Bacterias desnitrificantes
Denitrifying bacterias son un grupo diverso de bacterias que abarcan muchos phyla diferentes. Este grupo de bacterias, junto con hongos denitrantes y arqueas, es capaz de realizar la denitrificación como parte del ciclo del nitrógeno. La denitrificación se realiza por una variedad de bacterias denitrizantes que se distribuyen ampliamente en suelos y sedimentos y que usan compuestos nitrógenos oxidados como nitrato y nitrito en ausencia de oxígeno como receptor de electrones terminales. Metabolizan compuestos nitrógenos usando varias enzimas, incluyendo reductasa de nitrato (NAR), reductasa de nitrito (NIR), reductasa de óxido nítrico (NOR) y reductasa de óxido nitroso (NOS), volviendo a los óxidos de nitrógeno (GNL)o óxido nitroso).
Diversidad de bacterias desnitrificantes
Existe una gran diversidad de rasgos biológicos. Se han identificado bacterias desnitrificantes en más de 50 géneros con más de 125 especies diferentes y se estima que representan entre el 10 y el 15 % de la población de bacterias en el agua, el suelo y los sedimentos.
Los desnitrificantes incluyen, por ejemplo, varias especies de Pseudomonas, Alcaligenes Bacillus y otras.
La mayoría de las bacterias desnitrificantes son heterótrofos aeróbicos facultativos que cambian de la respiración aeróbica a la desnitrificación cuando se agota el oxígeno como aceptor terminal de electrones (TEA) disponible. Esto obliga al organismo a utilizar nitrato para utilizarlo como TÉ. Debido a que la diversidad de bacterias desnitrificantes es tan grande, este grupo puede prosperar en una amplia gama de hábitats, incluidos algunos ambientes extremos, como ambientes altamente salinos y de alta temperatura. Los desnitrificadores aeróbicos pueden llevar a cabo un proceso respiratorio aeróbico en el que el nitrato se convierte gradualmente en N2 (NO3− →NO2− → NO → N2O → N2), utilizando nitrato reductasa (Nar o Nap), nitrito reductasa (Nir), óxido nítrico reductasa (Nor) y óxido nitroso reductasa (Nos). El análisis filogenético reveló que los desnitrificadores aeróbicos pertenecen principalmente a proteobacterias α, β y γ-.
Mecanismo de desnitrificación
Las bacterias desnitrificantes utilizan la desnitrificación para generar ATP.
El proceso de desnitrificación más común se describe a continuación, en el que los óxidos de nitrógeno se convierten nuevamente en nitrógeno gaseoso:
2 NO3− + 10 e− + 12 H+ → N2< /sub> + 6 H2O
El resultado es una molécula de nitrógeno y seis moléculas de agua. Las bacterias desnitrificantes forman parte del ciclo del N y consisten en devolver el N a la atmósfera. La reacción anterior es la media reacción general del proceso de desnitrificación. La reacción se puede dividir en diferentes medias reacciones, cada una de las cuales requiere una enzima específica. La transformación de nitrato a nitrito se realiza mediante la nitrato reductasa (Nar)
NO3− + 2 H+ + 2 e− → NO2- + H2O
La nitrito reductasa (Nir) convierte el nitrito en óxido nítrico
2 NO2− + 4 H+ + 2 e− → 2 NO + 2 H< sub>2O
La óxido nítrico reductasa (Nor) convierte el óxido nítrico en óxido nitroso
2 NO + 2 H+ + 2 e− → N2O + H2O
La óxido nitroso reductasa (Nos) termina la reacción convirtiendo el óxido nitroso en dinitrógeno
N2O + 2 H+ + 2 e− → N2 + H 2O
Es importante tener en cuenta que cualquiera de los productos producidos en cualquier paso puede intercambiarse con el entorno del suelo.
Oxidación del metano y desnitrificación
Oxidación anaeróbica de metano acoplada a desnitrificación
La desnitrificación anaeróbica acoplada a la oxidación de metano se observó por primera vez en 2008, con el aislamiento de una cepa bacteriana oxidante de metano que oxidaba el metano de forma independiente. Este proceso utiliza el exceso de electrones de la oxidación del metano para reducir los nitratos, eliminando eficazmente tanto el nitrógeno fijo como el metano de los sistemas acuáticos en hábitats que van desde sedimentos hasta turberas y columnas de agua estratificadas.
El proceso de desnitrificación anaeróbica puede contribuir significativamente a los ciclos globales del metano y el nitrógeno, especialmente a la luz de la reciente afluencia de ambos debido a cambios antropogénicos. Se sabe que el grado en que el metano antropogénico afecta la atmósfera es un importante impulsor del cambio climático y, considerando que es varias veces más potente que el dióxido de carbono. Se considera ampliamente que la eliminación de metano es beneficiosa para el medio ambiente, aunque no se comprende bien el alcance del papel que desempeña la desnitrificación en el flujo global de metano. Se ha demostrado que la desnitrificación anaeróbica como mecanismo es capaz de eliminar el exceso de nitrato provocado por el escurrimiento de fertilizantes, incluso en condiciones hipóxicas.
Además, los microorganismos que emplean este tipo de metabolismo pueden emplearse en la biorremediación, como lo demuestra un estudio de 2006 sobre la contaminación por hidrocarburos en la Antártida, así como un estudio de 2016 que aumentó con éxito las tasas de desnitrificación al alterar el entorno que alberga el bacterias. Se dice que las bacterias desnitrificantes son biorremediadoras de alta calidad debido a su adaptabilidad a una variedad de entornos diferentes, así como a que carecen de restos tóxicos o indeseables, como los que dejan otros metabolismos.
Papel de las bacterias desnitrificantes como sumidero de metano
Se ha descubierto que las bacterias desnitrificantes desempeñan un papel importante en la oxidación del metano (CH4) (donde el metano se convierte en CO2, agua y energía). en cuerpos de agua profundos de agua dulce. Esto es importante porque el metano es el segundo gas de efecto invernadero antropogénico más importante, con un potencial de calentamiento global 25 veces más potente que el del dióxido de carbono, y el agua dulce es un importante contribuyente a las emisiones globales de metano.
Un estudio realizado en el lago Constanza de Europa encontró que la oxidación anaeróbica de metano acoplada a la desnitrificación, también conocida como oxidación anaeróbica de metano dependiente de nitrato/nitrito (n-damo), es un sumidero dominante de metano en los lagos profundos. . Durante mucho tiempo se creyó que la mitigación de las emisiones de metano se debía únicamente a las bacterias metanotróficas aeróbicas. Sin embargo, la oxidación del metano también tiene lugar en zonas anóxicas o con falta de oxígeno de cuerpos de agua dulce. En el caso del lago de Constanza, esto lo realizan bacterias similares a M. oxyfera. Las bacterias similares a M. oxyfera son bacterias similares a Candidatus Methylomirabilis oxyfera, que es una especie de bacteria que actúa como metanótrofo desnitrificante.
Los resultados del estudio en el lago de Constanza encontraron que el nitrato se agotó en el agua a la misma profundidad que el metano, lo que sugiere que la oxidación del metano estaba acoplada a la desnitrificación. Se podría inferir que fueron bacterias similares a M. oxyfera las que llevaron a cabo la oxidación del metano porque su abundancia alcanzó su punto máximo a la misma profundidad donde se encontraban los perfiles de metano y nitrato. Este proceso n-damo es importante porque ayuda a disminuir las emisiones de metano de los cuerpos de agua dulce profundos y ayuda a convertir los nitratos en gas nitrógeno, reduciendo el exceso de nitratos.
Bacterias desnitrificantes y medio ambiente
Efectos de la desnitrificación al limitar la productividad de las plantas y producir subproductos
El proceso de desnitrificación puede reducir la fertilidad del suelo a medida que el nitrógeno, un factor limitante del crecimiento, se elimina del suelo y se pierde en la atmósfera. Esta pérdida de nitrógeno a la atmósfera puede eventualmente recuperarse mediante la introducción de nutrientes, como parte del ciclo del nitrógeno. Algo de nitrógeno también puede ser fijado por especies de bacterias nitrificantes y cianobacterias. Otro problema medioambiental importante relacionado con la desnitrificación es el hecho de que el proceso tiende a producir grandes cantidades de subproductos. Ejemplos de subproductos son el óxido nítrico (NO) y el óxido nitroso (N2O). El NO es una especie que agota la capa de ozono y el N2O es un potente gas de efecto invernadero que puede contribuir al calentamiento global.
Uso de bacterias desnitrificantes en el tratamiento de aguas residuales
Las bacterias desnitrificantes son un componente esencial en el tratamiento de aguas residuales. Las aguas residuales suelen contener grandes cantidades de nitrógeno (en forma de amonio o nitrato), que podrían ser perjudiciales para la salud humana y los procesos ecológicos si no se tratan. Se han utilizado muchos métodos físicos, químicos y biológicos para eliminar los compuestos nitrogenados y purificar las aguas contaminadas. El proceso y los métodos varían, pero generalmente implica convertir amonio en nitrato mediante un proceso de nitrificación con bacterias oxidantes de amonio (AOB, NH4+→NO2-) y bacterias oxidantes de nitrito (NOB, NO2-→NO3-), y finalmente al gas nitrógeno mediante desnitrificación. Un ejemplo de esto son las bacterias oxidantes de amoníaco que tienen una característica metabólica que, en combinación con otras actividades metabólicas del ciclo del nitrógeno, como la oxidación de nitritos y la desnitrificación, eliminan el nitrógeno de las aguas residuales en los lodos activados. Dado que las bacterias desnitrificantes son heterótrofas, se les suministra una fuente de carbono orgánico en una cuenca anóxica. Sin oxígeno disponible, las bacterias desnitrificantes utilizan el redox del nitrato para oxidar el carbono. Esto conduce a la creación de gas nitrógeno a partir de nitrato, que luego burbujea fuera de las aguas residuales.