Nitrifikasyon Bakterileri

Nitrifikasyon bakterileri, inorganik azot bileşiklerini oksitleyen, özellikle amonyağı nitrite ve nitriti nitrata dönüştüren, aerobik, kemolitoototrof mikroorganizmalardan oluşan çeşitli bir gruptur. Bu süreç, küresel azot döngüsünde önemli bir adım olan nitrifikasyon yoluyla gerçekleşir.^[1] Bu bakteriler temel olarak iki işlevsel gruba ayrılır: ilk adımı (NH₃ + 1.5O₂ → NO₂⁻ + H⁺ + H₂O) katalize eden Nitrosomonas, Nitrosospira ve Nitrosococcus gibi amonyak oksitleyen bakteriler (AOB) ve ikinci adımı (NO₂⁻ + 0.5O₂ → NO₃⁻) gerçekleştiren Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus ve Nitrospina dahil olmak üzere nitrit oksitleyen bakteriler (NOB).^[2] Son keşifler, her iki oksidasyon adımını tek bir organizmada gerçekleştiren Nitrospira cinsi içindeki tam amonyak oksitleyen (comammox) bakteriler gibi ek karmaşıklıkları ortaya çıkarmış ve geleneksel iki adımlı modellere meydan okumuştur.^[3]

Bu mikroplar, topraklar, tatlı sular, deniz çökeltileri ve atık su arıtma sistemleri gibi oksijenli ortamlarda gelişirler; burada 2–3 mg/L’nin üzerinde çözünmüş oksijen seviyelerine, nötr ila hafif alkali pH’a (optimum 7,0–8,0) ve maksimum aktivite için 8–30°C arasındaki sıcaklıklara ihtiyaç duyarlar.^[1]^[4] Metabolizmaları, AOB’de amonyak monoksijenaz ve hidroksilamin oksidoredüktaz ve NOB’de nitrit oksidoredüktaz gibi enzimlere dayanır ve biyokütleye karbondioksit sabitlemek için oksidasyon reaksiyonlarından enerji elde ederler.^[2] Ekolojik olarak, nitrifikasyon bakterileri bitki alımı için nitrat mevcudiyetini kolaylaştırır, ekosistemlerdeki amonyak toksisitesini hafifletir, ancak aynı zamanda fazla nitrattan kaynaklanan yeraltı suyu kirliliği veya gelişmiş korozyon yoluyla yapı malzemelerinin biyolojik bozulması gibi sorunlara da katkıda bulunabilirler.^[2] Aktif çamur süreçleri gibi mühendislik sistemlerinde, metreküp başına günde 1,5 kg’a kadar azotu gidererek sürdürülebilir atık su yönetimini desteklerler, ancak ağır metaller, yüksek amonyak ve ultraviyole ışık gibi inhibitörlere karşı hassastırlar.^[1]^[4] Metagenomik alanındaki ilerlemeler, bazı topraklarda çoklu filumlara ve 100’den fazla türe yayılan geniş çeşitliliklerini ortaya çıkarmış ve oksijen minimum bölgeleri ve 65°C’ye kadar jeotermal kaynaklar gibi aşırı habitatlara uyum sağlama yeteneklerini vurgulamıştır.^[3]

Tanım ve Genel Bakış

Azot Döngüsündeki Rolü

Nitrifikasyon, kemolitoototrof bakterilerin amonyağı (NH₄⁺ veya NH₃) nitrite (NO₂⁻) ve ardından nitrata (NO₃⁻) oksitlediği, azotun indirgenmiş bir formunu ekosistem dinamikleri için gerekli olan daha oksitlenmiş ve kararlı bir bileşiğe dönüştürdüğü aerobik biyolojik süreçtir.^[5] Bu iki adımlı oksidasyon, mikrobiyal azot metabolizmasının temel taşıdır ve organik madde ayrışmasından kaynaklanan potansiyel olarak zararlı amonyağın daha geniş biyojeokimyasal süreçleri destekleyen bir forma dönüşmesini sağlar.^[6]

