Nitrobacter - Nitrobacter
| Nitrobacter | |
|---|---|
| Klasyfikacja naukowa | |
| Królestwo: | |
| Gromada: | |
| Klasa: | |
| Zamówienie: | |
| Rodzina: | |
| Rodzaj: |
Nitrobacter
Winogradsky 1892
|
| Wpisz gatunki | |
|
Nitrobacter winogradskyi |
|
| Gatunki | |
Nitrobacter JeSt rodzaju zawierające w kształcie pręta , gram-ujemne , i chemoautotrophic bakterii . Nazwa Nitrobacter pochodzi od łacińskiego rzeczownika rodzaju nijakiego nitrum, nitri , alkalis ; starogrecki rzeczownik βακτηρία , βακτηρίᾱς , pręt. Są nieruchliwe i rozmnażają się poprzez pączkowanie lub rozszczepienie binarne . Komórki Nitrobacter są bezwzględnymi tlenowcami i mają czas podwojenia około 13 godzin.
Nitrobacter odgrywają ważną rolę w cyklu azotowym poprzez utlenianie azotynów do azotanów w glebie i systemach morskich. W przeciwieństwie do roślin , w których transfer elektronów w procesie fotosyntezy dostarcza energii do wiązania węgla , Nitrobacter wykorzystuje energię z utleniania jonów azotynowych NO 2 - do jonów azotanowych NO 3 - do zaspokojenia swoich potrzeb energetycznych. Nitrobacter wiąże dwutlenek węgla w cyklu Calvina w celu zaspokojenia swoich wymagań w zakresie węgla. Nitrobacter należą do a-podklasy o Proteobacteria .
Morfologia i charakterystyka
Nitrobacter są bakteriami Gram-ujemnymi i mają kształt pałeczki, gruszki lub pleomorfii . Mają zazwyczaj 0,5–0,9 μm szerokości i 1,0–2,0 μm długości oraz posiadają wewnątrzkomórkową czapeczkę polarną . Ze względu na obecność cytochromów c często są one żółte w zawiesinach komórkowych. Układ utleniania azotanów na błonach jest cytoplazmatyczny . Wykazano, że komórki Nitrobacter regenerują się po ekstremalnej ekspozycji na dwutlenek węgla i są nieruchliwe.
Filogeneza
Analiza sekwencji rRNA 16s filogenetycznie umieszcza Nitrobacter w klasie Alphaproteobacteria . Pomiary odległości ewolucyjnych parami w obrębie rodzaju są niskie w porównaniu z pomiarami występującymi w innych rodzajach i wynoszą mniej niż 1%. Nitrobacter są również blisko spokrewnione z innymi gatunkami w podrejonie alfa , w tym z fotosyntetycznym Rhodopseudomonas palustris , bradyrhizobium japonicum i Blastobacter denitrificans oraz ludzkimi patogenami Afipia felis i Afipia clevelandensis . Przypuszcza się, że bakterie z rodzaju Nitrobacter powstały wielokrotnie od przodków fotosyntetyzujących, a dla poszczególnych rodzajów i gatunków nitryfikacyjnych istnieją dowody na to, że fenotyp nitryfikacji wyewoluował oddzielnie od fenotypu występującego w bakteriach fotosyntetycznych.
Wszystkie znane prokarioty utleniające azotyn są ograniczone do kilku grup filogenetycznych. Obejmuje to rodzajową Nitrospira obrębie Gromada Nitrospirae , a genus Nitrolancetus z gromady Chloroflexi . Uważano, że przed 2004 rokiem utlenianie azotynów zachodziło tylko w obrębie Proteobacteria; prawdopodobne jest, że dalsze badania naukowe poszerzą listę znanych gatunków utleniających azotyny. Niska różnorodność gatunków utleniających utlenianie azotynów kontrastuje z innymi procesami związanymi z obiegiem azotu w oceanie, takimi jak denitryfikacja i wiązanie azotu , w których różnorodne taksony pełnią analogiczne funkcje.
