Generel mikrobiologi

Kemolithotrofi

Kemolithotrofi er oxidation af uorganiske kemikalier med henblik på energiproduktion. Processen kan anvende oxidativ fosforylering, ligesom aerob og anaerob respiration, men nu er det stof, der oxideres (elektrondonoren), en uorganisk forbindelse. Elektronerne sendes videre til bærere i elektrontransportkæden, hvorved der genereres en protonmotivationskraft, som bruges til at generere ATP ved hjælp af ATP-syntase.

Elektrondonorer

Chemolithotrofer bruger en række uorganiske forbindelser som elektrondonorer, hvor de mest almindelige stoffer er brintgas, svovlforbindelser (f.eks. sulfid og svovl), kvælstofforbindelser (f.eks. ammonium og nitrit) og jernholdigt jern.

• Hydrogenoxidatorer – disse organismer oxiderer hydrogengas (H2) ved hjælp af et hydrogenaseenzym. Der findes både aerobe og anaerobe hydrogenoxidatorer, idet de aerobe organismer i sidste ende reducerer ilt til vand.
• Svovloxidatorer – som gruppe er disse organismer i stand til at oxidere en lang række reducerede og delvist reducerede svovlforbindelser såsom svovlbrinte (H2S), elementært svovl (S0), thiosulfat (S2O32-) og sulfit (SO32-). Sulfat (SO42-) er ofte et biprodukt af oxidationen. Ofte sker oxidationen trinvis ved hjælp af enzymet sulfitoxidase.
• Nitrogenoxidatorer – oxidationen af ammoniak (NH3) udføres som en totrinsproces af nitrivende mikrober, hvor den ene gruppe oxiderer ammoniak til nitrit (NO2-), og den anden gruppe oxiderer nitriten til nitrat (NO3-). Hele processen kaldes nitrifikation og udføres af små grupper af aerobe bakterier og archaea, der ofte findes sammen i jorden eller i vandsystemer.
• Jernoxidatorer – disse organismer oxiderer jernholdigt jern (Fe2+) til jernholdigt jern (Fe3+). Da Fe2+ har et så positivt standardreduktionspotentiale, er bioenergetikken ikke ekstremt gunstig, selv ved brug af ilt som endelig elektronacceptor. Situationen vanskeliggøres for disse organismer af, at Fe2+ spontant oxideres til Fe3+ i tilstedeværelse af ilt; organismerne skal bruge det til deres egne formål, før det sker.

Elektronacceptorer

Chemolithotrofi kan foregå aerobt eller anaerobt. Ligesom ved begge former for respiration er den bedste elektronacceptor ilt, for at skabe den største afstand mellem elektrondonor og elektronacceptor. Ved at bruge en ikke-syreacceptor kan kemolithotrofer have større diversitet og evnen til at leve i en bredere vifte af miljøer, selv om de ofrer energiproduktionen.

Mængden af genereret ATP

Som både elektrondonorer og -acceptorer kan variere meget for denne gruppe organismer, vil mængden af ATP, der genereres for deres indsats, også variere meget. De vil ikke lave lige så meget ATP som en organisme, der anvender aerob respiration, da det største ΔE0′ findes ved brug af glukose som elektrondonor og ilt som elektronacceptor. Men hvor meget mindre end 32 molekyler ATP afhænger i høj grad af den faktiske donor og acceptor, der anvendes. Jo mindre afstanden mellem de to er, jo mindre ATP vil der blive dannet.

Chemolithoautotrofer vs. chemolithoheterotrofer

De fleste chemolithotrofer er autotrofer (chemolithoautotrofer), hvor de fikserer atmosfærisk kuldioxid for at samle de organiske forbindelser, som de har brug for. Disse organismer kræver både ATP og reducerende kraft (dvs. NADH/NADPH) for i sidste ende at omdanne det oxiderede molekyle CO2 til en stærkt reduceret organisk forbindelse, som f.eks. glukose. Hvis en kemolithoautotrof bruger en elektrondonor med et højere redoxpotentiale end NAD+/NADP, skal den anvende omvendt elektronstrøm for at skubbe elektronerne tilbage op i elektrontårnet. Dette er energimæssigt ugunstigt for cellen, idet der bruges energi fra protonmotivationskraften til at drive elektroner i omvendt retning tilbage gennem ETC’et.

Nogle mikrober er kemolithoheterotrofer, der bruger et uorganisk kemikalie til deres energi- og elektronbehov, men er afhængige af organiske kemikalier i miljøet til at dække deres kulstofbehov. Disse organismer kaldes også mixotrofe organismer, da de har brug for både uorganiske og organiske kemiske forbindelser til deres vækst og reproduktion.

Stikstofmetabolisme

Nitrogencyklussen skildrer de forskellige måder, hvorpå kvælstof, et livsvigtigt grundstof, bruges og omdannes af organismer til forskellige formål. En stor del af de kemiske omdannelser udføres af mikrober som en del af deres stofskifte, idet de i processen yder en værdifuld tjeneste for andre organismer ved at forsyne dem med en alternativ kemisk form af grundstoffet.

Stikstoffiksering

Stikstoffiksering beskriver omdannelsen af den relativt inaktive dinitrogengas (N2) til ammoniak (NH3), en meget mere anvendelig form for kvælstof for de fleste livsformer. Processen udføres af diazotrofer, et begrænset antal bakterier og archaea, som på grund af deres evner kan vokse uden en ekstern kilde til fikseret kvælstof. Kvælstoffiksering er en vigtig proces for Jordens organismer, da kvælstof er en nødvendig bestanddel af forskellige organiske molekyler som f.eks. aminosyrer og nukleotider. Planter, dyr og andre organismer er afhængige af bakterier og arkæer til at levere kvælstof i en fikseret form, da man ikke kender nogen eukaryote, der kan fiksere kvælstof.

Stikstoffiksering er en ekstremt energi- og elektronintensiv proces, for at bryde trippelbindingen i N2 og reducere det til NH3. Det kræver et særligt enzym kaldet nitrogenase, som inaktiveres af O2. Derfor skal nitrogenfiksering finde sted i et anaerobt miljø. Aerobe kvælstoffikserende organismer må finde på særlige betingelser eller arrangementer for at beskytte deres enzym. Kvælstoffikserende organismer kan enten eksistere uafhængigt af hinanden eller indgå parløb med en plantevært:

1. Symbiotiske kvælstoffikserende organismer: Disse bakterier indgår parløb med en plante for at give dem et miljø, der er egnet til, at deres nitrogenaseenzym kan fungere. Bakterierne lever i plantens væv, ofte i rodknuder, hvor de fikserer kvælstof og deler resultaterne. Planten leverer både det sted, hvor kvælstoffet kan fikseres, og yderligere næringsstoffer til støtte for den energikrævende proces med kvælstoffiksering. Det er blevet påvist, at bakterierne og værten udveksler kemiske genkendelsessignaler, der letter forholdet. En af de bedst kendte bakterier i denne kategori er Rhizobium, som indgår partnerskab med planter af bælgplantefamilien (kløver, sojabønner, lucerne osv.).
2. Fritlevende kvælstoffikserende organismer: Disse organismer, både bakterier og arkæer, fikserer kvælstof til eget brug, som ender med at blive delt, når organismen dør eller bliver indtaget. Fritlevende kvælstoffikserende organismer, der vokser anaerobt, behøver ikke at bekymre sig om særlige tilpasninger for deres nitrogenaseenzym. Aerobiske organismer skal foretage tilpasninger. Cyanobakterier, en flercellet bakterie, laver specialiserede celler, der kaldes heterocyster, hvori kvælstoffiksering finder sted. Da cyanobakterier producerer ilt som en del af deres fotosyntese, opstår der en iltfri version i heterocysten, hvilket gør det muligt for nitrogenasen at forblive aktiv. Heterocysterne deler det fikserede kvælstof med de omkringliggende celler, mens de omkringliggende celler tilfører yderligere næringsstoffer til heterocysterne.

Assimilation

Assimilation er en reduktiv proces, hvorved en uorganisk form af kvælstof reduceres til organiske kvælstofforbindelser såsom aminosyrer og nukleotider, hvilket muliggør cellevækst og reproduktion. Kun den mængde, som cellen har brug for, bliver reduceret. Ammoniakassimilation sker, når den ammoniak (NH3)/ammoniumion (NH4+), der dannes under nitrogenfiksering, inkorporeres i cellekvælstof. Assimilativ nitratreduktion er en reduktion af nitrat til cellekvælstof i en flertrinsproces, hvor nitrat reduceres til nitrit, derefter ammoniak og til sidst til organisk kvælstof.

Nitrifikation

Som nævnt ovenfor udføres nitrifikation af kemolithotrofer, der anvender en reduceret eller delvist reduceret form af kvælstof som elektrondonor for at opnå energi. ATP opnås ved processen oxidativ fosforylering ved hjælp af et ETC, PMF og ATP-syntase.

Denitrifikation

Denitrifikation henviser til reduktionen af NO3- til gasformige kvælstofforbindelser, såsom N2. Denitrifikationsmikrober udfører anaerob respiration ved hjælp af NO3- som en alternativ endelig elektronacceptor i stedet for O2. Der er tale om en type dissimilatorisk nitratreduktion, hvor nitraten reduceres under energibesparelse og ikke med henblik på at fremstille organiske forbindelser. Dette producerer store mængder overskydende biprodukter, hvilket resulterer i tab af kvælstof fra det lokale miljø til atmosfæren.

Anammox

Anammox eller anaerob ammoniakoxidation udføres af marine bakterier, der er opdaget for relativt nylig, og som udnytter kvælstofforbindelser som både elektronacceptor og elektrondonor. Ammoniak oxideres anaerobt som elektrondonor, mens nitrit udnyttes som elektronacceptor, og der produceres dinitrogengas som et biprodukt. Reaktionerne finder sted i anammoxosomet, en specialiseret cytoplasmisk struktur, der udgør 50-70 % af det samlede cellevolumen. Ligesom ved denitrifikation fjerner anammoxreaktionen fikseret kvælstof fra et lokalt miljø og afgiver det til atmosfæren.