Küresel azot döngüsü içinde, nitrifikasyon, organik azotun amonyağa mikrobiyal parçalanması olan amonifikasyondan hemen sonra ve nitratın anaerobik koşullar altında gaz halindeki azot formlarına indirgendiği denitrifikasyondan önce gerçekleşir.^[7] Nitrifikasyon, nitrat üreterek bitkiler ve algler tarafından temel bir besin maddesi olarak alınmasını kolaylaştırır, büyümeyi ve verimliliği artırırken, mikrobiyal aktiviteyi engelleyebilecek ve sucul ve karasal organizmalara zarar verebilecek toksik amonyak seviyelerinin birikmesini önler.^[8] Tam nitrifikasyon için genel net denklem şöyledir:

$$\mathrm{NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O}$$

Bu dengelenmiş reaksiyon, sürecin oksijene bağımlı doğasını ve toprak ile su pH’ını etkileyebilecek protonların salınımını vurgular.^[9]

Nitrifikasyon bakterilerinin ekolojik önemi, mahsul verimliliğini artırdıkları topraklar, fitoplankton patlamalarını destekledikleri okyanuslar ve sucul yaşam için besin dengesini korudukları tatlı su sistemleri dahil olmak üzere çeşitli ortamlarda birincil üretimi sürdürmek için azotu geri dönüştürmedeki rollerinde yatmaktadır.^[10] Bu dönüşüm olmadan azot mevcudiyeti sınırlı olacak, ekosistem verimliliği kısıtlanacak ve kontrolsüz amonyak birikiminden kaynaklanan toksisite gibi dengesizliklere yol açacaktır. Bu işlev, öncelikle amonyak oksitleyen bakteriler (AOB), nitrit oksitleyen bakteriler (NOB) ve tam oksidasyon yeteneğine sahip comammox bakterileri dahil olmak üzere özelleşmiş gruplar tarafından yerine getirilir.^[3]

Nitrifikasyon Bakteri Türleri

Nitrifikasyon bakterileri, azot bileşiklerinin oksidasyonundaki rollerine göre üç ana işlevsel grupta sınıflandırılır: amonyak oksitleyen bakteriler (AOB), nitrit oksitleyen bakteriler (NOB) ve tam amonyak oksitleyen (comammox) bakteriler. Bu gruplar, AOB’nin amonyağı nitrite ve NOB’nin nitriti nitrata dönüştürmesiyle nitrifikasyon sürecinde ardışık adımları gerçekleştirirken, comammox bakterileri tüm yolu bağımsız olarak yürütür.^[3]

Amonyak oksitleyen bakteriler (AOB), öncelikle amonyağı (NH₃) nitrite (NO₂⁻) oksitleyen Nitrosomonas ve Nitrosospira gibi cinsler olan Betaproteobacteria sınıfının ototrof üyelerini içerir. Ek AOB’ler, benzer oksidatif işlevleri paylaşan ancak filogenetik yerleşim ve çevresel adaptasyonlarda farklılık gösteren Nitrosococcus ile örneklenen Gammaproteobacteria’daki türleri içerir. Bazı amonyak oksidasyonları, bakteri yerine arke olan Thaumarchaeota filumundaki organizmalar tarafından da gerçekleştirilir.^[11]^[12]^[3]

Nitrit oksitleyen bakteriler (NOB), nitriti (NO₂⁻) nitrata (NO₃⁻) oksitleyen filogenetik olarak çeşitli bir topluluğu kapsar. Temel temsilciler arasında, toprak ve su ortamlarında yaygın olan Alphaproteobacteria’dan Nitrobacter bulunur. Deniz ve tatlı su NOB’leri, ince, çubuk benzeri morfolojileriyle bilinen farklı Nitrospinota filumundan Nitrospina‘yı içerir. Nitrospirota filumu, metabolik çok yönlülüğü nedeniyle birçok ekosisteme hakim olan yaygın Nitrospira cinsini içerir.^[3]^[13]

Comammox bakterileri, geleneksel iki adımlı nitrifikasyon görüşlerine meydan okuyarak, tek bir organizma içinde amonyaktan nitrata tam oksidasyon yeteneğine sahip, daha yakın zamanda tanımlanmış bir grubu temsil eder. Bunlar, hem amonyak hem de nitrit oksidasyonu için genetik mekanizmaya sahip, iyi karakterize edilmiş bir örnek olarak Candidatus Nitrospira inopinata ile birlikte, öncelikle Nitrospirota filumunda, Nitrospira cinsi içinde bulunur. 2024 itibarıyla yapılan son çalışmalar, comammox bakterilerinin geleneksel AOB ve NOB’ye kıyasla nitrifikasyon sırasında daha düşük seviyelerde bir sera gazı olan nitröz oksit (N₂O) ürettiğini göstermiştir.^[3]^[14]^[15]

Filogenetik olarak, nitrifikasyon bakterileri, bu gruplar genelinde kemolitoototrof metabolizmaları için oksijene dayanan, ağırlıklı olarak Gram-negatif, çubuk şeklindeki organizmalar ve zorunlu aeroblar olarak sınıflandırılır.^[3]^[12]

Tarihçe ve Keşif

Erken Gözlemler

1840’lar ve 1850’lerde, toprak verimliliğine ilişkin erken bilimsel araştırmalar, organik maddelerin çürümesinden amonyak birikimi ve bitki büyümesi için gerekli nitratlara dönüşümü dahil olmak üzere azot dönüşümlerinin kritik rolünü vurguladı. Justus von Liebig, 1840 tarihli ufuk açıcı yayını Organik Kimya’nın Tarım ve Fizyolojiye Uygulamaları‘nda, atmosferik kaynaklardan gelen amonyağın toprak azot kaynağı için anahtar olduğunu savundu, ancak bu değişiklikleri canlı ajanlar tarafından aracılık edilen değil, abiyotik kimyasal süreçler olarak gördü.^[16] Eş zamanlı olarak, Rothamsted Deney İstasyonu’nda 1843’te John Bennet Lawes ve Joseph Henry Gilbert tarafından başlatılan uzun vadeli saha deneyleri, mahsullerin atmosferik birikimin ötesinde topraktan önemli miktarda azot elde edebileceğini ortaya koyarak, gübrelenmiş ve gübrelenmemiş arazilerde dinamik amonyak-nitrat dönüşümlerinin altını çizdi.^[17]

Bu gözlemler başlangıçta tartışmalara yol açtı; çoğu kişi nitrifikasyonu (amonyağın nitrite ve nitrata oksidasyonu), aerobik koşullar altında sürecin yavaş hızı ve özgüllüğü nedeniyle toprak mineralleri veya metalleri tarafından inorganik katalize atfetti.^[18] Ancak 1877’de Fransız kimyagerler Théophile Schloesing ve Achille Müntz, kanalizasyon arıtma çalışmalarıyla biyolojik temeline dair ilk deneysel kanıtı sağladılar. Amonyak bakımından zengin sıvıyı kum ve kireçtaşı sütunlarından geçirdiler, aylar boyunca istikrarlı nitrit ve nitrat üretimi gözlemlediler, ancak bir mikrobiyal toksin olan kloroform eklendiğinde süreç durdu ve yalnızca kloroformun uzaklaştırılması ve sterilize edilmemiş süzüntü ile yeniden aşılanmasından sonra devam etti.^[19] Bu, nitrifikasyonun canlı mikroorganizmalar gerektirdiğini göstererek atfı kimyadan biyolojiye kaydırdı.^[18] 1878’de Robert Warington Jr., sterilize edilmiş toprakla yaptığı deneylerle bu bulguları bağımsız olarak doğruladı, nitrifikasyonun canlı organizmalar olmadan durduğunu ve yeniden aşılama üzerine devam ettiğini göstererek sürecin mikrobiyal doğasını daha da sağlamlaştırdı.^[16]

