5.2 Нитрифицирующие бактерии

Нитрифицирующие бактерии получают энергию в результате окисления восстановленных соединений азота ( аммиака; азотистой кислоты). Впервые чистые культуры этих бактерий получил С.Н.Виноградский в 1892 г., установивший иххемолитоавтотроф- ную природу. В IX издании Определителя бактерий Берги все нитрифицирующие бактерии выделены в семейство Nitrobacteraceae и разделены на две группы в зависимости от того, какую фазу процесса они осуществляют. Первую фазу - окисление солей аммония до солей азотистой кислоты (нитритов) - осуществляют аммонийокисляющие бактерии (роды Nitrosomonas (рисунок 26)  , Nitrosococcus , Nitrosolobus и др.)[1]:

NH₄⁺ + 1,5O₂ переходит в NO₂^- + Н₂О + 2Н⁺ (22)

Вторую фазу - окисление нитритов до нитратов - осуществляют нитритокисляющие бактерии, относящиеся к родам Nitrobacter , Nitrococcus и др.:

NO₂^- + 1/2*O₂ → NO₃^- (23)

Группа нитрифицирующих бактерий представлена грамотрицательными организмами, различающимися формой и размером клеток, способами размножения, типом жгутикования подвижных форм, особенностями клеточной структуры, молярным содержанием ГЦ-оснований ДНК, способами существования [1].

Рисунок 26 - Микрофотографии Nitrosomonas europaea: фазовый контраст (слева) и тонкий срез клетки (справа)

Все нитрифицирующие бактерии - облигатные аэробы. Некоторые виды – микроаэрофилы, большинство – облигатные автотрофы, рост которых ингибируется органическими соединениями в концентрациях, обычных для гетеротрофов. С использованием 14 С-соединений показано, что облигатные хемолитоавтотрофы могут включать в состав клеток некоторые органические вещества, но в весьма ограниченной степени. Основным источником углерода остается СО₂, ассимиляция которой осуществляется в восстановительном пентозофосфатном цикле. Только для некоторых штаммов Nitrobacter (рисунок 27) показана способность к медленному росту в среде с органическими соединениями в качестве источника углерода и энергии [2].

Рисунок 27- Микрофотографии Nitrobacter Hmaburgensis

Процесс нитрификации локализован на цитоплазматической и внутрицитоплазматических мембранах. Ему предшествует поглощение NH₄+ и перенос его через ЦПМ с помощью медьсодержащей транслоказы. При окислении аммиака до нитрита атом азота теряет 6 электронов. Предполагается, что на первом этапе аммиак окисляется до гидроксиламина с помощью монооксигеназы, катализирующей присоединение к молекуле аммиака 1 атома О₂; второй взаимодействует, вероятно, с НАД*Н₂ , что приводит к образованию Н₂О:

NH₃ + О₂ + НАД*Н₂ → NH₂OH + Н₂О + НАД⁺ (24)

Гидроксиламин далее ферментативно окисляется до нитрита:

NH₂OH + О₂ → NO₂^- + Н₂О + Н⁺ (25)

Электроны от NH₂OH поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с и далее на терминальную оксидазу. Их транспорт сопровождается переносом 2 протонов через мембрану, приводящим к созданию протонного градиента и синтезу АТФ. Гидроксиламин в этой реакции, вероятно, остается связанным с ферментом[2].

Вторая фаза нитрификации сопровождается потерей 2 электронов. Окисление нитрита до нитрата, катализируемое молибденсодержащим ферментом нитритоксидазой, локализовано на внутренней стороне ЦПМ и происходит следующим образом:

NO₂^- + Н₂О → NO₃^- + 2Н+ 2е (26)

Электроны поступают на цитохром а1 и через цитохром с на терминальную оксидазу аа3, где акцептируются молекулярным кислородом. При этом происходит перенос через мембрану 2Н⁺. Поток электронов от NO₂^-на О₂ происходит с участием очень короткого отрезка дыхательной цепи. Так как Ео пары NO₂/NO₃^- равен +420 мВ, восстановитель образуется в процессе энергозависимого обратного переноса электронов. Большая нагрузка на конечный участок дыхательной цепи объясняет высокое содержание цитохромов с и а у нитрифицирующих бактерий[1].

Многие хемоорганогетеротрофные бактерии, принадлежащие к родам Arthrobacter , Flavobacterium (рисунок 28) , Xanthomonas , Pseudomonas и др., способны окислять аммиак, гидроксиламин и другие восстановленные соединения азота до нитритов или нитратов. Процесс нитрификации этих организмов, однако, не приводит к получению ими энергии. Изучение природы этого процесса, получившего название гетеротрофной нитрификации, показало, что, возможно, он связан с разрушением образуемой бактериальными культурами перекиси водорода с помощью пероксидазы. Образующийся при этом активный кислород окисляет NH₃ до NO₃^-[1].

Рисунок 28 - Flavobacterium meningosepticum

Нитрифицирующие бактерии обнаружены в водоемах разного типа и в почвах, где они, как правило, развиваются совместно с бактериями, жизнедеятельность которых приводит к образованию исходного субстрата нитрификации - аммиака [2].

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 обеднению почвы азотом, поскольку нитраты легко вымываются из почвы. В то же время нитраты - хорошо используемый растениями источник азота. Связанное с нитрификацией подкисление почвы улучшает растворимость и, следовательно, доступность некоторых жизненно необходимых элементов, в первую очередь фосфора и железа[1].