Денитрифицирующие бактерии
У многих эубактерий конечным акцептором электронов дыхательной цепи , наиболее часто заменяющим молекулярный кислород, служит нитрат . Он может восстанавливаться до нитрита , накапливающегося в среде, или молекулярного азота, удаляющегося в атмосферу. Процесс восстановления нитрата до нитрита в системе энергетического метаболизма , получивший название нитратного дыхания , широко распространен среди эубактерий и обнаружен у представителей более 70 родов.
Гораздо уже круг организмов, способных восстанавливать нитраты или нитриты до N2. На этом пути в качестве промежуточных продуктов идентифицированы окись (NO) и закись (N2O) азота :
NО3- переходит в NО2- переходит в N2O переходит в N2
Как и молекулярный азот, NО и N2О - газообразные продукты. Процесс восстановления NO3- или NO2- до какой-либо из газообразных форм азота получил название денитрификации . К денитрификации способны только прокариоты. Значение процесса - генерирование АТФ в анаэробных условиях, используя для акцептирования электронов, поступающих в дыхательную цепь, восстановление NO3- или NО2-. Наиболее распространенные формы денитрификации - восстановление NO3 или NO2 до N2. Встречаются также штаммы, осуществляющие отдельные этапы процесса:
NO3- переходит в N2O, N2O или NO переходит в N2.
"Полная" или "усеченная" денитрификация обнаружена у эубактерий, принадлежащих ко всем основным физиологическим группам: фототрофам и хемолитотрофам , грамположительным и грамотрицательным факультативным анаэробам. В наибольшей степени способность к денитрификации распространена у бактерий из родов Bacillus и Pseudomonas .
Свойство восстанавливать нитрат представляется менее необычным, если вспомнить, что бактерии, использующие в качестве источника азота нитраты (а таких много), должны иметь ферментную систему для его восстановления, так как в конструктивном метаболизме азот участвует только в восстановленной форме. Таким образом, восстановление нитрата в системе реакций конструктивного метаболизма, получившее название ассимиляционной нитратредукции (NO3- переходит в NH3), очевидно. Оно имеет место всегда при выращивании на среде с нитратами в качестве единственного источника азота.
Способность к ассимиляционной нитратредукции необязательно облигатно связана со способностью к денитрификации. Например, Pseudomonas aeruginosa обладает обеими метаболическими активностями; у Rhodopseudomonas spheroides обнаружена способность к денитрификации, но не к ассимиляции нитрата; наконец, многие эубактерий могут ассимилировать нитрат, но не могут осуществлять денитрификацию.
Оба процесса восстановления нитрата различаются по ряду признаков ( табл. 32 ). Информация об ассимиляционной нитратредукции и денитрификации закодирована в разных генах.
Большинство денитрификаторов - хемоорганотрофы . Использование в качестве конечного акцептора электронов нитратов позволяет им окислять органические субстраты полностью (до СО2 и Н2О) по обычным катаболическим путям. Переходящий на переносчики водород поступает в дыхательную цепь.
Изменение свободной энергии при окислении 1 молекулы глюкозы молекулярным кислородом (дельта G0' = -2870 кДж/моль) того же порядка, что и окисление этого же субстрата в анаэробных условиях нитратом, восстанавливающимся до нитрита (дельта G0' = -1770 кДж/моль) или молекулярного азота (дельта G0' = -2700 кДж/моль). Таким образом, энергетические возможности процесса окисления глюкозы с участием нитрата сопоставимы с энергетическими возможностями процесса аэробного дыхания . Запасание клеткой полезной энергии при денитрификации зависит от организации электронного транспорта, свойств и локализации соответствующих редуктаз. Электронтранспортные цепи денитрификаторов в анаэробных условиях содержат все основные типы связанных с мембранами переносчиков: флавопротеины , хиноны ( убихинон , менахинон или нафтохинон ), цитохромы типа b, с. Цитохромоксидазы в этих условиях не синтезируются.
Полный процесс денитрификации состоит из 4 восстановительных этапов, каждый из которых катализируется специфической мембрансвязанной редуктазой. Нитратредуктазы всех денитрификаторов структурно сходны между собой (содержат Мо-FeS-белки) и катализируют восстановление нитрата до нитрита в соответствии с уравнением:
NO3- + 2е + 2Н+ переходит в NО2- + Н2О
С дыхательной цепью нитратредуктазы сопряжены на уровне цитохрома b ( рис. 98 , В).
Нитритредуктазы (1) и, вероятно, редуктазы окиси (2) и закиси (3) азота акцептируют электроны на уровне цитохрома с, осуществляя следующие реакции:
NO2- + е + Н+ переходит в NО + ОН (1)
2NO + 2е + 2Н+ переходит в N2O + Н2О (2)
N2O + 2е + 2Н+ переходит в N2 + Н2О (3)
В дыхательной цепи денитрификаторов при переносе электронов на нитрат функционируют 2 генератора дельта мю Н+ (вместо 3 при переносе электронов на О2). Процесс восстановления нитрата до нитрита локализован на внутренней стороне ЦПМ . По другим данным, ферментный комплекс имеет трансмембранную ориентацию, в результате чего поглощенные из цитоплазмы протоны переносятся на противоположную сторону, где участвуют в нитратредуктазной реакции. В любом из вариантов это приводит к созданию трансмембранного протонного градиента нужного направления ( рис. 25 ).
Таким образом, при денитрификации перенос 2 электронов сопряжен с трансмембранным переносом 4 протонов, т.е. энергетический выход составляет примерно 70% сравнительно с аэробным дыханием.
Все денитрифицирующие бактерии - факультативные анаэробы , переключающиеся на денитрификацию только в отсутствие О2, поэтому, вероятно, их приспособление к анаэробным условиям - вторичного происхождения. Способность к денитрификации развилась после сформирования механизмов использования О2 как конечного акцептора электронов. Первым шагом на пути вторичного приспособления к анаэробным условиям явилось развитие нитратного дыхания . Следующий шаг - совершенствование способности использовать нитраты для акцептирования электронов дыхательной цепи - привел к возникновению денитрификации.
Денитрифицирующие бактерии - обитатели пресных и морских водоемов, почв разного типа, в связи с чем денитрификация широко распространена в природе. Этот процесс служит источником атмосферного азота, являясь необходимым звеном в круговороте азота в природе. В то же время денитрификация имеет отрицательное значение, так как приводит к обеднению почв азотом. Потери азотных удобрений в почвах в результате денитрификации могут составлять от 5 до 80%. Один из способов борьбы с денитрификацией - рыхление почвы, создающее в ней аэробные условия, что заставляет денитрифицирующие бактерии перестраивать электронтранспортные системы, осуществляя перенос электронов на О2, а не на нитраты.
