Nitrobacteria

Nitrobacter es un género que comprende bacterias con forma de bastón, gramnegativas y quimioautótrofas. El nombre Nitrobacter deriva del sustantivo latino de género neutro nitrum, nitri, álcalis; el sustantivo griego antiguo βακτηρία, βακτηρίᾱς, vara. No son móviles y se reproducen mediante gemación o fisión binaria. Las células de Nitrobacter son aerobias obligadas y tienen un tiempo de duplicación de aproximadamente 13 horas.

Nitrobacter desempeña un papel importante en el ciclo del nitrógeno al oxidar el nitrito en nitrato en el suelo y los sistemas marinos. A diferencia de las plantas, donde la transferencia de electrones en la fotosíntesis proporciona la energía para la fijación de carbono, Nitrobacter utiliza energía de la oxidación de los iones nitrito, NO₂^-, en iones nitrato, NO₃^-, para satisfacer sus necesidades energéticas. Nitrobacter fija dióxido de carbono mediante el ciclo de Calvin para satisfacer sus necesidades de carbono. Nitrobacter pertenece a la clase Alphaproteobacteria de Pseudomonadota.

Morfología y características

Nitrobacter son bacterias gramnegativas y tienen forma de bastón, de pera o pleomórficas. Por lo general, miden entre 0,5 y 0,9 μm de ancho y entre 1,0 y 2,0 μm de largo y tienen un casquete polar intracitomembrana. Debido a la presencia de citocromos c, suelen ser amarillos en las suspensiones celulares. El sistema oxidante de nitrato en las membranas es citoplasmático. Se ha demostrado que las células de Nitrobacter se recuperan después de una exposición extrema al dióxido de carbono y no son móviles.

Filogenia

El análisis de la secuencia de ARNr 16s sitúa filogenéticamente a Nitrobacter dentro de la clase de Alphaproteobacteria. Las mediciones de distancia evolutiva por pares dentro del género son bajas en comparación con las encontradas en otros géneros y son inferiores al 1%. Nitrobacter también está estrechamente relacionado con otras especies dentro de Alphaproteobacteria, incluida la fotosintética Rhodopseudomonas palustris, la noduladora de raíces Bradyrhizobium japonicum y Blastobacter. denitrificans y los patógenos humanos Afipia felis y Afipia clevelandensis. Se presume que las bacterias del género Nitrobacter han surgido en múltiples ocasiones. de un ancestro fotosintético, y para géneros y especies nitrificantes individuales hay evidencia de que el fenotipo de nitrificación evolucionó por separado del encontrado en las bacterias fotosintéticas.

Todos los procariotas conocidos que oxidan nitritos están restringidos a un puñado de grupos filogenéticos. Esto incluye el género Nitrospira dentro del filo Nitrospirota y el género Nitrolancetus del filo Chloroflexota (anteriormente Chloroflexi). Antes de 2004, se creía que la oxidación de nitritos sólo ocurría en Pseudomonadota; es probable que una mayor investigación científica amplíe la lista de especies conocidas de oxidación de nitritos. La baja diversidad de especies que oxidan la oxidación de nitritos contrasta con otros procesos asociados con el ciclo del nitrógeno en el océano, como la desnitrificación y la fijación de N, donde una amplia gama de taxones realizan funciones análogas.

Nitrificación

La nitrificación es un componente crucial del ciclo del nitrógeno, especialmente en los océanos. La producción de nitrato (NO₃^-) por oxidación de nitrito (NO₂^-) por nitrificación el proceso que produce el nitrógeno inorgánico que satisface gran parte de la demanda de organismos fotosintéticos marinos oxigenados, como el fitoplancton, particularmente en áreas de afloramiento. Por esta razón, la nitrificación suministra gran parte del nitrógeno que alimenta la producción primaria planctónica en los océanos del mundo. Se estima que la nitrificación es la fuente de la mitad del nitrato consumido por el fitoplancton a nivel mundial. El fitoplancton contribuye de manera importante a la producción oceánica y, por lo tanto, es importante para la bomba biológica que exporta carbono y otras partículas de materia orgánica de las aguas superficiales de los océanos del mundo. El proceso de nitrificación es crucial para separar la producción reciclada de la producción que conduce a la exportación. El nitrógeno biológicamente metabolizado regresa a la reserva de nitrógeno inorgánico disuelto en forma de amoníaco. La nitrificación mediada por microbios convierte ese amoníaco en nitrato, que posteriormente puede ser absorbido por el fitoplancton y reciclado.

