La reducción disimilatoria de nitrato a amonio (DNRA), también conocida como amonificación de nitrato / nitrito , es el resultado de la respiración anaeróbica por microbios quimioorganoheterotróficos que utilizan nitrato (NO 3 - ) como aceptor de electrones para la respiración. [1] [2] En condiciones anaeróbicas, los microbios que toman DNRA oxidan la materia orgánica y usan nitrato (en lugar de oxígeno) como aceptor de electrones, reduciéndolo a nitrito , luego amonio (NO 3 - → NO 2 - → NH 4 + ). [1]
La reducción disimilatoria de nitrato a amonio es más común en procariotas, pero también puede ocurrir en microorganismos eucariotas . [3] [4] [5] DNRA es un componente del ciclo del nitrógeno terrestre y oceánico . A diferencia de la desnitrificación , actúa para conservar el nitrógeno biodisponible en el sistema, produciendo amonio soluble en lugar de gas dinitrógeno no reactivo. [6]
Antecedentes y proceso
Proceso celular
La reducción disimilatoria de nitrato a amonio es un proceso de dos pasos, reduciendo NO 3 - a NO 2 - luego NO 2 - a NH 4 + , aunque la reacción puede comenzar con NO 2 - directamente. [1] Cada paso está mediado por una enzima diferente , el primer paso de la reducción disimilatoria de nitrato a amonio suele estar mediado por una nitrato reductasa periplásmica . El segundo paso (respiratoria NO 2 - reducción a NH 4 + ) está mediada por el citocromo c nitrito reductasa , que se producen en la superficie de la membrana periplásmica. [7] A pesar de que DNRA no produce N 2 O como intermedio durante la reducción de nitrato (como lo hace la desnitrificación ), el N 2 O aún puede liberarse como subproducto, [2] por lo tanto, DNRA también puede actuar como un sumidero de nitrógeno fijo biodisponible. La producción de DNRA de N 2 O puede mejorarse a niveles de pH más altos. [8]
Desnitrificación
La reducción disimilatoria de nitrato a amonio es similar al proceso de desnitrificación , aunque el NO 2 - se reduce más a NH 4 + en lugar de N 2 , transfiriendo ocho electrones. [2] Ambos desnitrificantes y ammonifiers nitrato están compitiendo por NO 3 - en el medio ambiente. A pesar de que el potencial redox de la reducción disimilatoria de nitrato a amonio es menor que la desnitrificación y produce menos energía libre de Gibbs , el rendimiento energético de la desnitrificación puede no conservarse eficientemente en su serie de reacciones enzimáticas y los amonificantes de nitrato pueden lograr tasas de crecimiento más altas y superar a los desnitrificadores. [9] Esto puede ser especialmente pronunciado cuando el NO 3 - es limitante en comparación con el carbono orgánico, ya que el carbono orgánico se oxida más "eficientemente" por NO 3 - (ya que cada molécula de NO 3 - se reduce más). [10] El equilibrio de desnitrificación y DNRA es importante para el ciclo del nitrógeno de un medio ambiente, ya que ambos utilizan NO 3 , pero, a diferencia de la desnitrificación , que produce N 2 gaseoso, no biodisponible (un sumidero de nitrógeno), DNRA produce biodisponible, soluble NH 4 + . [1]
Contexto marino
Microorganismos marinos
Como la reducción disimilatoria de nitratos a amonio es un proceso de respiración anaeróbica , los microorganismos marinos capaces de realizar DNRA se encuentran más comúnmente en ambientes bajos en O 2 , como zonas de mínimo de oxígeno (OMZ) en la columna de agua, o sedimentos con gradientes de O 2 pronunciados. [11] [12]
