Bakterije nitrifirajoče. Pomen nitrifikacije bakterij

Glede na vrsto hrane so vsi znani živi organizmi razdeljeni v dve veliki vrsti: hetero- in avtotrofi. Posebnost slednjega je njihova sposobnost, da neodvisno konstruirajo nove elemente iz ogljikovega dioksida in druge anorganske snovi.

Ta članek bo namenjen najpogostejši skupini - nitrozirajočim bakterijam.

Zgodovina odkritja

Sredi 19. stoletja so nemški znanstveniki dokazali, da je proces nitrifikacije biološki. Eksperimentalno so pokazali, da dodajanje kloroforma v kanalizacijo ustavi oksidacijo amoniaka. Ampak niso mogli razložiti, zakaj se to dogaja.

To je nekaj let kasneje izvedel ruski znanstvenik Vinogradsky. Izpostavil je dve skupini bakterij, ki so postopoma sodelovali v procesu nitrifikacije. Tako je ena skupina zagotovila oksidacijo amonijev v kislinski dušik, druga skupina bakterij je bila odgovorna za njegovo preoblikovanje v dušik. Vse nitrifikacijske bakterije, ki so vključene v ta proces, so gram-negativne.

Značilnosti oksidacijskega procesa

Postopek nastajanja nitritov z amonijevim oksidacijo ima več stopenj, v katerem nastajajo dušikove spojine z različnimi stopnjami oksidacije NH skupine.

Prvi produkt amonijeve oksidacije je hidroksilamin. Najverjetneje je nastala zaradi vključitve molekularnega kisika v skupino NH₄, čeprav ta proces ni bil dokončno dokazan in je še vedno sporen.

Nadaljnji hidroksilamin se pretvori v nitrit. Predpostavlja se, da se postopek izvaja s tvorbo NOH (giponitrita) z osvoboditvijo dušikovega oksida. V tem primeru znanstveniki menijo, da so izdelki dušikov oksid le stranski produkt sinteze, zaradi zmanjšanja nitritov.

Poleg proizvodnje kemičnih elementov se med postopkom denitrifikacije sprosti velika količina energije. Podobno kot pri heterotrofnih aerobnih organizmih je v tem primeru sinteza ATP molekul povezana z oksidacijsko redukcijskimi procesi, zaradi česar se elektroni prenesejo v kisik.

Med oksidacijo nitrita pomembno vlogo igra proces povratnega elektronskega transporta. Vključitev njegovih elektronov v verigo se dogaja neposredno v citokromih (tipa C in / ali tipa A), kar zahteva precej velike porabe energije. Kot rezultat, so kemoautotropne nitrifikacijske bakterije v celoti opremljene s potrebno energijsko rezervo, ki se uporablja za procese gradnje in asimiliranja ogljikovega dioksida.

Vrste nitrifirajočih bakterij

V prvi fazi nitrifikacije sodelujejo štiri vrste nitrobakterij:

• nitrozomoni;
• nitrocistis;
• nitrosolus;
• nitrospira.

Mimogrede, na predlagani podobi lahko vidite nitrifikacijske bakterije (fotografija pod mikroskopom).

Eksperimentalni način med njimi je precej težko, pogosto pa je nemogoče izločiti eno od poljščin, zato je njihovo upoštevanje večinoma zapleteno. Vsi ti mikroorganizmi imajo velikost do 2-2,5 mikronov in so pretežno ovalni ali zaokroženi (z izjemo nitropresov, ki izgledajo kot palica). Sposobni so binarni delitev in usmerjeni gibi zaradi flagella.

Druga faza nitrifikacije vključuje:

• rod Nitrobacter;
• rod nitrozoina;
• Nitrococcus.

Najbolj preučevan sev bakterij iz rodu Nitrubacter, imenovan po njegovem odkrivalcu, Vinogradsky. Te nitrifikalne bakterije imajo hruškaste celice, se pomnožijo s potapljanjem, s tvorbo mobilne hčerinske celice (zaradi zastave).

Struktura bakterij

Raziskovane nitrifikirane bakterije imajo podobno celično strukturo z drugimi gram-negativnimi mikroorganizmi. Nekateri od njih imajo dovolj razvit sistem notranjih membran, ki oblikujejo sklad v središču celice, medtem ko se v drugih nahajajo več na obrobju ali tvorijo strukturo v obliki sklede, sestavljene iz več listov. Očitno so tiste formacije, ki so povezane z encimi, ki so vključeni v oksidacijo specifičnih substratov z nitrifierji.

