ニトロバクター

ニトロバクター
ニトロバクター・ウィノグラツキー株 Nb-255 のTEM画像
科学的分類
ドメイン：	細菌
門:	シュードモナドタ
クラス：	アルファプロテオバクテリア
注文：	ヒポミクロバイオレ
家族：	ニトロバクター科
属:	ニトロバクター ヴィノグラツキー 1892
タイプ種
ニトロバクター・ウィノグラツキー
種
N. アルカリカス N. ハンブルゲンシス N. ブルガリス N. ウィノグラドスキー

ニトロバクターは、桿菌、グラム陰性菌、化学合成独立栄養菌からなる属である。 ^[1]ニトロバクターという名前は、ラテン語の中性名詞nitrum、nitri、alkalisと古代ギリシャ語の名詞βακτηρία、βακτηρίᾱς、桿菌に由来する。この菌は運動性がなく、出芽または二分裂によって増殖する。 ^{[2] [3]}ニトロバクター細胞は偏性好気性菌で、倍加時間は約13時間である^{。 [1]}

ニトロバクターは、土壌や海洋システムで亜硝酸塩を硝酸塩に酸化することで窒素循環に重要な役割を果たしています。 ^[2]光合成における電子伝達が炭素固定のエネルギーを提供する植物とは異なり、ニトロバクターは亜硝酸イオン、NO ₂ ⁻から硝酸イオン、NO ₃ ⁻への酸化から得られるエネルギーをエネルギー需要を満たします。ニトロバクターは、炭素要件を満たすためにカルビン回路を介して二酸化炭素を固定します。^[1]ニトロバクターは、シュードモナス門のアルファプロテオバクテリア綱に属します。^{[3] [4]}

ニトロバクターはグラム陰性細菌であり、桿菌形、洋ナシ形、多形性のいずれかである。^{[1] [2]}通常は幅0.5～0.9μm、長さ1.0～2.0μmで、細胞膜内に極性帽を有する。^{[5] [2]}シトクロムcの存在により、細胞懸濁液では黄色を呈することが多い。^[5]膜上の硝酸酸化システムは細胞質内にある。^[2] ニトロバクター細胞は極度の二酸化炭素曝露後に回復することが示されており、運動性はない。^{[6] [5] [2]}

16s rRNA配列解析により、ニトロバクターは系統学的にアルファプロテオバクテリア綱に分類される。この属内の対進化距離の測定値は他の属に比べて低く、1%未満である。^[6] ニトロバクターは、光合成細菌のロドシュードモナス・パルストリス、根に根粒を形成するブラディリゾビウム・ジャポニカムおよびブラストバクター・デニトリフィカンス、ヒト病原菌のアフィピア・フェリスおよびアフィピア・クリーブランドンシスなど、アルファプロテオバクテリア内の他の種とも近縁である。^[6]ニトロバクター属の細菌は、光合成細菌の祖先から複数回発生したと推定されており、個々の硝化属および種については、硝化表現型が光合成細菌に見られるものとは別に進化したという証拠がある。^[6]

亜硝酸塩を酸化する既知の原核生物は、すべて少数の系統群に限られている。これには、ニトロスピロタ門のニトロスピラ^属[7]や、クロロフレクソタ門（旧クロロフレキソス門）のニトロランタス属^[8]が含まれる。2004 年以前は、亜硝酸塩の酸化はシュードモナドタ門でのみ発生すると考えられていたが、さらなる科学的調査によって、既知の亜硝酸塩を酸化する種のリストが拡大する可能性が高い。^{[9]亜硝酸塩を酸化する種の多様性の低さは、}脱窒や窒素固定など、海洋の窒素循環に関連する他のプロセスとは対照的である。これらのプロセスでは、多様な分類群が類似の機能を果たしている。^[8]

硝化は、特に海洋における窒素循環の重要な要素です。亜硝酸塩（NO 2 − ）の酸化による硝酸塩（NO ₃ ⁻）_の^生成は、硝化によって行われます。硝化は、特に湧昇域で、植物プランクトンなどの海洋の酸素発生型光合成生物の需要の多くを満たす無機窒素を生成するプロセスです。このため、硝化は、世界の海洋のプランクトンによる一次生産の燃料となる窒素の多くを供給しています。硝化は、世界中で植物プランクトンが消費する硝酸塩の半分の発生源であると推定されています。[10]植物プランクトンは海洋生産の主要な貢献者であり、したがって、世界の海洋の表層^水から炭素やその他の粒子状有機物を輸出する生物学的ポンプ にとって重要です。硝化プロセスは、リサイクル生産と輸出につながる生産を分離するために重要です。生物学的に代謝された窒素は、アンモニアの形で無機溶存窒素プールに戻ります。微生物による硝化によってアンモニアは硝酸塩に変換され、その後植物プランクトンに吸収されてリサイクルされます。^[10]

ニトロバクターによる亜硝酸塩酸化反応は以下のとおりです。

NO ₂ ⁻ + H ₂ O → NO ₃ ⁻ + 2H ⁺ + 2e ⁻

2H ⁺ + 2e ⁻ + 1/2O ₂ → H ₂ O ^[9]

亜硝酸塩酸化のギブスの自由エネルギー収率は次の通り です。

ΔG ^ο = -74 kJ mol ⁻¹ NO ₂ ⁻

海洋では、ニトロバクターなどの亜硝酸酸化細菌は、通常、アンモニア酸化細菌の近くに存在します。^[11]これら2つの反応が一緒になって硝化のプロセスを構成します。亜硝酸酸化反応は一般に海水中でより速く進行するため、硝化の律速段階にはなりません。このため、亜硝酸塩が海水中に蓄積することはまれです。

アンモニア酸化細菌、アンモニア酸化古細菌、亜硝酸酸化細菌（ Nitrobacterなど）で観察されるアンモニアから硝酸への2段階変換は、研究者を困惑させています。 ^{[12] [13]完全な硝化、つまり}コマモックス として知られる1段階でのアンモニアから硝酸への変換のエネルギー収率（∆G°′）は−349 kJ mol ⁻¹ NH ₃ですが、観察された2段階反応のアンモニア酸化段階と亜硝酸酸化段階のエネルギー収率は、それぞれ−275 kJ mol ⁻¹ NH ₃、および−74 kJ mol ⁻¹ NO ₂ ⁻です。^{[12]これらの値は、2段階のうちの1つだけを行うよりも、アンモニアから硝酸への完全な硝化（}コマモックス）を行う方が生物にとってエネルギー的に有利であることを示しています。分離した2段階の硝化反応の進化的動機は、現在も研究が続けられている分野です。2015年に、ニトロスピラ・イノピナタという種が、1段階で完全な硝化を行うために必要なすべての酵素を持っていることが発見され、この反応が実際に起こることが示唆されました。^{[12] [13]この発見は、}ニトロバクターが亜硝酸酸化のみを行う進化的能力について疑問を投げかけています。

ニトロバクター属の細菌は、亜硝酸塩を電子源（還元剤）として、亜硝酸塩をエネルギー源として、そしてCO _2を炭素源として利用します。^{[11]亜硝酸塩は、エネルギーを得るための特に好ましい基質ではありません。熱力学的には、亜硝酸塩の酸化では、わずか-74 kJ mol −1} NO ₂ ⁻ の収率（∆G°′）しか得られません。^[12]その結果、ニトロバクターは亜硝酸塩の酸化からエネルギーを得るために高度に特化した代謝を発達させました。

ニトロバクター属の細胞は出芽または二分裂によって増殖する。^{[5] [2]} 炭素固定を助けるカルボキシソームは、岩石独立栄養的および混合栄養的に成長した細胞に見られる。その他のエネルギー節約型封入体としては、PHB顆粒とポリリン酸がある。亜硝酸塩と有機物の両方が存在する場合、細胞は二相性の成長を示すことがある。最初に亜硝酸塩が使用され、誘導期の後、有機物が酸化される。化学有機栄養菌の成長は遅く、バランスが取れていないため、細胞の形とサイズを歪めるポリ-β-ヒドロキシ酪酸顆粒が多く見られる。

ニトロバクター属細菌において亜硝酸塩を硝酸塩に酸化する酵素は亜硝酸塩酸化還元酵素（NXR）であり、これは遺伝子nxrAによってコードされている。^[14] NXRは2つのサブユニットで構成されており、αβヘテロ二量体を形成する可能性が高い。^[15]この酵素は細胞質内の特殊な膜上に存在し、小胞または管に折り畳まれる。^[15] αサブユニットは亜硝酸塩酸化の場所であると考えられており、βサブユニットは膜からの電子チャネルである。^[15] NXRによって触媒される反応の方向は、酸素濃度に応じて逆転することができる。^[15] NXR酵素のβサブユニットをコードするnxrA遺伝子の領域は、細菌フェレドキシンの鉄硫黄中心や大腸菌に見られる硝酸還元酵素のβサブユニットと配列が類似している。^[16]

ニトロバクター属は、水生環境と陸生環境の両方に広く分布しています。^[2] 硝化細菌は、77〜86 °F（25〜30 °C）の間で最適に成長し、上限の120 °F（49 °C）または下限の32 °F（0 °C）を超えて生存することはできません。^[1]このため、さまざまな生息地で見つけることができますが、分布が制限されています。^[1]ニトロバクター属の細胞は、7.3〜7.5の間で成長に最適なpHを持っています。 ^[1]グルンドマンによると、ニトロバクターは38 °CおよびpH 7.9で最適に成長するようですが、ホルトは、ニトロバクターは28 °CおよびpH 5.8〜8.5の範囲内で最適に成長し、最適pHは7.6〜7.8であると述べています。^{[17] [3]}

ニトロバクター属細菌の主な生態学的役割は、亜硝酸塩を硝酸塩に酸化することであり、これは植物の無機窒素の主な供給源である。この役割はアクアポニックスにも不可欠である。^{[1] [18]}ニトロバクター属細菌はすべて好気性細菌であるため、酸素とリンは亜硝酸塩酸化能力を制限する要因となる傾向がある。^{[1]海洋生態系と陸上生態系の両方において、アンモニア酸化}ニトロソモナスや亜硝酸塩酸化ニトロバクターなどの硝化細菌が及ぼす主な影響の1つは、富栄養化のプロセスである。^[19]

ニトロバクター属の異なる種における硝化率の分布と違いは、種間のプラスミドの違いに起因する可能性がある。Schutt (1990) に示されたデータは、調査された湖のいくつかでは、生息地特有のプラスミド DNA が適応によって誘導されたことを示唆している。 ^{[20] Navarro}ら(1995)が実施した追跡調査では、さまざまなニトロバクター属の個体群が 2 つの大きなプラスミドを持っていることが示された。^[19] Schutts (1990) の研究と併せて、Navarro ら (1995) は、ニトロバクター属の分布と生態学的影響を決定する上で重要な役割を果たす可能性のあるゲノム特性を示した。硝化細菌は一般に、従属栄養細菌よりも数が少ない傾向がある。これは、硝化細菌が行う酸化反応のエネルギー収量が低く、エネルギー生産のほとんどが成長や繁殖ではなく炭素固定に使われるためである。^[1]

1890年、ウクライナ系ロシア人の 微生物学者 セルゲイ・ウィノグラツキーは、有機物や日光がなくても成長できる硝化細菌の純粋な培養物を初めて分離した。培養の準備においてウィノグラツキーが有機物を排除したことは、微生物の分離成功の一因であると認められている（純粋培養物の分離の試みは、従属栄養生物が有機物が存在するプレートを占領する傾向があるため困難である^[21]）。^[22] 1891年、イギリスの化学者ロバート・ウォリントンは、2つの異なる属の細菌によって媒介される硝化の2段階メカニズムを提唱した。提案された第1段階はアンモニアから亜硝酸塩への変換であり、第2段階は亜硝酸塩から硝酸塩への酸化であった。^[23]ウィノグラツキーは1892年に微生物による硝化に関する研究で亜硝酸塩を硝酸塩に酸化する細菌をニトロバクターと命名した。^[24]ウィンスローらは1917年にニトロバクター・ウィノグラツキーを基準種として提唱した。^[25]この種は1980年に正式に認められた^。[26]

• ニトロバクター・ウィノグラツキー^{[2] [17]}
• ニトロバクター・ハンブルゲンシス^{[2] [17]}
• ニトロバクター・ブルガリス^{[2] [17]}
• ニトロバクターアルカリカス^{[2] [17]}

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