Nitrobacter

Nitrobacter es un género que comprende bacterias bacilares , gramnegativas y quimioautótrofas . ^{[ 1 ]} El nombre Nitrobacter deriva del sustantivo latino neutro nitrum, nitri , álcalis; del sustantivo griego antiguo βακτηρία, βακτηρίᾱς , bastón. Son inmóviles y se reproducen por gemación o fisión binaria . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Las células de Nitrobacter son aerobias obligadasy tienen un tiempo de duplicación de aproximadamente 13 horas. ^{[ 1 ]}

Nitrobacter desempeña un papel importante en el ciclo del nitrógeno al oxidar nitrito a nitrato en suelos y sistemas marinos. ^{[ 2 ]} A diferencia de las plantas , donde la transferencia de electrones en la fotosíntesis proporciona la energía para la fijación de carbono , Nitrobacter utiliza la energía de la oxidación de iones nitrito, NO ₂ ⁻ , a iones nitrato, NO ₃ ⁻ , para satisfacer sus necesidades energéticas. Nitrobacter fija dióxido de carbono a través del ciclo de Calvin para sus requerimientos de carbono. ^{[ 1 ]} Nitrobacter pertenece a la clase Alphaproteobacteria de Pseudomonadota . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Las bacterias del género Nitrobacter son gramnegativas y pueden tener forma de bacilo, de pera o ser pleomórficas . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Suelen tener un ancho de 0,5–0,9 μm y una longitud de 1,0–2,0 μm, y poseen una capa polar intracitomembranosa . ^{[ 5 ] [ 2 ]} Debido a la presencia de citocromos c , a menudo son amarillas en suspensiones celulares. ^{[ 5 ]} El sistema de oxidación de nitratos en las membranas es citoplasmático . ^{[ 2 ]} Se ha demostrado que las células de Nitrobacter se recuperan tras una exposición extrema al dióxido de carbono y son inmóviles. ^{[ 6 ] [ 5 ] [ 2 ]}

El análisis de la secuencia del ARNr 16S sitúa filogenéticamente a Nitrobacter dentro de la clase 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%. ^{[ 6 ]} Nitrobacter también está estrechamente relacionado con otras especies dentro de Alphaproteobacteria , incluyendo la fotosintética Rhodopseudomonas palustris , la noduladora de raíces Bradyrhizobium japonicum y Blastobacter denitrificans , y los patógenos humanos Afipia felis y Afipia clevelandensis . ^{[ 6 ]} Se presume que las bacterias dentro del género Nitrobacter surgieron 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 que se encuentra en las bacterias fotosintéticas. ^{[ 6 ]}

Todos los procariotas oxidantes de nitrito conocidos se restringen a un puñado de grupos filogenéticos. Esto incluye el género ^{Nitrospira dentro del filo Nitrospirota [7] y el género Nitrolancetus del filo Chloroflexota (anteriormente Chloroflexi) [8} ] . Antes de ^{2004 ,} se creía que la ^{oxidación de nitrito} solo ocurría dentro de Pseudomonadota; es probable que futuras investigaciones científicas amplíen la lista de especies oxidantes de nitrito conocidas ^{[ 9 ]} . La baja diversidad de especies que oxidan nitrito contrasta con otros procesos asociados al ciclo del nitrógeno en el océano, como la desnitrificación y la fijación de N , donde una amplia gama de taxones realiza funciones análogas ^{[ 8 ] .}

La nitrificación es un componente crucial del ciclo del nitrógeno, especialmente en los océanos. La producción de nitrato ( NO₃⁻ ) mediante la oxidación de nitrito ( NO₂⁻ ) se lleva a cabo mediante la nitrificación , el proceso que produce el nitrógeno inorgánico que satisface gran parte de la demanda de los organismos marinos oxigénicos y fotosintéticos , como el fitoplancton , particularmente en áreas de afloramiento . Por esta razón, la nitrificación suministra gran parte del nitrógeno que impulsa 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. ^{[ 10 ]} El fitoplancton es un importante contribuyente a la producción oceánica y, por lo tanto, es fundamental para la bomba biológica que exporta carbono y otra materia orgánica particulada 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 metabolizado biológicamente regresa al reservorio de nitrógeno disuelto inorgánico en forma de amoníaco. La nitrificación mediada por microorganismos convierte ese amoníaco en nitrato, que posteriormente puede ser absorbido por el fitoplancton y reciclado. ^{[ 10 ]}

La reacción de oxidación del nitrito realizada por Nitrobacter es la siguiente:

NO − 2 + H ₂ O → NO − 3 + 2 H ⁺ + 2 e ⁻

2 H ⁺ + 2 mi ^- + 1 ⁄ 2 O ₂ → H ₂ O ^{[ 9 ]}

El rendimiento de energía libre de Gibbs para la oxidación del nitrito es:

Δ G ° = −74 kJ mol ⁻¹ NO − 2

En los océanos, las bacterias oxidantes de nitrito, como Nitrobacter, suelen encontrarse cerca de las bacterias oxidantes de amoníaco. ^{[ 11 ]} Estas dos reacciones, en conjunto, constituyen el proceso de nitrificación. La reacción de oxidación del nitrito generalmente se produce más rápidamente en aguas oceánicas y, por lo tanto, no es la etapa limitante de la velocidad de la nitrificación. Por esta razón, es raro que el nitrito se acumule en las aguas oceánicas.

