Dysymilacyjna redukcja azotanów do amonu
Dysymilacyjna redukcja azotanów do amonu (DNRA), znana również jako amonifikacja azotanów/azotynów , jest wynikiem oddychania beztlenowego przez drobnoustroje chemoorganoheterotroficzne wykorzystujące azotan (NO 3 − ) jako akceptor elektronów do oddychania. W warunkach beztlenowych drobnoustroje, które podejmują DNRA, utleniają materię organiczną i wykorzystują azotany (zamiast tlenu) jako akceptor elektronów, redukując je do azotynów , a następnie do amoniaku (NO 3 − →NO 2 − →NH 4 + ).
Dysymilacyjna redukcja azotanów do amoniaku jest bardziej powszechna u prokariotów , ale może również wystąpić u mikroorganizmów eukariotycznych . DNRA jest składnikiem ziemskiego i oceanicznego cyklu azotowego . W przeciwieństwie do denitryfikacji działa w celu zachowania biodostępnego azotu w systemie, wytwarzając rozpuszczalny amon , a nie niereaktywny gaz diazotowy.
Tło i proces
Proces komórkowy
Dysymilacyjna redukcja azotanów do amoniaku jest procesem dwuetapowym, polegającym na redukcji NO 3 − do NO 2 − następnie NO 2 − do NH 4 + , chociaż reakcja może rozpocząć się bezpośrednio od NO 2 − . W każdym etapie pośredniczy inny enzym , w pierwszym etapie dysymilacyjnej redukcji azotanów do amoniaku zwykle pośredniczy peryplazmatyczna reduktaza azotanowa . W drugim etapie (redukcja NO 2 oddechowego do NH 4 + ) pośredniczy reduktaza azotynowa cytochromu c , występująca na powierzchni błony peryplazmatycznej. Pomimo tego, że DNRA nie wytwarza N 2 O jako półproduktu podczas redukcji azotanów (jak ma to miejsce w przypadku denitryfikacji ), N 2 O może nadal być uwalniany jako produkt uboczny, dlatego DNRA może również działać jako pochłaniacz związanego, biodostępnego azotu. Wytwarzanie N 2 O przez DNRA może być zwiększone przy wyższych poziomach pH.
denitryfikacja
Dysymilacyjna redukcja azotanów do amoniaku jest podobna do procesu denitryfikacji , chociaż NO 2 − jest bardziej redukowany do NH 4 + niż do N 2 , przenosząc osiem elektronów. Zarówno denitryfikatory, jak i amonifikatory azotanów konkurują o NO 3 − w środowisku. Pomimo tego, że potencjał redoks dysymilacyjnej redukcji azotanów do amoniaku jest niższy niż denitryfikacja i wytwarza mniej energii swobodnej Gibbsa , wydajność energetyczna denitryfikacji może nie być skutecznie zachowana w serii reakcji enzymatycznych, a amonifikatory azotanowe mogą osiągnąć wyższe tempo wzrostu i konkurować z denitryfikatorami. Może to być szczególnie widoczne, gdy NO 3 − jest ograniczeniem w porównaniu z węglem organicznym, ponieważ węgiel organiczny jest utleniany bardziej „wydajnie” na NO 3 − (ponieważ każda cząsteczka NO 3 − jest dalej redukowana). Równowaga między denitryfikacją a DNRA jest ważna dla obiegu azotu w środowisku, ponieważ oba wykorzystują NO 3 − ale w przeciwieństwie do denitryfikacji , która wytwarza gazowy, niedostępny biologicznie N 2 (pochłanianie azotu), DNRA wytwarza dostępny biologicznie, rozpuszczalny NH 4 + .
Kontekst morski
Mikroorganizmy morskie
Ponieważ dysymilacyjna redukcja azotanów do amoniaku jest procesem oddychania beztlenowego , mikroorganizmy morskie zdolne do przeprowadzania DNRA są najczęściej spotykane w środowiskach o niskiej zawartości O 2 , takich jak strefy minimalnej zawartości tlenu (OMZ) w słupie wody lub osady o stromych gradientach O 2 .