La reacción de oxidación de nitrito realizada por el Nitrobacter es la siguiente;

NO₂^- + H₂O → NO₃^- + 2H⁺ + 2e⁻

2H⁺ + 2e⁻ + ½O₂ → H₂O

Los Gibbs' El rendimiento de energía libre para la oxidación de nitritos es:

ΔG^ο = -74 kJ mol⁻¹ NO₂⁻

En los océanos, las bacterias que oxidan los nitritos, como Nitrobacter, suelen encontrarse muy cerca de las bacterias que oxidan el amoníaco. Estas dos reacciones juntas constituyen el proceso de nitrificación. La reacción de oxidación de nitrito generalmente ocurre más rápidamente en aguas oceánicas y, por lo tanto, no es un paso limitante de la velocidad de la nitrificación. Por esta razón, es raro que se acumulen nitritos en las aguas del océano.

La conversión en dos pasos de amoníaco en nitrato observada en las bacterias que oxidan el amoníaco, las arqueas que oxidan el amoníaco y las bacterias que oxidan los nitritos (como Nitrobacter) resulta desconcertante para los investigadores. La nitrificación completa, la conversión de amoníaco en nitrato en un solo paso conocida como comammox, tiene un rendimiento energético (∆G°′)  de −349 kJ mol⁻¹ NH₃ , mientras que los rendimientos energéticos para los pasos de oxidación de amoníaco y oxidación de nitrito de la reacción de dos pasos observada son −275 kJ mol⁻¹ NH₃ y −74 kJ mol⁻¹ NO₂⁻, respectivamente. Estos valores indican que sería energéticamente favorable para un organismo llevar a cabo una nitrificación completa de amoníaco a nitrato (comammox), en lugar de realizar sólo uno de los dos pasos. La motivación evolutiva para una reacción de nitrificación desacoplada en dos pasos es un área de investigación en curso. En 2015 se descubrió que la especie Nitrospira inopinata posee todas las enzimas necesarias para llevar a cabo una nitrificación completa en un solo paso, lo que sugiere que esta reacción sí ocurre. Este descubrimiento plantea dudas sobre la capacidad evolutiva de Nitrobacter para realizar únicamente la oxidación de nitritos.

Metabolismo y crecimiento

Los miembros del género Nitrobacter utilizan nitrito como fuente de electrones (reductor), nitrito como fuente de energía y CO₂ como fuente de carbono. El nitrito no es un sustrato particularmente favorable para obtener energía. Termodinámicamente, la oxidación de nitrito da un rendimiento (∆G°′) de sólo -74  kJ mol⁻¹ NO₂⁻. Como resultado, Nitrobacter ha desarrollado un metabolismo altamente especializado para obtener energía de la oxidación del nitrito.

Las células del género Nitrobacter se reproducen por gemación o fisión binaria. Los carboxisomas, que ayudan a la fijación de carbono, se encuentran en células cultivadas de forma litoautótrofa y mixotrófica. Otras inclusiones que conservan energía son los gránulos de PHB y los polifosfatos. Cuando están presentes nitritos y sustancias orgánicas, las células pueden exhibir un crecimiento bifásico; primero se utiliza el nitrito y después de una fase de latencia se oxida la materia orgánica. El crecimiento de los quimioorganótrofos es lento y desequilibrado, por lo que se observan más gránulos de poli-β-hidroxibutirato que distorsionan la forma y el tamaño de las células.