Se ha documentado DNRA en procariotas que habitan la capa superior de sedimentos marinos. Por ejemplo, las bacterias de azufre bentónicas en géneros como Beggiatoa y Thioploca habitan en sedimentos anóxicos en las plataformas continentales y obtienen energía oxidando el sulfuro a través de DNRA. Estas bacterias pueden realizar DNRA utilizando nitrato intracelular almacenado en vacuolas. [4] [13] La reducción directa de nitrato a amonio a través de la reducción disimilatoria de nitrato, junto con la conversión directa de amonio a dinitrógeno a través de Anammox , se ha atribuido a una pérdida significativa de nitrógeno en ciertas partes del océano; Este acoplamiento DNRA-Anammox por DNRA y bacterias Anammox puede explicar la pérdida de nitrato en áreas sin desnitrificación detectable, como en las ZOM frente a las costas de Chile, Perú y Namibia, así como en las ZOM sobre la plataforma de Omán en el Mar Arábigo . [14] Si bien la desnitrificación es energéticamente más favorable que la DNRA, existe evidencia de que las bacterias que utilizan DNRA conservan más energía que los desnitrificadores, lo que les permite crecer más rápido. [14] Por lo tanto, a través del acoplamiento DNRA-Anammox, las bacterias que usan DNRA y Anammox pueden ser competidores más fuertes para los sustratos que los desnitrificantes. [14]
Si bien la reducción disimilatoria de nitratos a amonio se asocia más comúnmente con procariotas, investigaciones recientes han encontrado evidencia creciente de DNRA en varios microorganismos eucariotas . De las especies de hongos conocidas con capacidad para DNRA, una se encuentra en los ecosistemas marinos; Se ha encontrado que un aislado de ascomiceto Aspergillus terreus de una ZOM del Mar Arábigo es capaz de realizar DNRA en condiciones anóxicas. [5] También se ha encontrado evidencia de DNRA en foraminíferos marinos . [5]
Más recientemente, se ha descubierto que utilizando depósitos de nitrato intracelular, las diatomeas pueden llevar a cabo una reducción disimilatoria de nitratos a amonio, probablemente para la supervivencia a corto plazo o para entrar en etapas de reposo, lo que les permite persistir en condiciones de oscuridad y anoxia. [11] [15] Sin embargo, su metabolismo probablemente no sea sostenido por DNRA para la supervivencia a largo plazo durante las etapas de reposo, ya que estas etapas de reposo a menudo pueden ser mucho más largas de lo que duraría su suministro de nitrato intracelular. [11] El uso de DNRA por parte de las diatomeas es una posible explicación de cómo pueden sobrevivir enterradas en capas de sedimentos oscuros y anóxicos en el fondo del océano, sin poder realizar la fotosíntesis o la respiración aeróbica . [12] Actualmente, se sabe que la DNRA es llevada a cabo por la diatomea bentónica Amphora coffeaeformis , así como por la diatomea pelágica Thalassiosira weissflogii . [11] [12] Dado que las diatomeas son una fuente importante de producción primaria oceánica , la capacidad de las diatomeas para realizar DNRA tiene importantes implicaciones en su función ecológica, así como en su función en el ciclo del nitrógeno marino . [12]
Papel ecológico
A diferencia de la desnitrificación , que elimina el nitrógeno reactivo del sistema, la reducción disimilatoria de nitrato a amonio conserva el nitrógeno dentro del sistema. Dado que DNRA toma nitrato y lo convierte en amonio , no produce N 2 o N 2 O. En consecuencia, DNRA recicla nitrógeno en lugar de causar pérdida de N, lo que conduce a una producción primaria y nitrificación más sostenibles . [6]
Dentro de un ecosistema, la desnitrificación y la DNRA pueden ocurrir simultáneamente. Por lo general, DNRA es aproximadamente el 15% de la tasa total de reducción de nitratos, que incluye tanto DNRA como desnitrificación. [6] Sin embargo, la importancia relativa de cada proceso está influenciada por variables ambientales. Por ejemplo, se encuentra que el DNRA es de tres a siete veces más alto en sedimentos debajo de jaulas para peces que en sedimentos cercanos debido a la acumulación de carbono orgánico . [dieciséis]