DNRA zostało udokumentowane u prokariontów zamieszkujących górną warstwę osadów morskich. Na przykład bentosowe bakterie siarki z rodzajów takich jak Beggiatoa i Thioploca zamieszkują osady beztlenowe na szelfach kontynentalnych i uzyskują energię poprzez utlenianie siarczków za pośrednictwem DNRA. Bakterie te są w stanie przeprowadzić DNRA przy użyciu wewnątrzkomórkowego azotanu przechowywanego w wakuolach. Bezpośrednia redukcja azotanów do amonu poprzez dysymilacyjną redukcję azotanów, połączona z bezpośrednią konwersją amonu do diazotu przez Anammox , została przypisana znacznej utracie azotu w niektórych częściach oceanu; to sprzężenie DNRA-Anammox przez bakterie DNRA i Anammox może odpowiadać za utratę azotanów na obszarach bez wykrywalnej denitryfikacji, takich jak OMZ u wybrzeży Chile, Peru i Namibii, a także OMZ nad szelfem omańskim na Morzu Arabskim . Chociaż denitryfikacja jest bardziej korzystna energetycznie niż DNRA, istnieją dowody na to, że bakterie stosujące DNRA oszczędzają więcej energii niż denitryfikatory, umożliwiając im szybszy wzrost. Tak więc, poprzez sprzężenie DNRA-Anammox, bakterie wykorzystujące DNRA i Anammox mogą być silniejszymi konkurentami o substraty niż denitryfikatory.
Podczas gdy dysymilacyjna redukcja azotanów do amonu jest częściej kojarzona z prokariotami, ostatnie badania wykazały coraz więcej dowodów na obecność DNRA w różnych mikroorganizmach eukariotycznych . Spośród znanych gatunków grzybów zdolnych do DNRA jeden występuje w ekosystemach morskich; stwierdzono , że izolat ascomycete Aspergillus terreus z OMZ Morza Arabskiego jest zdolny do przeprowadzenia DNRA w warunkach beztlenowych. Dowody na istnienie DNRA znaleziono również w otwornicach morskich .
Niedawno odkryto, że przy użyciu wewnątrzkomórkowych zapasów azotanów okrzemki mogą przeprowadzać dysymilacyjną redukcję azotanów do amoniaku, prawdopodobnie w celu krótkotrwałego przeżycia lub wejścia w stadia spoczynku, umożliwiając im w ten sposób przetrwanie w ciemnych i beztlenowych warunkach. Jednak ich metabolizm prawdopodobnie nie jest podtrzymywany przez DNRA w celu długoterminowego przeżycia podczas faz spoczynku, ponieważ te fazy spoczynku często mogą być znacznie dłuższe niż ich wewnątrzkomórkowe dostarczanie azotanów. Wykorzystanie DNRA przez okrzemki jest możliwym wyjaśnieniem, w jaki sposób mogą one przetrwać zakopane w ciemnych, beztlenowych warstwach osadów na dnie oceanu, bez możliwości przeprowadzenia fotosyntezy lub oddychania tlenowego . Obecnie wiadomo, że DNRA jest przeprowadzana przez okrzemkę bentosową Amphora coffeaeformis , a także okrzemkę pelagiczną Thalassiosira weissflogii . Ponieważ okrzemki są znaczącym źródłem pierwotnej produkcji oceanicznej , zdolność okrzemek do przeprowadzania DNRA ma duży wpływ na ich rolę ekologiczną, a także rolę w morskim obiegu azotu .
Rola ekologiczna
W przeciwieństwie do denitryfikacji , która usuwa reaktywny azot z układu, dysymilacyjna redukcja azotanów do amoniaku oszczędza azot w układzie. Ponieważ DNRA pobiera azotany i przekształca je w amon , nie wytwarza N 2 ani N 2 O. W konsekwencji DNRA przetwarza azot zamiast powodować utratę azotu, co prowadzi do bardziej zrównoważonej produkcji pierwotnej i nitryfikacji .