Nitryfikacja
Główny artykuł: Nitryfikacja
Nitryfikacja jest kluczowym elementem obiegu azotu, zwłaszcza w oceanach. Produkcja azotanu (NO 3 - ) poprzez utlenianie azotynu (NO 2 - ) poprzez nitryfikację, proces, w którym wytwarza się azot nieorganiczny, który zaspokaja zapotrzebowanie morskich organizmów tlenowych, fotosyntetyzujących, takich jak fitoplankton , szczególnie na obszarach upwellingu . Z tego powodu nitryfikacja dostarcza znaczną część azotu, który napędza pierwotną produkcję planktonu w oceanach świata. Szacuje się, że nitryfikacja jest źródłem połowy azotanów zużywanych przez fitoplankton na świecie. Fitoplankton jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do produkcji oceanicznej i dlatego jest ważny dla pompy biologicznej, która eksportuje węgiel i inne cząstki organiczne z wód powierzchniowych oceanów świata. Proces nitryfikacji ma kluczowe znaczenie dla oddzielenia produkcji poddanej recyklingowi od produkcji prowadzącej do eksportu. Biologicznie metabolizowany azot powraca do nieorganicznej puli rozpuszczonego azotu w postaci amoniaku. Nitryfikacja za pośrednictwem drobnoustrojów przekształca amoniak w azotan, który następnie może zostać pobrany przez fitoplankton i poddany recyklingowi.
Reakcja utleniania azotynów przeprowadzona przez Nitrobacter jest następująca;
NO 2 - + H 2 O → NO 3 - + 2H + + 2e -
2H + + 2e - + ½O 2 → H 2 O
Przez Gibbsa Free Energy wydajność utleniania azotynów jest:
ΔG ο = -74 kJ mol −1 NO 2 -
W oceanach bakterie utleniające azotyn, takie jak Nitrobacter, zwykle znajdują się w pobliżu bakterii utleniających amoniak. Te dwie reakcje razem tworzą proces nitryfikacji. Reakcja utleniania azotynów na ogół przebiega szybciej w wodach oceanicznych i dlatego nie jest etapem ograniczającym szybkość nitryfikacji. Z tego powodu azotyn gromadzi się rzadko w wodach oceanu.
Dwuetapowa konwersja amoniaku do azotanu obserwowana w bakteriach utleniających amoniak, archeonach utleniających amoniak i bakteriach utleniających azotyny (takich jak Nitrobacter ) jest zagadkowa dla naukowców. Całkowita nitryfikacja, konwersja amoniaku do azotanu w pojedynczym etapie, znana jako komammoks , daje wydajność energetyczną (ΔG ° ′) -349 kJ mol −1 NH 3 , podczas gdy uzysk energii z utleniania amoniaku i utleniania azotynów etapy obserwowanej dwuetapowej reakcji wynoszą odpowiednio −275 kJ mol −1 NH 3 i −74 kJ mol −1 NO 2 - . Wartości te wskazują, że dla organizmu korzystne byłoby energetycznie przeprowadzenie całkowitej nitryfikacji od amoniaku do azotanu ( komammoks ), zamiast przeprowadzać tylko jeden z dwóch etapów. Ewolucyjna motywacja dla oddzielonej, dwuetapowej reakcji nitryfikacji jest przedmiotem ciągłych badań. W 2015 roku odkryto, że gatunek Nitrospira inopinata posiada wszystkie enzymy potrzebne do przeprowadzenia pełnej nitryfikacji w jednym etapie, co sugeruje, że reakcja ta zachodzi. Odkrycie to rodzi pytania dotyczące ewolucyjnej zdolności Nitrobacter do prowadzenia jedynie utleniania azotynów.
Metabolizm i wzrost
Członkowie rodzaju Nitrobacter wykorzystują azotyn jako źródło elektronów ( reduktor ), O 2 jako źródło energii i CO 2 jako źródło węgla. Azotyn nie jest szczególnie korzystnym substratem do pozyskiwania energii. Termodynamicznie utlenianie azotynów daje wydajność (ΔG ° ′) tylko -74 kJ mol −1 NO 2 - . W rezultacie firma Nitrobacter rozwinęła wysoce wyspecjalizowany metabolizm, aby czerpać energię z utleniania azotynów.
Komórki z rodzaju Nitrobacter rozmnażają się poprzez pączkowanie lub rozszczepienie binarne. Karboksysomy , które wspomagają wiązanie węgla, znajdują się w komórkach hodowanych litoautotroficznie i miksotroficznie . Dodatkowymi inkluzjami oszczędzającymi energię są granulki PHB i polifosforany . Gdy obecne są zarówno azotyn, jak i substancje organiczne, komórki mogą wykazywać dwufazowy wzrost; najpierw stosuje się azotyn, a po fazie zastoju następuje utlenienie materii organicznej. Wzrost chemoorganotrofów jest powolny i niezrównoważony, stąd widać więcej granulek poli-β-hydroksymaślanu, które zniekształcają kształt i rozmiar komórek.
Enzymem odpowiedzialnym za utlenianie azotynów do azotanów u przedstawicieli rodzaju Nitrobacter jest oksydoreduktaza azotynowa (NXR), która jest kodowana przez gen nxrA . NXR składa się z dwóch podjednostek i prawdopodobnie tworzy αβ-heterodimer. Enzym występuje w komórce na wyspecjalizowanych błonach cytoplazmy, które mogą być zwinięte w pęcherzyki lub rurki. Uważa się, że podjednostka α jest miejscem utleniania azotynów, a podjednostka β jest kanałem elektronowym błony. Kierunek reakcji katalizowanej przez NXR można odwrócić w zależności od stężenia tlenu. Region genu nxrA, który koduje podjednostkę β enzymu NXR, jest podobny pod względem sekwencji do centrów żelaza i siarki w bakteryjnych ferredoksynach oraz do podjednostki β enzymu reduktazy azotanowej, występującego w Escherichia coli .
Ekologia i dystrybucja
Rodzaj Nitrobacter jest szeroko rozpowszechniony zarówno w środowisku wodnym, jak i lądowym. Bakterie nitryfikacyjne mają optymalny wzrost w temperaturze od 25 do 30 ° C i nie mogą przetrwać powyżej górnej granicy 49 ° C lub dolnej granicy 0 ° C. Ogranicza to ich rozmieszczenie, mimo że można je spotkać w wielu różnych siedliskach. Komórki z rodzaju Nitrobacter mają optymalne pH do wzrostu między 7,3 a 7,5 i umierają w temperaturach przekraczających 120 ° F (49 ° C) lub poniżej 32 ° F (0 ° C). Według Grundmanna, Nitrobacter wydaje się rosnąć optymalnie w 38 ° C i przy pH 7,9, ale Holt twierdzi, że Nitrobacter rośnie optymalnie w 28 ° C i w zakresie pH od 5,8 do 8,5, chociaż mają optymalne pH między 7,6 a 7.8.
Podstawową rolą ekologiczną przedstawicieli rodzaju Nitrobacter jest utlenianie azotynów do azotanów, podstawowego źródła nieorganicznego azotu dla roślin. Ta rola jest również niezbędna w akwaponice . Ponieważ wszyscy członkowie rodzaju Nitrobacter są bezwzględnymi tlenowcami , tlen wraz z fosforem są czynnikami ograniczającymi ich zdolność do utleniania azotynów. Jednym z głównych wpływów bakterii nitryfikacyjnych, takich jak Nitrosomonas utleniający amoniak i Nitrobacter utleniających azotyny, zarówno w ekosystemach oceanicznych, jak i lądowych, jest proces eutrofizacji .
Rozmieszczenie i różnice w szybkości nitryfikacji w różnych gatunkach Nitrobacter można przypisać różnicom w plazmidach między gatunkami, jak sugerują dane przedstawione w Schutt (1990), specyficzne dla siedliska DNA plazmidowe zostało wywołane przez adaptację niektórych badanych jezior. . Dalsze badanie przeprowadzone przez Navarro i wsp . (1995) wykazali, że różne populacje Nitrobacter niosą dwa duże plazmidy. W połączeniu z badaniem Schuttsa (1990), Navarro i in. (1995) zilustrowali cechy genomowe, które mogą odgrywać kluczową rolę w określaniu rozmieszczenia i wpływu ekologicznego przedstawicieli rodzaju Nitrobacter . Bakterie nitryfikacyjne na ogół występują w mniejszych ilościach niż ich heterotroficzne odpowiedniki, ponieważ reakcje utleniania, które przeprowadzają, mają niską wydajność energetyczną, a większość ich produkcji energii idzie w kierunku wiązania węgla, a nie wzrostu i rozmnażania.
Historia
W 1890 ukraińskiego - rosyjski mikrobiologii Siergiej Winogradski samodzielnie pierwsze czystych kultur o nitryfikacyjne bakterie , które są zdolne do wzrostu w nieobecności substancji organicznych i światła słonecznego . Wykluczenie materiału organicznego przez Winogradsky'ego podczas przygotowywania jego kultur jest uznawane za czynnik przyczyniający się do jego sukcesu w izolowaniu drobnoustrojów. W 1891 roku angielski chemik Robert Warington zaproponował dwuetapowy mechanizm nitryfikacji , w którym pośredniczą dwa różne rodzaje bakterii. Pierwszym zaproponowanym etapem była konwersja amoniaku do azotynów, a drugim utlenianie azotynów do azotanów. Winogradsky nazwał bakterie odpowiedzialne za utlenianie azotynów do azotanów Nitrobacter w swoich kolejnych badaniach dotyczących nitryfikacji drobnoustrojów w 1892 r. Winslow et al . zaproponował gatunek typowy Nitrobacter winogradsky w 1917 roku. Gatunek został oficjalnie uznany w 1980 roku.