Vrsta hrane nitrifirajoče bakterije

Nitrobakterije pripadajo obveznim avtotrofom, ker ne morejo uporabljati eksogenih organska snov. Kljub temu pa je bila eksperimentalno dokazana sposobnost nekaterih sevov nitrifikativnih bakterij za uporabo nekaterih organskih spojin.

Ugotovljeno je bilo, da substrat, ki vsebuje kvasne avtolizate, serin in glutamat v nizkih koncentracijah, spodbuja rast nitrobakterij. To se zgodi ob prisotnosti nitritov in v njegovi odsotnosti v hranilni medij, čeprav je proces veliko počasnejši. Nasprotno, v prisotnosti nitritov je oksidacija acetata zavržena, vendar je bistveno povečana vključitev njegovega ogljika v protein, različne aminokisline in druge celične komponente.

Kot rezultat več eksperimentov so bili pridobljeni podatki, da lahko nitrifikalne bakterije še vedno preidejo na heterotrofno prehrano, vendar je še vedno treba videti, kako produktivno in kako dolgo lahko obstajajo v takih razmerah. Medtem ko so podatki precej protislovni, da o tem končno sklepamo.

Habitat in pomen nitrifikacije bakterij

Nitrifikacijske bakterije pripadajo kemoautotrofom in so v naravi razširjene. Njihovo najdemo povsod: v tleh, različnih substratih, pa tudi v rezervoarjih. Proces njihove vitalne dejavnosti daje velik prispevek k splošnemu cikel dušika v naravi in dejansko lahko doseže ogromne razsežnosti.

Na primer, mikroorganizem, kot so nitrocistični oceani, izolirani iz Atlantskega oceana, se nanaša na obvezne halofile. Lahko obstaja samo v morski vodi ali substratih, ki jo vsebujejo. Za takšne mikroorganizme ni pomemben samo habitat, temveč tudi konstanti, kot sta pH in temperatura.

Vse znane nitrifikalne bakterije so razvrščene kot obvezni aerobi. Da bi oksidirali amonij v dušikovo kislino in dušikovo kislino v dušikovo kislino, potrebujejo kisik.

Pogoji habitata

Druga pomembna točka, ki so jo odkrili znanstveniki, je, da kraj, kjer živi nitrifikacija bakterij, ne sme vsebovati organskih snovi. Teorija je bila predlagana, da ti mikroorganizmi ne morejo načeloma uporabljati organskih spojin od zunaj. Imenovani so bili celo obvezni avtotrofi.

Nato so se večkrat dokazali škodljivi učinki glukoze, sečnine, peptona, glicerola in drugih organskih snovi na nitrifikalne bakterije, vendar se eksperimenti ne ustavijo.

Pomen nitrifikacije bakterij za tla

Do nedavnega se je domnevalo, da nitrifriji ugodno vplivajo na tla, s čimer se poveča plodnost tako, da se amoniak razdeli na nitrate. Slednje ne le dobro absorbirajo rastline, ampak tudi same po sebi povečajo topnost nekaterih mineralov.

Vendar pa so se znanstvena stališča v zadnjih letih spremenila. Ugotovljen je bil negativni učinek mikroorganizmov, opisanih na plodnosti tal. Bakterije nitrifirajoče, tvorijo nitrate, kisajo okolje, ki ni vedno pozitiven trenutek, in tudi v večji meri povzroča zasičenost tal z amonijevimi ioni kot nitrati. Poleg tega imajo nitrati možnost, da se povrnejo v N₂ (v procesu denitrifikacije), kar posledično povzroči izčrpanje tal z dušikom.

Kakšna je nevarnost nitrifikacije bakterij?

Nekateri sevi nitrobakterij v prisotnosti organskega substrata lahko oksidirajo amonij, tvorijo hidroksilamin, nato nitrite in nitrate. Tudi zaradi takšnih reakcij se lahko pojavijo hidroksamske kisline. Poleg tega številne bakterije izvajajo postopek nitrifikacije različnih spojin, ki vsebujejo dušik (oksim, amini, amidi, hidroksamati in druge nitro spojine).

Obseg heterotrofne nitrifikacije pod določenimi pogoji ni le ogromen, temveč tudi zelo škodljiv. Nevarnost je v dejstvu, da med takimi transformacijami nastanejo strupene snovi, mutagene snovi in ​​rakotvorne snovi. Zato znanstveniki tesno sodelujejo pri preučevanju te teme.