W ekosystemie denitryfikacja i DNRA mogą zachodzić jednocześnie. Zwykle DNRA stanowi około 15% całkowitej szybkości redukcji azotanów, która obejmuje zarówno DNRA, jak i denitryfikację. Jednak na względne znaczenie każdego procesu wpływają zmienne środowiskowe. Na przykład stwierdzono, że DNRA jest od trzech do siedmiu razy wyższy w osadach pod klatkami dla ryb niż w osadach pobliskich z powodu akumulacji węgla organicznego .
Warunki, w których dysymilacyjna redukcja azotanów do amonu jest faworyzowana w porównaniu z denitryfikacją w ekosystemach przybrzeżnych, obejmują:
- Wysokie ładunki węgla i wysokie wskaźniki redukcji siarczanów (np. obszary spływów przybrzeżnych lub rzecznych)
- Nieporośnięty osad subpływowy
- Bagna o wysokich temperaturach i szybkościach redukcji siarczanów (produkujące wysoki poziom siarczków), np. namorzyny
- Wysoka depozycja materii organicznej (np. akwakultury)
- Ekosystemy, w których materia organiczna ma wysoki stosunek C/N
- Wysoki stosunek donorów elektronów (węgiel organiczny) do akceptorów (azotanów).
- Wysokie temperatury latem i niskie stężenia NO 3 −
Wysokie stężenie siarczków może hamować procesy nitryfikacji i denitryfikacji. Tymczasem może również zwiększyć dysymilacyjną redukcję azotanów do amonu, ponieważ wysokie stężenie siarczków zapewnia więcej donorów elektronów.
Ekosystemy, w których dominuje DNRA, mają mniejsze straty azotu, co skutkuje wyższym poziomem konserwowanego azotu w systemie. W osadach całkowita dysymilacyjna redukcja azotanów do dawki amonowej jest wyższa wiosną i latem w porównaniu z jesienią. Prokarionty są głównymi współtwórcami DNRA latem, podczas gdy eukarionty i prokarioty wnoszą podobny wkład w DNRA wiosną i jesienią.
Potencjalne korzyści z zastosowania dysymilacyjnej redukcji azotanów do amoniaku dla poszczególnych organizmów mogą obejmować:
- Detoksykacja nagromadzonych azotynów : jeśli enzym wykorzystuje azotany jako akceptor elektronów i wytwarza azotyny , może to spowodować wysoki poziom wewnątrzkomórkowych stężeń azotynów, które mogą być toksyczne dla komórki. DNRA nie magazynuje azotynów w komórce, zmniejszając poziom toksyczności.
- DNRA wytwarza pochłaniacz elektronów, który można wykorzystać do ponownego utleniania NADH: potrzeba posiadania pochłaniacza elektronów jest bardziej widoczna, gdy środowisko jest ograniczone azotanami.
Zmiany w obliczaniu współczynnika f
Równowaga dysymilacyjnej redukcji azotanów do amoniaku i denitryfikacji zmienia dokładność obliczeń współczynnika f . Współczynnik f służy do ilościowego określenia wydajności pompy biologicznej , która odzwierciedla sekwestrację węgla z atmosfery do głębin morskich. Współczynnik f jest obliczany na podstawie szacunków „nowej produkcji” (pierwotnej produktywności stymulowanej przez składniki odżywcze dostające się do strefy foticznej spoza strefy foticznej, na przykład z głębin oceanu) i „regenerowanej produkcji” (pierwotnej produktywności stymulowanej przez składniki odżywcze znajdujące się już w strefa foticzna, uwalniana przez remineralizację ). Obliczenia współczynnika f wykorzystują formy azotu stymulujące produktywność pierwotną jako wskaźnik zastępczy dla rodzaju występującej produkcji; produktywność stymulowana raczej przez NH 4 + niż przez NO 3 − to „regenerowana produkcja”. DNRA produkuje również NH 4 + (oprócz remineralizacji), ale z materii organicznej, która została wywieziona ze strefy foticznej; może to zostać następnie ponownie wprowadzone przez mieszanie lub wypiętrzenie głębszych wód z powrotem na powierzchnię, stymulując w ten sposób pierwotną produktywność ; w związku z tym na obszarach, na których występują duże ilości DNRA, obliczenia współczynnika f nie będą dokładne.