Бактериите се нитрират. Значението на нитрифициращите бактерии

Според вида на храната всички известни живи организми се разделят на два големи вида: хетеро- и автотрофни. Отличителна черта на последната е тяхната способност за самостоятелно изграждане на нови елементи от въглероден диоксид и други неорганични вещества.

Тази статия ще бъде посветена на най-често срещаната група - нитрозиращи бактерии.

История на откритието

В средата на XIX век германски учени доказват, че процесът на нитрификация е биологичен. Експериментално те показват, че добавянето на хлороформ към отпадъчните води спира окисляването на амоняк. Но те не можаха да обяснят защо това се случва.

Това се постига няколко години по-късно от руския учен Виноградски. Той избра две групи бактерии, които постепенно се включиха в процеса на нитрификация. По този начин, една група осигурява окисляването на амоняк до кисела азотна, а втората група от бактерии отговаря за превръщането му в азотна. Всички нитрифициращи бактерии, участващи в този процес, са грам-отрицателни.

Характеристики на процеса на окисляване

Процесът на образуване на нитрити чрез амониево окисление има няколко етапа, през които се образуват азотсъдържащи съединения с различна степен на окисление на NH групата.

Първият продукт на амониево окисление е хидроксиламин. Най-вероятно се образува поради включването на молекулярен кислород в NH групата₄, въпреки че този процес не е окончателно доказан и остава спорен.

Допълнителният хидроксиламин се превръща в нитрит. Предполага се, че процесът се осъществява чрез образуването на NOH (giponitrite) с освобождаването на азотен оксид. В този случай учените разглеждат продуктите азотен оксид само страничен продукт от синтеза, поради намаляването на нитрита.

В допълнение към производството на химически елементи, по време на процеса на денитрофиране се отделя голямо количество енергия. Подобно на това, което се случва в хетеротрофни аеробни организми, в този случай синтезата на АТР се свързва с процесите на окисляване за намаляване, в резултат на което електроните се прехвърлят към кислород.

По време на окисляването на нитритите, важна роля играе процесът на обратния електронен транспорт. Включването на неговите електрони във веригата става директно в цитохроми (тип С и / или тип А) и това изисква доста голям разход на енергия. В резултат на това химиоавтотрофните нитрифициращи бактерии са напълно снабдени с необходимия енергиен резерв, който се използва за процесите на изграждане и асимилиране на въглероден диоксид.

Видове нитрифициращи бактерии

В първата фаза на нитрификация участват четири вида нитробактерии:

• нитрозомонас;
• nitrotsistis;
• nitrosolyubus;
• nitrosospira.

Между другото, на предложеното изображение можете да видите нитрифициращи бактерии (снимка под микроскоп).

Експерименталният начин сред тях е доста труден и често е невъзможно да се отдели една от културите, поради което тяхната преценка е предимно сложна. Всички тези микроорганизми имат размер до 2-2,5 микрона и са предимно овални или закръглени (с изключение на нитроспири, които приличат на пръчка). Те са способни на двойно деление и насочено движение благодарение на flagella.

Втората фаза на нитрификация включва:

• род Nitrobacter;
• род на нитросоин;
• nitrokokus.

Най-проучен щам на бактерии от вида Nitrubacter, кръстен на откривателя му Виноградски. Тези нитрифициращи бактерии имат клетки с крушовидна форма, които се размножават чрез израстване, с образуването на мобилна дъщерна клетка (поради флагела).

Структура на бактериите

Изследваните нитрифицирани бактерии имат подобна клетъчна структура с други грам-отрицателни микроорганизми. Някои от тях имат достатъчно развита система от вътрешни мембрани, образуващи стек в центъра на клетката, докато в други те се намират по-на периферията или образуват структура под формата на купа, състояща се от няколко листа. Очевидно тези формирования са свързани с ензими, които участват в окисляването на специфични субстрати от нитрификаторите.

Вид храна нитрифициращи бактерии

Нитробактериите принадлежат към задължителни автотрофни, защото не могат да използват екзогенни органично вещество. Въпреки това, способността на някои щамове на нитрифициращи бактерии да използват определени органични съединения въпреки това е доказана експериментално.

Установено е, че субстрат, съдържащ автолизни мая, серин и глутамат в ниски концентрации, стимулира растежа на нитробактериите. Това се случва както при наличието на нитрит, така и при липсата му хранителна среда, въпреки че процесът е много по-бавен. Обратно, в присъствието на нитрит, окисляването на ацетат се инхибира, но внасянето на неговия въглерод в протеина, различни аминокиселини и други клетъчни компоненти се увеличава значително.

В резултат на множество експерименти, е получена информация, че на нитрифициращите бактерии все още могат да преминат към хетеротрофична хранене, но колко продуктивни и колко време могат да съществуват в такива условия, остава да се види. Докато данните са доста противоречиви, да се направи окончателно заключение за това.

Хабитат и значението на нитрифициращите бактерии

Нитрифициращите бактерии принадлежат към химиоавтотрофи и са широко разпространени в природата. Те се намират навсякъде: в почвата, различни субстрати, а също и резервоари. Процесът на тяхната жизненоважна дейност има голям принос за цялостното цикъл на азот в природата и в действителност може да достигне огромни пропорции.

Например, микроорганизми като нитроциститните океани, изолирани от Атлантическия океан, се отнасят до задължителни халофили. Тя може да съществува само в морска вода или субстрати, които я съдържат. За такива микроорганизми е важно не само местообитанието, но и константи като рН и температура.

Всички известни нитрифициращи бактерии се класифицират като задължителни аероби. За да се окисли амоняка до азотна киселина и азотна киселина към азотна киселина, те се нуждаят от кислород.

Условия за местообитания

Друга важна точка, която учените откриха, е, че мястото, където живеят нитрифициращите бактерии, не трябва да съдържа органични вещества. Представена е теория, че тези микроорганизми не могат по принцип да използват органични съединения отвън. Те дори бяха наричани задължителни автотрофове.

Впоследствие нееднократно се доказват вредните ефекти на глюкозата, уреята, пептона, глицерола и други органични вещества върху нитрифициращите бактерии, но експериментите не спират.

Значението на нитрифицирането на бактериите за почвата

Доскоро се смятало, че нитрификаторите благоприятно въздействат върху почвата, като увеличават плодородието си чрез разделяне на амоняка на нитрати. Последните не само се абсорбират добре от растенията, но и сами по себе си увеличават разтворимостта на някои минерали.

Въпреки това през последните години научните виждания са претърпели промени. Открит е отрицателният ефект на описаните микроорганизми върху плодородието на почвата. Нитрифициращи бактерии за образуване нитрат, кисела среда, която не винаги е нещо положително, както и по-голяма степен на насищане на почвата предизвика амониеви йони от нитрати. Освен това, нитратите имат способността да се възстановят до N₂ (в процеса на денитрификация), което на свой ред води до изчерпване на почвата с азот.

Каква е опасността от нитрифициране на бактериите?

Някои щамове на нитробактерии в присъствието на органичен субстрат могат да окисляват амоний, образувайки хидроксиламин и впоследствие нитрити и нитрати. Също така, в резултат на такива реакции могат да възникнат хидроксамови киселини. Освен това, редица бактерии изпълняват процеса на нитрификация на различни съединения, съдържащи азот (оксими, амини, амиди, хидроксамати и други нитросъединения).

Мащабът на хетеротрофна нитрификация при определени условия може да бъде не само огромен, но и много вредни. Опасността се крие във факта, че по време на такива трансформации възниква образуването на токсични вещества, мутагени и канцерогени. Ето защо учените работят в тясно сътрудничество с изучаването на тази тема.

Биологичен филтър, който е винаги под ръка

Нитрифициращите бактерии не са абстрактна концепция, а много често срещана форма на живот. Освен това те често се използват от човека.

Например, в биологичните филтри за аквариуми са точно тези бактерии. Този вид почистване е по-евтин и не толкова трудоемък, колкото механичното почистване, но в същото време изисква определени условия, за да се осигури спазването на жизнената активност на нитрифициращите бактерии.

Най-благоприятният микроклимат за тях е температурата на околната среда (в този случай водата) от порядъка на 25-26 градуса по Целзий, постоянното снабдяване с кислород и наличието на водни растения.

Нитрифициращи бактерии в селското стопанство

За да се увеличи добивът, земеделските стопани използват различни торове, съдържащи нитрифициращи бактерии.

Почвеното хранене в този случай се осигурява от нитробактерии и азотобактерии. Тези бактерии екстрахират необходимите вещества от почвата и водата, които образуват достатъчно количество енергия по време на окисляването. Това е т.нар. Процес на химиосинтеза, когато енергията се използва за образуване на сложни молекули от органичен произход от въглероден диоксид и вода.

За тези микроорганизми, а не непременно доставката на хранителни вещества от тяхната среда - те могат да ги произвеждат сами. Така че, ако зелените растения, които също са автотрофни, се нуждаят от слънчева светлина, то не е необходимо за нитрифициращи бактерии.

Самопочистване на почвата

Почвата е идеален субстрат за растежа и възпроизводството не само на растенията, но и на много живи организми. Следователно, нейното нормално състояние и балансиран състав е изключително важно.

Трябва да се помни, че биологичното почистване на почвата се осигурява, наред с други неща, от нитрифициращи бактерии. Те са в почва, хумус или резервоари, превръща амоняк, които секретират други микроорганизми и отпадъчни органични материали, нитрати (по-точно, сол на азотната киселина). Целият процес се състои от два етапа:

1. Окисляване на амоняк до нитрит.
2. Окисление на нитрити до нитрати.

В този случай всеки етап се осигурява от отделни видове микроорганизми.

Така нареченият порочен кръг

Цикълът на енергия и поддържането на живота на Земята са възможни поради спазването на някои закономерности в съществуването на всички живи същества. На пръв поглед е трудно да се разбере какво се отнася, но всъщност всичко е съвсем просто.

Нека си представим следната картинка от учебника:

1. Неорганичните вещества се обработват от микроорганизми и по този начин създават благоприятни условия в почвата за растеж и хранене на растенията.
2. Те, от своя страна, са незаменим източник на енергия за повечето тревопасни животни.
3. Следващата верига на тази жизненоважна връзка са хищници, чиято енергия е съответно тревопасните им колеги.
4. Известно е, че хората принадлежат към по-висши хищници, което означава, че можем да получаваме енергия както от растителния свят, така и от животното.
5. И вече нашите собствени остатъци от жизненоважна дейност, както и тези на самите растения и животни, служат като хранителен субстрат за микроорганизми.

По този начин се оказва един порочен кръг, непрекъснато функциониращ и осигуряващ живота на целия живот на Земята. Познавайки тези принципи, не е трудно да си представим колко многостранна и наистина неограничена е силата на природата и всички живи същества.

заключение

В тази статия се опитахме да отговорим на въпроса какви са нитрифициращите бактерии в биологията. Както можете да видите, въпреки неоспоримите доказателства за жизнената дейност, функционирането и влиянието на тези микроорганизми, все още има много противоречиви въпроси, изискващи допълнителни експериментални изследвания.

Нитрифициращите бактерии се наричат ​​хемотрофи. Източникът на енергия за тях са различни минерали. Въпреки техния микроскопски размер тези живи организми оказват огромно влияние върху света около тях.

Както е известно, хемотрофите не могат да абсорбират органични съединения, които са в субстрата (почва или вода). Те, напротив, произвеждат строителен материал за създаването на жива и функционираща клетка.