Денисович Ю.А.
Анаэробное окисление аммония
Перевод статьи Аnaerobic ammonium oxidation, доступной с http://www.anammox.com/

Anammox означает:

Знаете ли Вы?

1. Что воздух, которым мы дышим, образуется бактериями Anammox ?
2. Что бактерии Anammox делятся всего раз в две недели на максимальной скорости?
3. Что гидразин (ракетное топливо) и окись азота - это промежуточные звенья anammox ?
4. Что бактерии Anammox имеют общего предка с паразитическими хламидиями ?

Биологический цикл азота

Биологический цикл азота играет важную роль в поддержании глобальной биосферы. Он является центром микробиологических исследований, начиная с конца девятнадцатого столетия. За прошедшие 100 лет, усиленное внимание к циклу азота перешло от улучшения агрокультурной урожайности к заботам о внешнем загрязнении воды, уничтожении озонового слоя и глобальном потеплении.

Anammox

Анаэробное окисление (anammox) аммония, т.е. микробиологическая конверсия аммония и нитрита в газообразный азот, - это самое последнее дополнение к нашему пониманию биологического цикла азота. Обнаруженная к 1986 году, она является самой неисследованной частью цикла. Учитывая его основные особенности, процесс anammox - это жизнеспособный вариант для биологического обращения со сточными водами. Недавно обнаружено, что anammox делает существенный (вплоть до 70 %) вклад в круговорот азота в Мировом океане.

Первоначальные исследования

Первые несколько лет исследования anammox сосредоточились на основных свойствах процесса и на обеспечении объяснения его микробиологической природы и принципов азотного и углеродного метаболизма. Выяснилось, что процесс anammox основан на сохранении энергии от окисления аммония с нитритом в качестве электрон-акцептора и гидразином, как промежуточного звена. CO₂ используется в качестве главного углеродного источника для прироста биомассы. Недавно обнаружилось, что фиксация CO₂ достигнута через путь «ацетил-CoA». Необходимые электроны получаются от анаэробного окисления нитрита к нитрату.

Физиология anammox

Известно, что anammox наиболее активен при температурах от 6 до 43 ° С, диапазон рН = (6,7 - 8,3) (оптимально 8). В оптимальных условиях, максимальный уровень потребления составляет 55 мкмоль NH₄⁺/г белка*мин. Тождественность аммония и нитритов очень высока (константа тождественности менее 10 мкм). Аммиак (100 мМ) и нитраты (100 мМ) не препятствуют процессу anammox. Ему препятствуют концентрации нитритов, превышающие 20 мМ. Когда концентрация нитритов составляет более, чем на 5 мМ для наиболее длительного периода (12 ч), деятельность бактерий Anammox полностью утрачивается. Тем не менее, она может быть восстановлена путем добавления любого гидразина в микроскопических количествах (50 мкм).

Planctomycetes

Planctomycetes - интересные группы бактерий со многими редкими или уникальными свойствами. У них отсутствует полимерный пептидогликан, характерный для стенок многих бактериальных клеток, деление происходит с помощью вегетации, и они имеют дифференцированную цитоплазму с различными мембранными ячейками, очевидно, предназначенными для других клеточных функций. Они отделены от других бактерий и между собой большими эволюционные различиями. Другие представители planctomycetes – аэробные хемоорганические гетеротрофы очень отличны от бактерий Anammox (которые являются анаэробными хемолитоавтотрофами).

Биохимия anammox

Одим из ключевых ферментов анаэробного окисления аммиака - гидроксиламин был выделен от Candidatus «B. Anammoxidans». Его важность в анаэробном окислении аммония показана фактом, что он составил 10 % от общего белка. Он стимулирует окисление, как гидразин и гидроксиламин. Этот фермент находится исключительно в особых органеллах, присутствующих в цитоплазме клетки Anammox. Эти органеллы были названы «anammoxosome» и являются местом анаэробного окисления аммония клетками Anammox. Пока еще не ясно, почему для осуществления анаэробного окисления аммония клетками Anammox необходимо anammoxosome. Установлено, что его функция может быть сдерживанием гидразина или поддержанием движущей силы протона при низких нормах транслокации протонов. Целые anammoxosome были выделены из клеток Аnаmmox.

Липиды Аnammox

Anammoxosome окружена бислоем мембраны, которая состоит из уникальных и причудливых липидов. Anammoxosome липиды содержат «ladderane» - жесткие и плотные связи из колец циклобутана. Как экспериментальные данные, так и молекулярное моделирование показали, что мембраны, в основе которых лежит «ladderanes», являются исключительно непроницаемыми для пассивного распространения химических веществ. С эволюционной точки зрения интересно отметить, что часть «ladderane» являются эфиро-связанными с глицеролом, до настоящего времени лишь небольшое число бактерий (либо термофилы либо сульфат-редукторы) имеют эфиро-связанные липиды. «Ladderane» используются в качестве биоиндикаторов прошлой и нынешней активности бактерий Anammox в природных экосистемах. Очевидно, что молекулы «ladderane» имеют будущее в высокотехнологичных процессах, таких как оптоэлектроника. Анаэробное окисление аммония – процесс, который является единственным известным естественным источником «ladderanes», которые очень трудны в искусcтвенном производстве.

Биоразнообразие Аnammox

В настоящий момент, известно как минимум три вида бактерий Anammox: Brocadia, Kuenenia и Scalindua. Первые два найдены в системах круговорота сточных вод. Последний, Scalindua, был обнаружен в морских экосистемах, такой как Черное море. Три вида имеют общее происхождение, но Scalindua – эволюционно более совершенный (менее чем 85 % сходств последовательности на 16S уровне). Все бактерии Anammox имеют подобный фенотип, они все имеют медленную норму роста и содержат anammoxosome и липиды «ladderane». Отличия, которые должны существовать между тремя видами, - это тема продолжающегося исследования.

Морская экология

В морских экосистемах, бактерии Anammox активно способствуют биологическому круговороту азота, будучи ответственными по меньшей мере за 50 % от общего объема производства азота в океане. Вид Anammox, обнаруженный в Черном море, - Candidatus «Scalindua sorokinii». Почти все морские системы, исследованные для жизнедеятельности Anammox, имели положительную реакцию на эту бактерию или ее близких родственников.