La enzima responsable de la oxidación de nitrito a nitrato en miembros del género Nitrobacter es la nitrito oxidorreductasa (NXR), que está codificada por el gen nxrA. NXR se compone de dos subunidades y probablemente forma un heterodímero αβ. La enzima existe dentro de la célula en membranas especializadas en el citoplasma que pueden plegarse en vesículas o tubos. Se cree que la subunidad α es el lugar de oxidación de nitrito y la subunidad β es un canal de electrones de la membrana. La dirección de la reacción catalizada por NXR se puede invertir dependiendo de las concentraciones de oxígeno. La región del gen nxrA que codifica la subunidad β de la enzima NXR tiene una secuencia similar a la de los centros hierro-azufre de las ferredoxinas bacterianas y a la subunidad β de la enzima nitrato reductasa. encontrado en Escherichia coli.

Ecología y distribución

El género Nitrobacter está ampliamente distribuido tanto en ambientes acuáticos como terrestres. Las bacterias nitrificantes tienen un crecimiento óptimo entre 77 y 86 °F (25 y 30 °C) y no pueden sobrevivir más allá del límite superior de 120 °F (49 °C) o el límite inferior de 32 °F (0 °C). Esto limita su distribución a pesar de que se pueden encontrar en una amplia variedad de hábitats. Las células del género Nitrobacter tienen un pH óptimo para el crecimiento entre 7,3 y 7,5. Según Grundmann, Nitrobacter parece crecer de manera óptima a 38 °C y a un pH de 7,9, pero Holt afirma que Nitrobacter crece de manera óptima a 28 °C y dentro de un rango de pH de 5,8 a 8,5, aunque tienen un pH óptimo entre 7,6 y 7,8.

La función ecológica principal de los miembros del género Nitrobacter es oxidar el nitrito a nitrato, una fuente primaria de nitrógeno inorgánico para las plantas. Este papel también es esencial en la acuaponía. Dado que todos los miembros del género Nitrobacter son aerobios obligados, el oxígeno junto con el fósforo tienden a ser factores que limitan su capacidad para realizar la oxidación de nitritos. Uno de los principales impactos de las bacterias nitrificantes como las Nitrosomonas que oxidan el amoníaco y las Nitrobacter que oxidan los nitritos en los ecosistemas tanto oceánicos como terrestres es el proceso de eutrofización.

La distribución y las diferencias en las tasas de nitrificación entre diferentes especies de Nitrobacter pueden atribuirse a diferencias en los plásmidos entre especies, como implican los datos presentados en Schutt (1990), se indujo ADN plasmídico específico del hábitat. por adaptación para algunos de los lagos que fueron investigados. Un estudio de seguimiento realizado por Navarro et al. (1995) demostraron que varias poblaciones de Nitrobacter portan dos plásmidos grandes. En conjunto con el estudio de Schutts (1990), Navarro et al. (1995) ilustraron características genómicas que pueden desempeñar papeles cruciales en la determinación de la distribución y el impacto ecológico de los miembros del género Nitrobacter. Las bacterias nitrificantes en general tienden a ser menos abundantes que sus contrapartes heterótrofas, ya que las reacciones oxidantes que realizan tienen un bajo rendimiento energético y la mayor parte de su producción de energía se destina a la fijación de carbono en lugar del crecimiento y la reproducción.

Historia

En 1890, el microbiólogo ucraniano-ruso Sergei Winogradsky aisló los primeros cultivos puros de bacterias nitrificantes que son capaces de crecer en ausencia de materia orgánica y luz solar. La exclusión de material orgánico por parte de Winogradsky en la preparación de sus cultivos se reconoce como un factor que contribuyó a su éxito en el aislamiento de los microbios (los intentos de aislar cultivos puros son difíciles debido a la tendencia de los organismos heterótrofos a superar las placas con presencia de material orgánico). ). En 1891, el químico inglés Robert Warington propuso un mecanismo de nitrificación en dos etapas, mediado por dos géneros distintos de bacterias. La primera etapa propuesta fue la conversión de amoníaco en nitrito y la segunda la oxidación de nitrito a nitrato. Winogradsky nombró a las bacterias responsables de la oxidación de nitrito a nitrato Nitrobacter en su estudio posterior sobre la nitrificación microbiana en 1892. Winslow et al. propuso la especie tipo Nitrobacter winogradsky en 1917. La especie fue reconocida oficialmente en 1980.

Especies principales

• Nitrobacter winogradskyi
• Nitrobacter hamburgensis
• Nitrobacter vulgaris
• Nitrobacter alkalicus