Las condiciones en las que se favorece la reducción disimilatoria de nitratos a amonio sobre la desnitrificación en los ecosistemas costeros son las siguientes: [16] [6]
- Altas cargas de carbono y altas tasas de reducción de sulfato (por ejemplo, áreas de escorrentía costera o fluvial)
- Sedimento submareal sin vegetación
- Marismas con altas temperaturas y tasas de reducción de sulfatos (que producen altos niveles de sulfuros), por ejemplo, manglares
- Gran deposición de materia orgánica (por ejemplo, acuicultura)
- Ecosistemas donde la materia orgánica tiene una alta relación C / N
- Alta relación de donante de electrones (carbono orgánico) a aceptor (nitrato)
- Las temperaturas del verano altos y bajos NO 3 - concentraciones
Una alta concentración de sulfuro puede inhibir los procesos de nitrificación y desnitrificación. Mientras tanto, también puede mejorar la reducción de nitratos disimilatorios a amonio, ya que una alta concentración de sulfuro proporciona más donantes de electrones. [17]
Los ecosistemas donde DNRA es dominante tienen menos pérdida de nitrógeno, lo que resulta en niveles más altos de nitrógeno preservado en el sistema. [16] Dentro de los sedimentos, la tasa de reducción total de nitratos disimilatorios a amonio es mayor en primavera y verano en comparación con otoño. Los procariotas son los principales contribuyentes de DNRA durante el verano, mientras que los eucariotas y procariotas contribuyen de manera similar a DNRA durante la primavera y el otoño. [6]
Los beneficios potenciales de usar la reducción de nitrato disimilatorios a amonio para organismos individuales pueden incluir los siguientes: [18]
- Desintoxicación del nitrito acumulado : si una enzima usa nitrato como aceptor de electrones y produce nitrito , puede resultar en altos niveles de concentraciones intracelulares de nitrito que pueden ser tóxicos para la célula. [18] DNRA no almacena nitrito dentro de la célula, lo que reduce el nivel de toxicidad. [19]
- DNRA produce un sumidero de electrones que se puede utilizar para la reoxidación de NADH: la necesidad de tener un sumidero de electrones es más evidente cuando el entorno está limitado por nitratos. [18]
Cambios en el cálculo de la relación f
El equilibrio de la reducción de nitrato disimilatorio a amonio y la desnitrificación altera la precisión de los cálculos de la relación f . La relación f se utiliza para cuantificar la eficiencia de la bomba biológica , que refleja el secuestro de carbono de la atmósfera a las profundidades marinas. [20] La relación f se calcula utilizando estimaciones de 'nueva producción' (productividad primaria estimulada por nutrientes que entran en la zona fótica desde fuera de la zona fótica, por ejemplo, desde el océano profundo) y 'producción regenerada' (productividad primaria estimulada por nutrientes ya en la zona fótica, liberado por remineralización ). [21] Los cálculos de la relación f utilizan las especies de nitrógeno que estimulan la productividad primaria como aproximación del tipo de producción que se está produciendo; la productividad estimulada por NH 4 + en lugar de NO 3 - es 'producción regenerada'. [22] DNRA también produce NH 4 + (además de la remineralización) pero a partir de materia orgánica que se ha exportado desde la zona fótica; esto puede reintroducirse posteriormente mediante la mezcla o el afloramiento de aguas más profundas de regreso a la superficie, estimulando así la productividad primaria ; por lo tanto, en áreas donde se producen altas cantidades de DNRA, los cálculos de la relación f no serán precisos.
