза нитрификации – окисление нитрита до нитрата – катализируется молибденсодержащим ферментом нитритоксидазой. Это происходит по следующему уравнению:

N O + H₂O NO + 2H⁺ + 2е^–

Электроны поступают на цитохром а₁ и через цитохром с на терми-нальную оксидазу аа₃, где акцептируются молекулярным кислородом. При этом происходит перенос через мембрану двух протонов, что приводит к синтезу АТФ. Схематически вторую фазу нитрификации, осуществляемую нитробактериями, можно представить следующим образом:

Внешняя сторона Внутренняя сторона

2е^–

2Н⁺ цит. с цит. а₁ NO + H₂O

NO

2е^– 1/2 O₂ + 2H⁺

цит. аа₃ H₂O

Цитоплазматическая мембрана

Таким образом, суммарно процесс окисления аммиака можно представить в следующем виде:

NH₃ → NH₂OH → [HNO] → NO → NO

Энергетически выгодными являются только стадии окисления гидроксиламина в нитрит и нитрита в нитрат, так как в результате происходит образование молекул АТФ.

Каким же образом у нитрифицирующих бактерий происходит обра-зование восстановителя НАДН, который необходим для ассимиляции СО₂ в цикле Кальвина?

Поскольку субстраты (аммиак, нитриты), которые окисляют нитрифицирующие бактерии, обладают сильно положительным окислительно-восстановительным потенциалом, который для пары NH / NH₂OH составляет +899 мВ, для пары NO /NO – +420 мВ, а окислительно-восстановительный потенциал НАД⁺/НАДН имеет отрицательную величину – 320 мВ, то окисление NH или NO по термодинамическим причинам не может быть прямо связано с восстановлением НАД⁺. Образование НАДН в таком случае происходит за счет функционирования обратного транспорта электронов, который имеется у нитрифицирующих бактерий наряду с прямым транспортом по дыхательной цепи. Обратный транспорт электронов сопровождается затратой энергии.

Схематически перенос электронов у нитрифицирующих бактерий можно представить следующим образом:

Неорганические доноры электронов

NO , NH₃

H₂ е^–

Цепь переноса электронов

Н АД⁺ О₂

е^– е^–

Обратный транспорт, Прямой транспорт,

сопровождающийся приводящий к получению энергии

затратами энергии

NO , NО

Нитрифицирующие бактерии обнаружены в водоемах разного типа (озера, моря, океаны) и в почвах, где они, как правило, развиваются совместно с бактериями, жизнедеятельность которых приводит к образованию исходного субстрата нитрификации – аммиака.

Процесс нитрификации, являясь важным звеном в круговороте азота в природе, имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Переведение азота из аммонийной формы в нитратную способствует обед-нению почвы азотом, потому что нитраты как весьма растворимые соединения легко вымываются из почвы. В то же время известно, что нитраты – это хорошо используемый растениями источник азота. Кроме того, связанное с нитрификацией подкисление почвы улучшает растворимость и, следовательно, доступность некоторых жизненно необходимых элементов, в первую очередь фосфора и железа.

Нитрифицирующие бактерии косвенно участвуют в разрушении разного рода сооружений, для которых строительным материалом служат известь и цемент (т. е. различных зданий, автострад и т. д.). Это связано с тем, что нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, присутствующий в атмосфере или выделяющийся из фекалий животных, до азотной кислоты.