硝酸塩のアンモニウムへの異化還元

硝酸塩のアンモニウムへの異化還元は、NO − 3をNO − 2に、次にNO − 2をNH + 4に還元する 2 段階のプロセスですが、反応はNO − 2から直接始まる場合もあります。^{[ 1 ]}各段階は異なる酵素によって媒介され、硝酸塩のアンモニウムへの異化還元の最初の段階は通常、ペリプラズム硝酸還元酵素によって媒介されます。2 番目の段階 (呼吸によるNO − 2 のNH + 4への還元) は、ペリプラズム膜表面で起こるシトクロム c 亜硝酸還元酵素によって媒介されます。 ^{[ 7 ]} DNRA は硝酸塩還元の中間体として亜酸化窒素( N ₂ O ) を生成しません (脱窒のように) が、N ₂ O は副産物として放出される可能性があります。 ^{[ 2 ]}したがって、DNRA は固定された生物利用可能な窒素のシンクとしても機能する可能性があります。DNRA のN ₂ Oの生成は、より高いpHレベルで促進される可能性があります。 ^{[ 8 ]}

硝酸塩のアンモニウムへの異化還元は脱窒のプロセスと似ていますが、NO − 2はN ₂ではなくNH + 4にさらに還元され、8 個の電子が移動します。^{[ 2 ]}脱窒菌と硝酸アンモニウム菌はどちらも環境中のNO − 3をめぐって競合しています。硝酸塩のアンモニウムへの異化還元の酸化還元電位は脱窒よりも低く、ギブズ自由エネルギーの生成量も少ないにもかかわらず、脱窒のエネルギー収量は一連の酵素反応で効率的に保存されない可能性があり、硝酸アンモニウム菌はより高い成長率を達成し、脱窒菌を凌駕する可能性があります。^{[ 9 ]}これは、有機炭素と比較してNO − 3が制限要因である場合に特に顕著になる可能性があります。これは、有機炭素がNO − 3あたりより「効率的に」酸化されるためです(各NO − 3分子はさらに還元されるため)。^{[ 10 ]}脱窒とDNRAのバランスは、どちらもNO − 3を使用するが、気体で生物利用できないN ₂（窒素のシンク）を生成する脱窒とは異なり、DNRAは生物利用可能な可溶性のNH + 4を生成するため、環境の窒素循環にとって重要である。^{[ 1 ]}

硝酸塩のアンモニウムへの異化還元は嫌気呼吸プロセスであるため、DNRAを実行できる海洋微生物は、水柱の酸素極小帯（OMZ）や急な酸素勾配のある堆積物など、酸素濃度_が低い環境に最も多く見られ_ます。^{[ 11 ] [ 12 ]}

DNRAは、海洋堆積物の表層に生息する原核生物で確認されています。例えば、 Beggiatoa属やThioploca属などの底生硫黄細菌は、大陸棚の無酸素堆積物に生息し、DNRAを介して硫化物を酸化することでエネルギーを得ています。これらの細菌は、液胞に貯蔵された細胞内硝酸塩を使用してDNRAを実行できます。 ^{[ 4 ] [ 13 ]}硝酸塩の異化硝酸塩還元によるアンモニウムへの直接還元と、Anammoxによるアンモニウムの二窒素への直接変換が組み合わさって、海洋の特定の部分で大きな窒素損失を引き起こしていると考えられています。DNRAとAnammox細菌によるこのDNRA-Anammoxカップリングは、チリ、ペルー、ナミビア沿岸のOMZやアラビア海のオマーン棚上のOMZなど、検出可能な脱窒のない領域での硝酸塩損失を説明できます。^{[ 14 ]}脱窒はDNRAよりもエネルギー的に有利ですが、DNRAを使用する細菌は脱窒菌よりもエネルギーを節約し、より速く増殖できるという証拠があります。^{[ 14 ]}したがって、DNRA-Anammoxカップリングを介して、DNRAとAnammoxを使用する細菌は、脱窒菌よりも基質に対する競合力が強い可能性があります。^{[ 14 ]}

硝酸塩のアンモニウムへの異化還元は一般的に原核生物に関連付けられていますが、最近の研究では、さまざまな真核微生物でDNRAの証拠が増えていることがわかりました。DNRAが可能な既知の真菌種のうち、1つは海洋生態系で見つかります。アラビア海の酸素極小層から分離された子嚢菌Aspergillus terreusは、嫌気条件下でDNRAを実行できることがわかりました。^{[ 5 ]} DNRAの証拠は、海洋有孔虫でも見つかりました。^{[ 5 ]}

近年、珪藻は細胞内硝酸塩貯蔵を利用して硝酸塩をアンモニウムに異化還元することができ、これはおそらく短期的な生存や休眠期に入るためであり、それによって暗く無酸素な条件下でも生存できることが明らかになった。^{[ 11 ] [ 15 ]}しかし、休眠期は細胞内硝酸塩の供給が持続するよりもはるかに長い場合が多いため、休眠期中の長期生存のためにDNRAによって代謝が維持されているとは考えにくい。^{[ 11 ]}珪藻によるDNRAの使用は、光合成や好気呼吸を行うことができないにもかかわらず、海底の暗く無酸素な堆積層に埋もれて生存できる理由の説明となる可能性がある。^{[ 12 ]}現在、DNRAは底生珪藻のAmphora coffeaeformisと浮遊珪藻のThalassiosira weissflogiiによって行われていることが知られている。^{[ 11 ] [ 12 ]}珪藻は海洋一次生産の重要な源であるため、珪藻がDNRAを実行する能力は、その生態学的役割、および海洋窒素循環における役割に大きな影響を与える。^{[ 12 ]}

脱窒は反応性窒素_を気体（N₂またはN₂Oとして）の形で系から除去するのに対し、硝酸塩のアンモニウムへの異化還元は窒素を系内の溶存種として保持します_。DNRAは硝酸塩をアンモニウムに変換するため、N₂やN₂Oガスは_生成されません。したがって、DNRAは窒素を循環させ、気体状の窒素損失を引き起こすことなく、より持続可能な_一次生産と硝化につながります。^{[ 6 ]}

生態系内では、脱窒とDNRAは同時に発生する可能性があります。通常、DNRAは、DNRAと脱窒の両方を含む全硝酸塩還元率の約15%です。^{[ 6 ]}ただし、各プロセスの相対的な重要性は、環境変数によって影響を受けます。たとえば、有機炭素の蓄積により、魚の生け簀の下の堆積物では、近くの堆積物よりもDNRAが3～7倍高いことがわかりました。^{[ 16 ]}

海洋沿岸生態系において、硝酸塩のアンモニウムへの異化還元が脱窒よりも優先される条件には、以下のものがある。^{[ 16 ] [ 6 ]}

• 高い炭素負荷と高い硫酸塩還元率（例：沿岸地域や河川流出域）
• 植生のない潮下帯堆積物
• 高温かつ硫酸還元速度が速い湿地（高濃度の硫化物を生成する）、例：マングローブ
• 有機物沈着量が多い場所（例：養殖場）
• 有機物のC/N比が高い生態系
• 電子供与体（有機炭素）と電子受容体（硝酸塩）の比率が高い
• 夏の高温と低いNO₃濃度

硫化物濃度が高いと、硝化および脱窒のプロセスが阻害される可能性があります。一方で、硫化物濃度が高いと電子供与体が多くなるため、硝酸塩のアンモニウムへの異化還元も促進されます。^{[ 17 ]}

DNRAが優勢な生態系では窒素の損失が少なく、その結果、システム内に保存される窒素のレベルが高くなります。^{[ 16 ]}堆積物内では、硝酸塩からアンモニウムへの異化還元の総速度は、秋に比べて春と夏の方が高くなります。原核生物は夏のDNRAの主な貢献者ですが、真核生物と原核生物は春と秋にDNRAに同様に貢献します。^{[ 6 ]}

個々の生物にとって硝酸塩をアンモニウムに異化還元することの潜在的な利点には、次のものが含まれる可能性がある: ^{[ 18 ]}

• 蓄積された亜硝酸塩の解毒：酵素が硝酸塩を電子受容体として使用して亜硝酸塩を生成すると、細胞に毒性のある高濃度の細胞内亜硝酸塩が生じる可能性があります。^{[ 18 ]} DNRAは細胞内に亜硝酸塩を蓄積しないため、毒性のレベルが低下します。^{[ 19 ]}
• DNRAはNADHを NAD ^+に再酸化するために使用できる電子シンクを生成する。硝酸塩が制限されている環境では、電子シンクの必要性がより明らかになる。^{[ 18 ]}

硝酸塩のアンモニウムへの異化還元と脱窒のバランスによって、f 比の計算精度が変わります。f 比は、大気から深海への炭素の隔離を反映する生物ポンプの効率を定量化するために使用されます。 ^{[ 20 ]} f 比は、「新規生産」（例えば深海から光合成層外から光合成層に入る栄養素によって刺激される一次生産）と「再生生産」（再鉱化によって放出された、すでに光合成層にある栄養素によって刺激される一次生産）の推定値を使用して計算されます。^{[ 21 ]} f 比の計算では、一次生産を刺激する窒素種を、発生している生産タイプの代理として使用します。NO − 3ではなくNH + 4によって刺激される生産は「再生生産」です。^{[ 22 ]} DNRAは（再鉱化作用に加えて）NH + 4も生成しますが、これは光合成層から流出した有機物から生成されます。これはその後、混合または深層水の湧昇によって再び表面に導入され、それによって一次生産性を刺激します。したがって、DNRAが大量に発生している地域では、f比の計算は正確ではありません。