Referencias
- ↑ a b c d Lam, Phyllis y Kuypers, Marcel MM (2011). "Procesos de nitrógeno microbiano en zonas de mínimo de oxígeno". Revisión anual de ciencias marinas . 3 : 317–345. Bibcode : 2011ARMS .... 3..317L . doi : 10.1146 / annurev-marine-120709-142814 . hdl : 21.11116 / 0000-0001-CA25-2 . PMID 21329208 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ a b c Kraft, B. Strous, M. y Tegetmeyer, HE (2011). "Respiración de nitrato microbiano - Genes, enzimas y distribución ambiental". Revista de Biotecnología . 155 (1): 104-117. doi : 10.1016 / j.jbiotec.2010.12.025 . PMID 21219945 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Kuypers, MMM; Marchant, HK; Kartal, B (2011). "La red microbiana del ciclo del nitrógeno". Nature Reviews Microbiología . 1 (1): 1-14. doi : 10.1038 / nrmicro.2018.9 . PMID 29398704 .
- ^ a b Preisler, André; de Beer, Dirk; Lichtschlag, Anna; Lavik, Gaute; Boetius, Antje; Jørgensen, Bo Barker (28 de junio de 2007). "Oxidación biológica y química de sulfuros en un sedimento marino habitado en Beggiatoa" . El diario ISME . 1 (4): 341–353. doi : 10.1038 / ismej.2007.50 . ISSN 1751-7362 . PMID 18043645 .
- ^ a b c Stief, Peter; Fuchs-Ocklenburg, Silvia; Kamp, Anja; Manohar, Cathrine-Sumathi; Houbraken, Jos; Boekhout, Teun; de Beer, Dirk; Stoeck, Thorsten (1 de enero de 2014). "Reducción de nitrato disimilatorio por Aspergillus terreus aislado de la zona mínima de oxígeno estacional en el Mar Arábigo" . Microbiología BMC . 14 : 35. doi : 10.1186 / 1471-2180-14-35 . ISSN 1471-2180 . PMC 3928326 . PMID 24517718 .
- ^ a b c d e Marchant, HK; Lavik, G .; Holtappels, M .; Kuypers, MMM (2014). "El destino del nitrato en sedimentos permeables intermareales" . PLOS ONE . 9 (8): e104517. Código bibliográfico : 2014PLoSO ... 9j4517M . doi : 10.1371 / journal.pone.0104517 . PMC 4134218 . PMID 25127459 .
- ^ Simon, J. Gross, R. Einsle, O. Kroneck, PMH, Krüger, A. y Klimmek O. (2000). "Un citocromo c (NrfH) de tipo NapC / NirT es el mediador entre el grupo de quinonas y la citocromo c nitrito reductasa de Wolinella succinogenes" . Microbiología molecular . 35 (3): 686–696. doi : 10.1046 / j.1365-2958.2000.01742.x . PMID 10672190 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Stevens, RJ Laughlin RJ y Malone, JP (1998). "El pH del suelo afecta los procesos reduciendo el nitrato a óxido nitroso y di-nitrógeno". Biología y Bioquímica del Suelo . 30 (8–9): 1119–1126. doi : 10.1016 / S0038-0717 (97) 00227-7 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Strohm, TO Griffin, B. Zumft, WG y Schink, B. (2007). "Rendimientos de crecimiento en desnitrificación bacteriana y amonificación de nitratos" . Microbiología aplicada y ambiental . 73 (5): 1420-1424. doi : 10.1128 / AEM.02508-06 . PMC 1828769 . PMID 17209072 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Cole, JA y Brown, CM (1980). "Reducción de nitritos a amoniaco por bacterias fermentadoras - cortocircuito en el ciclo biológico del nitrógeno" . Cartas de Microbiología FEMS . 7 (2): 65–72. doi : 10.1111 / j.1574-6941.1980.tb01578.x .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ a b c d Kamp, Anja; Cerveza, Dirk de; Nitsch, Jana L .; Lavik, Gaute; Stief, Peter (5 de abril de 2011). "Las diatomeas respiran nitrato para sobrevivir en condiciones de oscuridad y anoxia" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 108 (14): 5649–5654. Código bibliográfico : 2011PNAS..108.5649K . doi : 10.1073 / pnas.1015744108 . ISSN 0027-8424 . PMC 3078364 . PMID 21402908 .