Biološki filter, ki je vedno pri roki

Nitrifikacijske bakterije niso abstraktni koncept, temveč zelo pogosta oblika življenja. Poleg tega jih pogosto uporablja človek.

Na primer, v bioloških filtrih za akvarije so ravno te bakterije. Ta vrsta čiščenja je cenejša in ni tako zahtevna kot mehansko čiščenje, vendar hkrati zahteva izpolnjevanje določenih pogojev, da se zagotovi rast in vitalna aktivnost nitrifikalnih bakterij.

Najbolj ugodna mikroklima zanje je temperatura okolice (v tem primeru voda) reda 25-26 stopinj Celzija, stalna zaloga kisika in prisotnost vodnih rastlin.

Nitrifikacija bakterij v kmetijstvu

Za povečanje donosa kmetje uporabljajo različna gnojila, ki vsebujejo nitrifikalne bakterije.

V tem primeru prehrano v tleh zagotavljajo nitrobakterije in azotobakterije. Te bakterije izvlečejo potrebne snovi iz tal in vode, ki med oksidacijo tvorijo dovolj veliko količino energije. To je tako imenovani proces kemosinteze, ko se energija uporablja za oblikovanje kompleksnih molekul organskega izvora iz ogljikovega dioksida in vode.

Za te mikroorganizme, ne nujno oskrbe s hranili iz svojega okolja - jih lahko proizvedejo same. Torej, če zelene rastline, ki so tudi avtotrofi, potrebujejo sončno svetlobo, potem ni potrebno nitrifikirati bakterij.

Samo-čiščenje tal

Tla so idealni substrat za rast in razmnoževanje ne samo rastlin, ampak tudi veliko živih organizmov. Zato je njeno normalno stanje in uravnotežena sestava izjemno pomembna.

Ne smemo pozabiti, da biološko čiščenje tal med drugim zagotavlja nitrifikacija bakterij. V tleh, vodnih telesih ali humusu pretvorijo amoniak, ki izloča druge mikroorganizme in odpadne organske snovi v nitrate (natančneje, potem v soli dušikove kisline). Celoten proces je sestavljen iz dveh stopenj:

1. Oksidacija amonijaka v nitrit.
2. Oksidacija nitrita v nitrat.

V tem primeru je vsaka faza zagotovljena z ločenimi vrstami mikroorganizmov.

Tako imenovani začaran krog

Cikel energije in vzdrževanje življenja na Zemlji je mogoč zaradi spoštovanja določenih zakonitosti v obstoju vseh živih bitij. Na prvi pogled je težko razumeti, za kaj gre, vendar je v bistvu vse preprosto.

Predstavljajmo naslednjo sliko iz šolske učbenike:

1. Anorganske snovi predelujejo mikroorganizmi in tako ustvarijo ugodne pogoje v tleh za rast in prehrano rastlin.
2. Po drugi strani pa so nepogrešljiv vir energije za večino rastlinojedih živali.
3. Naslednja veriga te vitalne povezave so plenilci, katerih energija je njihovi rastlinojni kolegi.
4. Znano je, da ljudje pripadajo višjim plenilcem, kar pomeni, da lahko sprejemamo energijo iz rastlinskega sveta in živali.
5. In že naši lastni ostanki vitalne aktivnosti, pa tudi tisti iz samih rastlin in živali, služijo kot hranilni substrat za mikroorganizme.

Tako se izkaže za začaran krog, ki stalno deluje in zagotavlja življenje vsega življenja na Zemlji. Poznavanje teh načel ni težko predstavljati, kako večplastna in resnično neomejena je moč narave in vseh živih bitij.

Zaključek

V tem članku smo poskušali odgovoriti na vprašanje, kaj je nitrifirajoča bakterija v biologiji. Kot lahko vidite, kljub neizpodbitnim dokazom o življenjski aktivnosti, delovanju in vplivu teh mikroorganizmov še vedno obstajajo številna sporna vprašanja, ki zahtevajo nadaljnje eksperimentalne raziskave.

Nitrifikacijske bakterije imenujemo kemotrofi. Vir energije za njih so različni minerali. Kljub njihovi mikroskopski velikosti imajo ti živi organizmi ogromen vpliv na svet okoli njih.

Kot je znano, kemotrofi ne morejo absorbirati organskih spojin, ki so v substratu (tla ali voda). Nasprotno, proizvajajo gradbeni material za ustvarjanje živih in delujočih celic.