La conversión en dos etapas de amoníaco a nitrato observada en bacterias oxidantes de amoníaco , arqueas oxidantes de amoníaco y bacterias oxidantes de nitrito (como Nitrobacter ) resulta desconcertante para los investigadores. ^{[ 12 ] [ 13 ]} La nitrificación completa, la conversión de amoníaco a nitrato en un solo paso conocido como comammox , tiene un rendimiento energético (∆ G °′) de −349 kJ mol ⁻¹ NH ₃ , mientras que los rendimientos energéticos para las etapas de oxidación de amoníaco y oxidación de nitrito de la reacción en dos etapas observada son −275 kJ mol ⁻¹ NH ₃ , y −74 kJ mol ⁻¹ NO − 2 , respectivamente. ^{[ 12 ]} Estos valores indican que sería energéticamente favorable para un organismo llevar a cabo la nitrificación completa de amoníaco a nitrato ( comammox ), en lugar de realizar solo uno de los dos pasos. La motivación evolutiva para una reacción de nitrificación desacoplada de 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 la nitrificación completa en un paso, lo que sugiere que esta reacción sí ocurre. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Este descubrimiento plantea preguntas sobre la capacidad evolutiva de Nitrobacter para realizar solo la oxidación de nitrito.

Los miembros del género Nitrobacter utilizan nitrito como fuente de electrones ( reductor ), nitrito como fuente de energía y CO₂ _como fuente de carbono. _[ ^{11 ] El} nitrito no es un sustrato particularmente favorable para obtener energía. Termodinámicamente, la oxidación del nitrito produce un rendimiento (∆G°′) de solo -74 kJ mol⁻¹ ^NO₂⁻ . ^{[ 12 ] 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. ^{[ 5 ] [ 2 ]} Los carboxisomas , que ayudan a la fijación de carbono, se encuentran en células que crecen litoautotróficamente y mixotróficamente . Otras inclusiones que conservan energía son los gránulos de PHB y los polifosfatos . Cuando están presentes tanto el nitrito como las 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 quimioorganótrofo 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), codificada por el gen nxrA . ^{[ 14 ]} La NXR está compuesta por dos subunidades y probablemente forma un heterodímero αβ. ^{[ 15 ]} La enzima se encuentra dentro de la célula en membranas especializadas en el citoplasma que pueden plegarse en vesículas o tubos. ^{[ 15 ]} Se cree que la subunidad α es el lugar donde se produce la oxidación del nitrito, y la subunidad β es un canal de electrones desde la membrana. ^{[ 15 ]} La dirección de la reacción catalizada por la NXR puede invertirse dependiendo de las concentraciones de oxígeno. ^{[ 15 ]} La región del gen nxrA que codifica la subunidad β de la enzima NXR es similar en secuencia a los centros hierro-azufre de las ferredoxinas bacterianas y a la subunidad β de la enzima nitrato reductasa, que se encuentra en Escherichia coli . ^{[ 16 ]}

El género Nitrobacter está ampliamente distribuido tanto en ambientes acuáticos como terrestres. ^{[ 2 ]} 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) . ^{[ 1 ]} Esto limita su distribución, aunque se pueden encontrar en una amplia variedad de hábitats. ^{[ 1 ]} Las células del género Nitrobacter tienen un pH óptimo para el crecimiento entre 7,3 y 7,5. ^{[ 1 ]} Según Grundmann, Nitrobacter parece crecer de forma óptima a 38 °C y a un pH de 7,9, pero Holt afirma que Nitrobacter crece de forma 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. ^{[ 17 ] [ 3 ]}        

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. Esta función también es esencial en la acuaponía . ^{[ 1 ] [ 18 ]} 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 del nitrito. ^{[ 1 ]} Uno de los principales impactos de las bacterias nitrificantes, como Nitrosomonas oxidante de amoníaco y Nitrobacter oxidante de nitrito, tanto en ecosistemas oceánicos como terrestres, es en el proceso de eutrofización . ^{[ 19 ]}

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), el ADN plasmídico específico del hábitat fue inducido por adaptación para algunos de los lagos que fueron investigados. ^{[ 20 ]} Un estudio de seguimiento realizado por Navarro et al . (1995) mostró que varias poblaciones de Nitrobacter portan dos plásmidos grandes. ^{[ 19 ]} Junto con el estudio de Schutts (1990), Navarro et al. (1995) ilustraron características genómicas que pueden desempeñar roles 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 de oxidación que realizan tienen un bajo rendimiento energético y la mayor parte de su producción de energía se dirige a la fijación de carbono en lugar del crecimiento y la reproducción. ^{[ 1 ]}

En 1890, el microbiólogo ucraniano - ruso Sergei Winogradsky aisló los primeros cultivos puros de bacterias nitrificantes 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 colonizar placas con cualquier presencia de material orgánico ^{[ 21 ]} ). ^{[ 22 ]} En 1891, el químico inglés Robert Warington propuso un mecanismo de dos etapas para la nitrificación , mediado por dos géneros distintos de bacterias. La primera etapa propuesta fue la conversión de amoníaco a nitrito, y la segunda la oxidación de nitrito a nitrato. ^{[ 23 ]} Winogradsky nombró a la bacteria responsable de la oxidación de nitrito a nitrato Nitrobacter en su estudio posterior sobre la nitrificación microbiana en 1892. ^{[ 24 ]} Winslow et al . Propuso la especie tipo Nitrobacter winogradsky en 1917. ^{[ 25 ]} La especie fue reconocida oficialmente en 1980. ^{[ 26 ]}

• Nitrobacter winogradskyi ^{[ 2 ] [ 17 ]}
• Nitrobacter hamburgensis ^{[ 2 ] [ 17 ]}
• Nitrobacter vulgaris ^{[ 2 ] [ 17 ]}
• Nitrobacter alkalicus ^{[ 2 ] [ 17 ]}

• Nitrato
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• Ciclo de nitrógeno
• Nitrosomonas
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• Nitrospirota