Bu organizmaların özellikle bakteri olduğunun tanınması, amonyak takviyeli medyada büyümelerini seçici olarak artıran ve saf kültür izolasyonundan önce toprak azot dinamiklerindeki rollerini doğrulayan müteakip zenginleştirme kültürü tekniklerinden ortaya çıktı.^[16]

Önemli Dönüm Noktaları ve Araştırmacılar

1890’da Sergei Winogradsky, organik kirleticiler olmadan büyümeye izin veren yeni bir silika jel zenginleştirme tekniği kullanarak, özellikle amonyak oksitleyen Nitrosomonas ve nitrit oksitleyen Nitrobacter olmak üzere ilk saf nitrifikasyon bakteri kültürlerini izole ederek çok önemli bir atılım gerçekleştirdi.^[20] Bu çalışma sadece nitrifikasyonun iki adımlı doğasını (önce amonyaktan nitrite, sonra nitritten nitrata) göstermekle kalmadı, aynı zamanda bu organizmaları inorganik bileşiklerden enerji elde eden kemolitotroflar olarak tanımladı ve Winogradsky onları tanımlamak için “nitrifikasyon bakterileri” terimini icat etti.^[21]

20. yüzyılın başlarındaki gelişmeler bu temel üzerine inşa edildi; Vladimir Omeliansky, 1899’da Winogradsky ile işbirliği yaparak toprak özütleri ve karışık kültürlerdeki nitrifikasyon süreçlerini inceledi, saflığı korumanın zorluklarını ve toprak mikropları arasındaki simbiyotik etkileşimlerin rolünü vurguladı.^[22] Omeliansky’nin 1900’lerdeki sonraki araştırmaları, organik madde gibi çevresel faktörlerin aktivitelerini nasıl etkilediğini ortaya koyarak ve saf izolatların ötesindeki ekolojik karmaşıklığı vurgulayarak karışık nitrifikasyon kültürlerini daha fazla araştırdı.^[23] 1960’lara gelindiğinde Sydney W. Watson, okyanus sularından amonyak oksitleyici Nitrosocystis oceanus (şimdiki adıyla Nitrosococcus oceani) dahil olmak üzere deniz suşlarını izole ederek, daha yüksek tuz toleransı gibi adaptasyonları gösterip deniz ortamlarında nitrifikasyonun oluşumunu doğrulayarak nitrifikasyon çeşitliliği anlayışını genişletti.

2015 yılında Nitrospira cinsi içindeki bakteriler tarafından tam amonyak oksidasyonunun (comammox) keşfiyle büyük bir paradigma değişimi meydana geldi. Holger Daims, Michael Wagner ve meslektaşları, bir sıcak su arıtma sisteminden zenginleştirilen Nitrospira inopinata‘nın genomunu analiz ederek, tek bir organizmada amonyağın nitrata tam oksidasyonunu sağlayan genleri ortaya çıkarmak için metagenomik yaklaşımlar kullandılar ve nitrifikasyonun kesinlikle iki parçalı olduğu şeklindeki uzun süredir devam eden görüşe meydan okudular.

2020’den 2024’e kadar olan son genomik araştırmalar, düşük amonyak nişlerine hakim oldukları tarım toprakları ve pelajik azot döngüsüne katkıda bulundukları okyanus çökeltileri dahil olmak üzere karasal ve sucul habitatlarda yeni kladlar ve suşlar tanımlayarak comammox Nitrospira‘nın genişleyen çeşitliliğini daha da aydınlattı.^[24] Çevresel metagenomların yüksek verimli dizilenmesinden yararlanan bu çalışmalar, 20’den fazla farklı comammox varyantını ortaya çıkararak doğal ekosistemlerdeki yaygınlıklarının ve metabolik çok yönlülüklerinin altını çizdi.^[25]

Taksonomi ve Filogeni

Amonyak Oksitleyen Bakteriler

Amonyak oksitleyen bakteriler (AOB), Proteobacteria filumu, özellikle Betaproteobacteria ve Gammaproteobacteria sınıfları ile ilişkilidir.^[26] Betaproteobacteria, toprak, tatlı su ve atık su ortamlarında yaygın olarak bulunan Nitrosomonas (örneğin, Nitrosomonas europaea) ve Nitrosospira gibi temel cinsler de dahil olmak üzere en çeşitli ve yaygın AOB’yi barındırır.^[26] Buna karşılık, Gammaproteobacteria AOB daha az çeşitlidir ve ağırlıklı olarak denizlere adapte olmuş Nitrosococcus (örneğin, Nitrosococcus oceani) cinsi tarafından temsil edilir.^[26]

Genomik olarak, bakteriyel AOB, yaklaşık %50,7 GC içeriğine sahip Nitrosomonas europaea‘da görüldüğü gibi, %40 ila %60 arasında değişen GC içerikleri sergiler.^[27] Bakteriyel amonyak oksitleyiciler arasındaki belirleyici bir genetik özellik, amonyağın hidroksilamine ilk oksidasyonundan sorumlu enzim olan amonyak monoksijenazın alfa alt birimini kodlayan amoA geninin varlığıdır.^[28]

AOB çeşitliliği, çeşitli tuzluluklara adaptasyonları yansıtan temel olarak üç cins (Nitrosomonas, Nitrosospira ve Nitrosococcus) içindeki bakteriyel formlarla birden fazla cinsi kapsar.^[29] Nitrosomonas türleri gibi bakteriyel AOB’ler tipik olarak daha yüksek besin yüklerine sahip tatlı su ve karasal habitatlara adapte olurken, Nitrosococcus tuzlu deniz koşullarında gelişir.^[29]

Nitrit Oksitleyen Bakteriler

Nitrit oksitleyen bakteriler (NOB), nitrit oksidasyon kapasitesini edinmede bağımsız evrimsel kökenlerinin altını çizen, çoklu bakteri filumlarına yayılan polifiletik bir topluluğu oluşturur. Bu filogenetik çeşitlilik, azot döngüsü içindeki benzer ekolojik nişlere yakınsak adaptasyonları vurgular. Temel temsilciler arasında, Nitrobacter winogradsky gibi türleri içeren Alphaproteobacteria’dan Nitrobacter cinsi; Nitrospira moscoviensis ile örneklenen Nitrospirota; ve önemli bir deniz örneği olarak Nitrospina gracilis ile Nitrospinota bulunur. Bu filumlar, toprak ve tatlı su sistemlerinden okyanus ortamlarına kadar NOB’nin geniş dağılımını göstermektedir.^[30]^[31]^[32]

Genomik olarak NOB, nitritin nitrata dönüşümünü katalize eden nitrit oksidoredüktaz enzim kompleksini kodlayan nxr genlerinin varlığı da dahil olmak üzere, nitrit oksitleyen yaşam tarzlarını destekleyen ayırt edici özellikler sergiler. Genom boyutları tipik olarak 3 ila 5 Mb arasında değişir ve GC içerikleri taksonlar arasında yaklaşık %45 ile %65 arasında değişir; örneğin, bazı Nitrospira soylarında %50 civarında daha düşük değerler ve Nitrobacter türlerinde %62’ye yakın daha yüksek değerler görülür. Bu özellikler, genellikle kromozom üzerinde yer alan ve elektron taşıma genleri ile çevrili nxr operonları ile çeşitli fizikokimyasal koşullara adaptasyonları yansıtır.^[33]^[24]^[34]

Evrimsel olarak, NOB’nin polifiletik doğası, çoklu yatay gen transferlerini veya nitrit oksidasyon yollarının bağımsız edinimlerini düşündürmekte ve bu da onların çeşitli habitatlarda çoğalmasını sağlamaktadır. Nitrospira cinsi, dalgalanan oksijen seviyelerine ve organik substratlara tolerans da dahil olmak üzere metabolik çok yönlülüğü sayesinde birçok ortamda ekolojik olarak baskın olmasıyla öne çıkar. Bugüne kadar, hem kanonik hem de aday taksonları kapsayan yaklaşık 10-15 cins tanımlanmıştır; bunlar arasında kaplıcalardaki termofilik türler (örneğin, 50°C’nin üzerinde büyüyen bazı Nitrospira suşları) ve tuzlu sulardaki halofilik formlar (örneğin, deniz Nitrospina‘sı ve tuza toleranslı Nitrobacter) gibi aşırı koşullara adapte olmuş varyantlar bulunur. NOB, nitriti nitrata oksitleyerek nitrifikasyonun ikinci adımında kritik bir rol oynar.^[35]^[30]^[36]^[37]^[32]

Comammox Bakterileri

Kısaca tam amonyak oksitleyiciler olarak bilinen Comammox bakterileri, Nitrospirota filumundaki Nitrospira cinsi içinde, tek bir hücrede nitrifikasyonun her iki adımını da (amonyağı nitrite ve nitriti nitrata oksitleme) gerçekleştirme yetenekleriyle karakterize edilen ayrı bir alt grubu oluşturur. Bu filogenetik konum, onları amonyak oksidasyon yeteneklerinden yoksun olan kanonik nitrit oksitleyen bakterilerden (NOB) ayrı olarak Nitrospira‘nın alt soyu II’ye yerleştirir. İlk tanımlanan comammox türü olan Candidatus Nitrospira inopinata, 2015 yılında bir biyoreaktör biyofilminden zenginleştirilmiş ve tanımlanmış, bu da bu fonksiyonel grubun ilk tanınmasına işaret etmiştir. Bilinen tüm comammox suşları bu cinse aittir ve amoA genindeki dizi ayrışmasıyla tanımlanan, A ve B olmak üzere iki monofiletik klada ayrılır; klad A çeşitli çevresel temsilcileri kapsarken, klad B genellikle belirli oligotrofik ortamlarda baskındır.^[14]^[38]

Genomik olarak, comammox Nitrospira, besin sınırlı ortamlarda çok yönlü metabolizma için adaptasyonları yansıtan, tipik olarak 4 ila 5 Mbp arasında değişen genom boyutları ile comammox olmayan akrabalarına kıyasla genişletilmiş mimariler sergiler. Bu büyük genomlar, hem ilk nitrifikasyon adımındaki amonyak monoksijenaz aktivitesinden sorumlu amoCAB operonunu hem de ikinci adımdaki nitrit oksidoredüktaz için nxrAB gen kümesini kodlayarak, türler arası simbiyozlara dayanmadan tam yolu entegre eder. GC içeriği %54-55 civarındadır, bu diğer Nitrospira ile tutarlıdır ancak stres tepkisi ve karbon fiksasyonunda yer alan aksesuar genler için daha yüksek bir kodlama yoğunluğunu destekler. Örneğin, N. inopinata genomu yaklaşık 4,1 Mbp’yi kapsar ve ikili işlevselliklerinin genetik temelini vurgulayan 4.000’den fazla tahmin edilen protein kodlayan dizi içerir.^[24]^[39]

Evrimsel olarak, Nitrospira‘daki comammox özelliği muhtemelen cins içindeki yakınsak evrim veya yatay gen transferi olayları yoluyla ortaya çıkmış, soylar arasında tam nitrifikasyonun bağımsız olarak edinilmesini sağlamış ve kesin olarak bölünmüş nitrifiye edici toplulukların önceki modellerine meydan okumuştur. Bu adaptasyon, yaygın oluşumlarına rağmen genellikle düşük göreceli bollukları (%1’den az mikrobiyal topluluk) korusalar da azot döngüsünde kalıcılıklarını kolaylaştırmıştır. Ekolojik nişleri, nitrifikasyon akılarına ince ama çok önemli bir katkıda bulundukları düşük amonyaklı ortamlarda verimliliği vurgular.^[24]

2025 yılına gelindiğinde, metagenomik araştırmalar, topraklar, sucul çökeltiler, kaplıcalar ve atık su arıtma tesislerini kapsayan ekosistemlerden elde edilen 90’dan fazla yüksek kaliteli metagenom montajlı genom (MAG) ile bilinen çeşitliliği genişletmiş, metabolik çok yönlülük ve çevresel adaptasyonlarda alt klad varyasyonlarını ortaya çıkarmıştır. Klad A MAG’leri doğal habitatlarda baskınken, klad B varyantları mühendislik sistemlerinde zenginleşme gösterir, topluca düzinelerce olası türü kapsar ve devam eden genomik keşifleri vurgular.^[24]^[40]

Fizyoloji ve Metabolizma

Enerji Üretimi

Nitrifikasyon bakterileri, ATP sentezi ile bağlantılı solunum elektron taşıma zincirleri aracılığıyla amonyak veya nitritin aerobik oksidasyonundan enerji elde eden kemolitoototroflardır. Amonyak oksitleyen bakterilerde (AOB), amonyağın nitrite oksidasyonu, ΔG°’ = -275 kJ/mol NH₃ standart Gibbs serbest enerji değişimi ile enerji açığa çıkarır; bu, NH₃ molekülü başına altı elektronun oksijene transferi yoluyla verimli proton translokasyonunu ve oksidatif fosforilasyonu mümkün kılar. Bu, ATP sentazı çalıştıran bir proton itici güç üretir, ancak genel verimlilik, indirgeyici eşdeğerler üretmek için ters elektron taşınımı da dahil olmak üzere ilk oksidasyon adımlarındaki enerji dağılımı ile sınırlıdır.^[14]^[51]

Nitrit oksitleyen bakteriler (NOB), ΔG°’ = -74 kJ/mol NO₂⁻ gibi daha düşük bir enerji verimine sahip olan nitritin nitrata oksidasyonundan enerji elde eder. NO₂⁻ başına sadece iki elektron transfer edildiğinden, NOB’deki elektron taşıma zinciri AOB’ye kıyasla daha az proton pompalama bölgesine sahiptir, bu da biyoenerjetik verimliliğin azalmasına ve nitrifikasyonun ilk adımına göre daha yavaş metabolik hızlara neden olur.^[14]^[51]

Comammox bakterileri, amonyağın nitrata tam oksidasyonunu tek bir organizmada gerçekleştirerek, ΔG°’ = -349 kJ/mol NH₃’lük birleşik bir enerji salınımını yakalar; bu da entegre oksidasyon yolu sayesinde daha yüksek genel verimlilik sağlar. NH₃ molekülü başına transfer edilen sekiz elektrondan elde edilen bu gelişmiş enerji yakalama, ayrı AOB ve NOB süreçlerine göre termodinamik bir avantaj sağlar ve düşük substratlı ortamlarda daha iyi hayatta kalmayı destekleyebilir, ancak maksimum büyüme oranlarını kısıtlayabilir.^[14]

Zorunlu ototroflar olarak nitrifikasyon bakterileri, biyokütle sentezlemek için Calvin-Benson-Bassham döngüsü yoluyla CO₂ veya bikarbonattan inorganik karbonu sabitler ve enerji üretiminden elde edilen ATP ve indirgeyici eşdeğerlerin bir kısmını biyosenteze yönlendirir.^[52] Bu ototrof metabolizma, litotrof yaşam tarzlarının düşük enerji verimlerini ve yüksek bakım maliyetlerini yansıtacak şekilde, optimum koşullar altında tipik olarak 24 ila 50 saat veya daha uzun süren ikiye katlanma süreleri ile karakteristik yavaş büyümelerine katkıda bulunur.^[53]

Büyüme Koşulları ve Temel Enzimler

Nitrifikasyon bakterileri, Nitrosomonas ve Nitrobacter cinslerindeki gibi çoğu mezofilik suş için 25°C ile 30°C arasındaki sıcaklıklarda optimum büyüme sergiler; büyüme oranları 15°C’nin altında veya 35°C’nin üzerinde önemli ölçüde düşer.^[54] Kaplıcalardan izole edilen belirli Nitrospira türleri de dahil olmak üzere termofilik varyantlar, 50°C civarında optimuma ulaşarak 60–65°C’ye kadar yüksek sıcaklıktaki ortamlarda aktiviteye olanak tanır.^[55] Optimum büyüme için pH aralığı, Nitrosomonas gibi amonyak oksitleyen bakteriler için tipik olarak 7,0–8,0 ve Nitrobacter gibi nitrit oksitleyen bakteriler için 7,5–8,0’dır; enzim denatürasyonu ve proton inhibisyonu nedeniyle aktivite pH 6,5’in altında veya 9,0’ın üzerinde keskin bir şekilde azalır.^[1] Bu bakteriler zorunlu aeroblardır ancak mikroaerofilik özellikler sergilerler; maksimum oranlar için 2–8 mg/L çözünmüş oksijen seviyelerine ihtiyaç duyarlar, çünkü daha düşük konsantrasyonlar (<0,5 mg/L) elektron taşınımını ve enzim işlevini sınırlar, fazla oksijen ise hassas redüktazları inhibe edebilir.^[56]^[4]

Kemoototroflar olarak nitrifikasyon bakterileri, organik karbon bileşiklerine ihtiyaç duymadan Calvin-Benson-Bassham döngüsü yoluyla karbon fiksasyonu için CO₂ veya bikarbonat gibi inorganik karbon kaynaklarına güvenir.^[57] Enzim montajını ve aktivitesini desteklemek için tipik olarak nanomolar ila mikromolar konsantrasyonlarda sağlanan amonyak monoksijenaz (AMO) için bakır (Cu), hidroksilamin oksidoredüktaz (HAO) ve nitrit oksidoredüktaz (NXR) için demir (Fe) ve NXR için molibden (Mo) gibi eser metallere ihtiyaç duyarlar.^[58] Bu metallerdeki eksiklikler büyümeyi bozar; Cu sınırlaması AMO ekspresyonunu azaltır, Fe kıtlığı HAO’nun çoklu hem yapısını etkiler ve Mo yokluğu NXR işlevini durdurur.^[59]^[60]

Çekirdek enzimatik mekanizma; amonyak oksidasyonunu başlatan bakır içeren membrana bağlı bir enzim olan AMO, hidroksilamini nitrite oksitleyen 24 demir atomuna sahip periplazmik çoklu hem sitokrom c proteini olan HAO ve nitrit oksidasyonunu nitrata katalize eden molibden-bis(molibdopterin guanin dinükleotit) içeren bir kompleks olan NXR’yi içerir.^[61]^[62]^[63] AMO aktivitesi, enzimin aktif bölgesindeki bakırı şelatlayan ve böylece amonyak oksidasyonunu bloke eden aliltiyoüre (ATU) ve biyolojik nitrifikasyon inhibitörleri (BNI’lar) gibi bileşikler tarafından inhibe edilirken, HAO, BNI’lara ve hidroksilamin birikimine duyarlıdır; NXR, molibden kofaktörünü bozan klorat tarafından engellenir.^[64]^[65] Enzim analizleri tipik olarak, AMO için asetilen inhibisyonu veya NXR için metil viyologen indirgemesi gibi substrat tükenmesinin veya ürün oluşumunun spektrofotometrik izlenmesini içerir; bunlar genellikle fizyolojik koşulları taklit etmek için kontrollü oksijen ve pH altında yürütülür.^[66] Bu enzimler, proton itici güç yoluyla enerji üretimini sağlar, ancak aktiviteleri çevresel parametrelerle hassas bir şekilde ayarlanır.^[67]