- ^ a b c d Kamp, Anja; Stief, Peter; Knappe, Jan; Cerveza, Dirk de (02/12/2013). "Respuesta de la omnipresente diatomea pelágica Thalassiosira weissflogii a la oscuridad y la anoxia" . PLOS ONE . 8 (12): e82605. Código bibliográfico : 2013PLoSO ... 882605K . doi : 10.1371 / journal.pone.0082605 . ISSN 1932-6203 . PMC 3846789 . PMID 24312664 .
- ^ Otte, Sandra; Kuenen, J. Gijs; Nielsen, Lars P .; Paerl, Hans W .; Zopfi, Jakob; Schulz, Heide N .; Teske, Andreas; Strotmann, Bettina; Gallardo, Victor A. (1 de julio de 1999). "Metabolismo de nitrógeno, carbono y azufre en muestras de Thioploca natural" . Microbiología aplicada y ambiental . 65 (7): 3148–3157. doi : 10.1128 / aem.65.7.3148-3157.1999 . ISSN 0099-2240 . PMC 91469 . PMID 10388716 .
- ^ a b c Jensen, Marlene M; Lam, Phyllis; Revsbech, Niels Peter; Nagel, Birgit; Gaye, Birgit; Jetten, Mike SM; Kuypers, Marcel MM (26 de febrero de 2017). "Pérdida intensiva de nitrógeno sobre la plataforma de Omán debido a anammox junto con reducción de nitrito disimilatorios a amonio" . El diario ISME . 5 (10): 1660–1670. doi : 10.1038 / ismej.2011.44 . ISSN 1751-7362 . PMC 3176517 . PMID 21509044 .
- ^ Kamp, Anja; Høgslund, Signe; Risgaard-Petersen, Nils; Stief, Peter (1 de enero de 2015). "Almacenamiento de nitratos y reducción de nitratos disimilatorios por microbios eucariotas" . Fronteras en microbiología . 6 : 1492. doi : 10.3389 / fmicb.2015.01492 . PMC 4686598 . PMID 26734001 .
- ^ a b c Giblin, AE ; Tobias, CR; Song, B .; Weston, N .; Banta, GT; Rivera-Monroy, VH (2013). "La importancia de la reducción disimilatoria de nitratos a amonio (DNRA) en el ciclo del nitrógeno de los ecosistemas costeros" . Oceanografía . 26 (3): 124-131. doi : 10.5670 / oceanog.2013.54 .
- ^ An, S .; Gardner, WS (2002). "Reducción de nitrato disimilatorio a amonio (DNRA) como enlace de nitrógeno, versus desnitrificación como sumidero en un estuario poco profundo (Laguna Madre / Baffin Bay, Texas)" . Serie del progreso de la ecología marina . 237 : 41–50. Código Bibliográfico : 2002MEPS..237 ... 41A . doi : 10.3354 / meps237041 .
- ↑ a b c Tiedje, JM (1988). Ecología de la desnitrificación y reducción disimilatoria de nitratos a amonio. pag. 179-244. En AJB Zehnder (ed.), Microbiología ambiental de los anaerobios. John Wiley and Sons, Nueva York
- ^ Tiso, M .; Schechter, AN (2015). "Reducción de nitrato a nitrito, óxido nítrico y amoníaco por bacterias intestinales en condiciones fisiológicas" . PLOS ONE . 10 (3): e0119712. doi : 10.1371 / journal.pone.0119712 . PMC 4372352 . PMID 25803049 .
- ^ Ducklow, HW, Steinberg, DK y Bueseler, KO (2001). "Exportación de carbono del océano superior y la bomba biológica" . Oceanografía . 14 (4): 50–58. doi : 10.5670 / oceanog.2001.06 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ "Determinación de la relación f" (PDF) . Universidad de Hawaii . 21 de marzo de 2017.
- ^ WG Harrison, Platt, T. y Marlon, LR (1987). "f-Ratio y su relación con la concentración ambiental de nitratos en aguas costeras". Revista de investigación del plancton . 9 : 235–248. doi : 10.1093 / plankt / 9.1.235 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )