Является С02, ассимиляция которого осуществляется в восстановительном

пентозофосфатном цикле. Исключение составляют Nitrobacter vulgaris,

который хуже растет в хемолитоавтотрофных, чем в хемоорганогетеротрофных

условиях, и Nitrobacter hamburgensis, способный к росту в миксотрофных

условиях. При росте в миксотрофных условиях Nitrobacter winogradskyi и

Nitrobacter vulgaris сначала окисляют нитрит и только затем органические

соединения. У Nb. hamburgensis использование органических веществ и

нитрита идет одновременно. Способность некоторых видов нитробактеров

использовать органические соединения как источники энергии и углерода

определяется наличием у них всех ферментов цикла трикарбоновых кислот (ЦТК),

тогда как у облигатно автотрофных видов (например, Nitrosomonas europea и

Nitrosolobus multiformis) ЦТК функционировать не может из-за отсутствия

ключевого фермента - кетоглутаратдегидрогеназы.

В качестве источников азота нитрифицирующие бактерии используют

аммоний. Некоторые виды ассимилируют гидроксиламин, нитриты и

нитраты. Образование ассимиляторных нитрат-, нитритредуктазы известно у

Nitrobacter winogradskyi. Штаммы Nitrobacter xmnogradskyi и других видов

этого рода могут обладать способностью расти на средах с пептоном, гидролизатом казеина и дрожжевым экстрактом в качестве источников азота.

Nitrobacter europaea утилизирует в качестве источника азота гидроксиламин,

нитриты, но не нитраты. Представители Nitrosococcus sp. и Nitrosomonas sp:

могут проявлять уреазную активность.

Большинство данных относительно биохимического механизма первой

фазы нитрификации получено при изучении бактерии Nitrosomonas europaea.

Энергетическим субстратом у нее является аммиак и превращение его в

нитрит идет в ходе двух последовательных реакций:

NH3 + 02 + НАД • Н2 -> NH2OH + Н20 + НАД+,

NH2OH + 02 -> N02 (N20) +. Н20 + Н+.

Первая из этих реакций, приводящая к образованию гидроксиламина,

является эндергонической. Ключевой фермент хемолитоавтотрофного

окисления аммония - мембранно-связанная Cu-содержащая аммониймонооксиге-

наза, которая катализирует присоединение к молекуле аммиака 1 атома 02, а

второй взаимодействует, вероятно, с НАД • Н2, что приводит к образованию

Н26. Гидроксиламин высвобождается в периплазматическое пространство

бактериальной клетки и далее окисляется до нитрита (и до закиси азота) гид-

роксиламиноксидоредуктазой. Аммониймонооксигеназа, катализирующая

окисление аммиака, может участвовать в гидроксилировании и ряда других

субстратов, которые не обеспечивают рост нитрификаторов. К их числу

относятся монооксид углерода (СО), метан, некоторые неполярные органические

соединения - углеводороды и спирты. Многие из них являются

ингибиторами окисления аммония. С другой стороны, известно, что монооксигеназы ме-

танокисляющих бактерий катализируют окисление не только метана, но

также NH3 и ряда других соединений.

ПРОЦЕСС

Гидроксиламиноксидоредуктаза у Nitrosomonas europea локализована в пе-

риплазматическом пространстве. Это гемопротеин, который имеет молеку-

лярную массу 200 кД и состоит из (ХзРз~сУбъединиц. Помимо гемов с-типа в

него входит Р-460, также относящийся к гемовым соединениям. Окисление

гидроксиламина сопряжено с функционированием дыхательной электронт-

ранспортной цепи (ЭТЦ), в которую входят цитохромы с и а:

NH2OH -» цит. с-554 -> цит. с-552 -» цит. ах —> 02.

Электроны могут поступать в ЭТЦ при окислении HNO и NO до N02.

В ЭТЦ нитрифицирующих бактерий, окисляющих гидроксиламин, также

может входить убихинон - цитохром бс-комплекс.

Четыре электрона, высвобождающихся при окислении гидроксиламина,

участвуют в окислении аммиака в ЭТЦ и ассимиляции С02. Действие дыхательной

системы ведет к созданию разности трансмембранного электрохимического

потенциала и синтезу АТФ. Часть энергии, видимо, расходуется на

образование восстановленного НАД, необходимого для биосинтетических реакций.

Кроме того, окисление гидроксиламина, связанное с ЭТЦ, обеспечивает

функционирование монооксигеназы, которая катализирует превращение

NH3 в NH2OH, так как при этом происходит образование донора электрона,

взаимодействующего с указанным ферментом.

Вторую фазу процесса - окисление нитрита до нитрата, осуществляет

мембранно-связанный фермент нитритоксидоредуктаза, обнаруженный у

бактерий рода Nitrobacter [Кондратьева, 1996]. В ее состав входит молибдоп-

терин и железосодержащие кластеры. Превращение нитрита в нитрат

происходит при участии воды и связано с функционированием ЭТЦ, в которую

входят цитохромы a, q (с-550) и аа$.

N02 —» цит. а\ —> цит. q —> цит. аа3 —* Н20.

Окисление N02 до NO3 - процесс обратимый. Нитритоксидоредуктаза

присутствует у нитробактера не только при его росте в аэробных хемолитот-

рофных условиях и наличии N02, но и в клетках, выросших на органических

средах с NO3, а при низком р02 и без нитрата.

Итак, синтез АТФ у автотрофных нитрификаторов происходит в

результате окислительного фосфорилирования при переносе электронов с NH^h

N02 на 02 по дыхательной цепи, а источником углерода является С02

(растворенные в воде карбонаты).

Низкий окислительно-восстановительный потенциал пары NH4/NH2OH,

NH2OH/N02 и N02/N03 обусловливает функционирование короткой

электрон-транспортной цепи, и потому для приращения биомассы на 1 мг

бактерии p. Nitrosomonas окисляют 35 мг N-NH4, a p. Nitrobacter - до 100 мг N-N02.

Оптимальные концентрации аммония для энергетического метаболизма у

разных штаммов автотрофных нитрификаторов варьируют от 2,0 до 50,0 мМ,

нитрита - от 2,0 до 10 мМ. Максимальная скорость нитрификации и

концентрация конечных продуктов у автотрофных нитрификаторов достигает

соответственно, 1000—70 000 мг N/(r • сут) или и 2-4 мг N/мл среды. Важным

компонентом среды, который может существенно лимитировать активность

нитрификации в природе, является содержание фосфора. В чистой культуре

оптимальная концентрация фосфора для Nitrosomonas лежит в диапазоне

300-3000 мг/л, для Nitrobacter - 300-900 мг/л, и ее снижение ведет к

существенному увеличение лаг-периода.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: