Диссимиляционное восстановление нитрата до аммония - Dissimilatory nitrate reduction to ammonium
Dissimilatory снижение нитрата аммония с (DNRA), также известный как нитрат / нитрит аммонификации , является результатом анаэробного дыхания с помощью chemoorganoheterotrophic микробов с использованием нитрата (NO 3 - ) в качестве акцептора электронов для дыхания. В анаэробных условиях микробы, которые проводят DNRA, окисляют органическое вещество и используют нитрат (а не кислород) в качестве акцептора электронов, восстанавливая его до нитрита , а затем до аммония (NO 3 - → NO 2 - → NH 4 + ).
Диссимиляционное восстановление нитратов до аммония чаще встречается у прокариот, но также может происходить у эукариотических микроорганизмов . DNRA является составной частью земного и океанического азотного цикла . В отличие от денитрификации , он сохраняет биодоступный азот в системе, производя растворимый аммоний, а не инертный газообразный азот.
Предпосылки и процесс
Клеточный процесс
Диссимиляционное восстановление нитратов до аммония представляет собой двухэтапный процесс: восстановление NO 3 - до NO 2 - затем NO 2 - до NH 4 + , хотя реакция может начинаться непосредственно с NO 2 - . Каждая стадия опосредуется отдельным ферментом , первая стадия диссимиляционного восстановления нитрата до аммония обычно опосредуется периплазматической нитратредуктазой . Вторая стадия (респираторное восстановление NO 2 - до NH 4 + ) опосредуется цитохром-нитритредуктазой , происходящей на поверхности периплазматической мембраны. Несмотря на то, что DNRA не производит N 2 O в качестве промежуточного продукта во время восстановления нитратов (как это происходит при денитрификации ), N 2 O все еще может выделяться как побочный продукт, таким образом, DNRA может также действовать как поглотитель фиксированного биодоступного азота. Производство N 2 O в DNRA может быть увеличено при более высоких уровнях pH.
Денитрификация
Диссимиляционное восстановление нитрата до аммония похоже на процесс денитрификации , хотя NO 2 - восстанавливается дальше до NH 4 +, а не до N 2 , с переносом восьми электронов. Оба денитрификаторы и нитрат аммонификаторы конкурируют за NO 3 - в окружающей среде. Несмотря на то, что окислительно-восстановительный потенциал диссимиляционного восстановления нитрата до аммония ниже, чем денитрификации, и дает меньше свободной энергии Гиббса , выход энергии денитрификации не может эффективно сохраняться в серии ферментативных реакций, и нитратные аммонификаторы могут достичь более высоких скоростей роста и превзойти денитрификаторы. Это может быть особенно ярко выражено, когда NO 3 - является ограниченным по сравнению с органическим углеродом, поскольку органический углерод окисляется более «эффективно» на NO 3 - (поскольку каждая молекула NO 3 - восстанавливается дальше). Баланс денитрификации и DNRA имеет важное значение для азотного цикла окружающей среды как оба использует NO 3 - , но, в отличии от денитрификации , который производит газообразную, не-биодоступную N 2 (слив азот), DNRA производит биодоступным, растворимый NH 4 + .
Морской контекст
Морские микроорганизмы
Поскольку диссимиляционное восстановление нитратов до аммония является анаэробным процессом дыхания , морские микроорганизмы, способные выполнять DNRA, чаще всего встречаются в средах с низким содержанием O 2 , таких как зоны минимального содержания кислорода (OMZ) в водной толще или отложения с крутыми градиентами O 2 .
DNRA была зарегистрирована у прокариот, населяющих верхний слой морских отложений. Например, бентосные серные бактерии таких родов, как Beggiatoa и Thioploca, населяют бескислородные отложения на континентальных шельфах и получают энергию, окисляя сульфид через DNRA. Эти бактерии способны осуществлять DNRA, используя внутриклеточный нитрат, хранящийся в вакуолях. Прямое восстановление нитрата до аммония посредством диссимиляционного восстановления нитрата в сочетании с прямым преобразованием аммония в диазот с помощью Anammox приписывают значительной потере азота в некоторых частях океана; это соединение DNRA- Anammox бактериями DNRA и Anammox может объяснить потерю нитратов в районах, где не обнаруживается денитрификация, например, в ОМЗ у побережья Чили, Перу и Намибии, а также на ОМЗ на оманском шельфе в Аравийском море . Хотя денитрификация более энергетически выгодна, чем DNRA, есть свидетельства того, что бактерии, использующие DNRA, сохраняют больше энергии, чем денитрификаторы, что позволяет им расти быстрее. Таким образом, посредством связывания DNRA-Anammox бактерии, использующие DNRA и Anammox, могут быть более сильными конкурентами для субстратов, чем денитрификаторы.
Хотя диссимиляционное восстановление нитратов до аммония чаще связано с прокариотами, недавние исследования обнаружили все больше доказательств наличия DNRA у различных эукариотических микроорганизмов. Из известных видов грибов, способных к DNRA, один встречается в морских экосистемах; Было обнаружено, что изолят аскомицета Aspergillus terreus из ОМЗ Аравийского моря способен выполнять DNRA в бескислородных условиях. Свидетельства DNRA также были обнаружены в морских фораминиферах .
Совсем недавно было обнаружено, что, используя внутриклеточные запасы нитратов, диатомеи могут осуществлять диссимиляционное восстановление нитратов до аммония, вероятно, для кратковременного выживания или для перехода в стадии покоя, тем самым позволяя им сохраняться в темноте и в бескислородных условиях. Однако их метаболизм, вероятно, не поддерживается DNRA для долгосрочного выживания во время стадий покоя, так как эти стадии покоя часто могут быть намного дольше, чем их внутриклеточное поступление нитратов может длиться. Использование DNRA диатомовыми водорослями является возможным объяснением того, как они могут выжить в темных бескислородных слоях отложений на дне океана, не имея возможности осуществлять фотосинтез или аэробное дыхание . В настоящее время известно, что DNRA осуществляется донной диатомей Amphora coffeaeformis , а также пелагической диатомей Thalassiosira weissflogii . Поскольку диатомовые водоросли являются важным источником первичной продукции в океане , способность диатомовых водорослей выполнять DNRA имеет большое значение для их экологической роли, а также для их роли в морском азотном цикле .
Экологическая роль
В отличие от денитрификации , которая удаляет реактивный азот из системы, диссимиляционное восстановление нитратов до аммония сохраняет азот в системе. Поскольку DNRA принимает нитрат и преобразует его в аммоний , он не производит N 2 или N 2 O. Следовательно, DNRA рециркулирует азот, а не вызывает потери азота, что приводит к более устойчивому первичному производству и нитрификации .
Внутри экосистемы денитрификация и DNRA могут происходить одновременно. Обычно DNRA составляет около 15% от общего уровня снижения содержания нитратов, который включает как DNRA, так и денитрификацию. Однако относительная важность каждого процесса зависит от переменных окружающей среды. Например, обнаружено, что DNRA в отложениях под садками для рыбы в три-семь раз выше, чем в близлежащих отложениях из-за накопления органического углерода .
Условия, при которых диссимиляционное восстановление нитратов до аммония предпочтительнее денитрификации в прибрежных экосистемах, включают следующее:
- Высокие углеродные нагрузки и высокие темпы восстановления сульфатов (например, районы прибрежного или речного стока)
- Невегетированный сублиторальный осадок
- Болота с высокими температурами и степенью восстановления сульфатов (с высоким содержанием сульфидов), например мангровые заросли.
- Высокое отложение органических веществ (например, в аквакультуре)
- Экосистемы, в которых органическое вещество имеет высокое соотношение C / N
- Высокое соотношение донора электронов (органический углерод) к акцептору (нитрату)
- Высокие летние температуры и низкая NO 3 - концентрации
Высокая концентрация сульфидов может подавлять процессы нитрификации и денитрификации. Между тем, он также может усиливать диссимиляционное восстановление нитрата до аммония, поскольку высокая концентрация сульфида обеспечивает больше доноров электронов.
Экосистемы, в которых доминирует DNRA, имеют меньшие потери азота, что приводит к более высоким уровням сохраненного азота в системе. В отложениях общее диссимиляционное восстановление нитратов до аммония выше весной и летом по сравнению с осенью. Прокариоты вносят основной вклад в DNRA летом, в то время как эукариоты и прокариоты вносят аналогичный вклад в DNRA весной и осенью.
Потенциальные преимущества использования диссимиляционного восстановления нитрата до аммония для отдельных организмов могут включать следующее:
- Детоксикация накопленного нитрита : если фермент использует нитрат в качестве акцептора электронов и производит нитрит , это может привести к высоким уровням внутриклеточной концентрации нитрита, которые могут быть токсичными для клетки. DNRA не накапливает нитриты в клетке, снижая уровень токсичности.
- DNRA производит сток электронов, который можно использовать для повторного окисления НАДН: потребность в приемнике электронов более очевидна, когда среда ограничена нитратами.
Изменения в расчете f-коэффициента
Баланс диссимиляционного восстановления нитрата до аммония и денитрификации изменяет точность расчетов f-отношения . Коэффициент f используется для количественной оценки эффективности биологического насоса , который отражает улавливание углерода из атмосферы в глубокое море. Коэффициент f рассчитывается с использованием оценок «новой продукции» (первичная продуктивность, стимулируемая питательными веществами, поступающими в фотическую зону из-за пределов фотической зоны, например, из глубин океана) и «регенерированной продукции» (первичная продуктивность, стимулируемая питательными веществами, уже находящимися в световая зона, высвобождаемая реминерализацией ). В расчетах коэффициента f используются виды азота, стимулирующие первичную продуктивность, в качестве косвенного показателя типа производимой продукции; продуктивность, стимулированная NH 4 +, а не NO 3 -, является «регенерированной продукцией». DNRA также производит NH 4 + (в дополнение к реминерализации), но из органического вещества, которое было экспортировано из фотической зоны; это может быть впоследствии повторно введено путем перемешивания или подъема более глубокой воды обратно на поверхность, тем самым стимулируя первичную продуктивность ; таким образом, в областях, где происходит большое количество DNRA, расчеты f-отношения не будут точными.