W zależności od rodzaju żywienia wszystkie znane organizmy żywe dzielą się na dwa duże typy: hetero- i autotrofy. Cechą charakterystyczną tych ostatnich jest ich zdolność do samodzielnego budowania nowych pierwiastków z dwutlenku węgla i innych substancji nieorganicznych.
Źródła energii wspomagające ich aktywność życiową determinują ich podział na fotoaftotrofy (źródłem jest światło) i chemoautotrofy (źródłem są minerały). A w zależności od nazwy podłoża utlenianego przez chemoautorytofity dzieli się je na bakterie wodorowe i nitryfikacyjne, a także siarkowe i żelazowe.
Ten artykuł będzie poświęcony najpopularniejszej grupie z nich - bakteriom nitryfikacyjnym.
Historia odkryć
Nawet w połowie XIX wieku niemieccy naukowcy udowodnili, że proces nitryfikacji jest biologiczny. Empirycznie wykazali, że po dodaniu chloroformu do ścieków, utlenianie amoniaku ustało. Ale aby wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje, niemógłby.
Zrobił to kilka lat później rosyjski naukowiec Vinogradsky. Zidentyfikował dwie grupy bakterii, które stopniowo brały udział w procesie nitryfikacji. Tak więc jedna grupa zapewniała utlenianie amonu do kwasu azotawego, a druga grupa bakterii odpowiadała za jego konwersję do kwasu azotowego. Wszystkie bakterie nitryfikacyjne zaangażowane w ten proces są Gram-ujemne.
Cechy procesu utleniania
Proces tworzenia azotynów przez utlenianie amonu składa się z kilku etapów, podczas których powstają związki zawierające azot o różnym stopniu utlenienia grupy NH.
Pierwszym produktem utleniania amonu jest hydroksyloamina. Najprawdopodobniej powstaje w wyniku włączenia tlenu cząsteczkowego do grupy NH4, chociaż proces ten nie został ostatecznie udowodniony i pozostaje dyskusyjny.
Następnie hydroksyloamina jest przekształcana w azotyny. Przypuszczalnie proces ten odbywa się poprzez tworzenie NOH (podazotyny) z uwolnieniem podtlenku azotu. W tym przypadku naukowcy uważają produkcję podtlenku azotu za jedynie produkt uboczny syntezy, ze względu na redukcję azotynu.
Oprócz produkcji pierwiastków chemicznych podczas denitryfikacji uwalniana jest duża ilość energii. Podobnie jak w heterotroficznych organizmach tlenowych, w tym przypadku synteza cząsteczek ATP związana jest z procesami redoks, w wyniku których elektrony są przenoszone do tlenu.
Gdy azotyn ulega utlenieniu, proces transportu zwrotnego odgrywa ważną rolęelektrony. Włączenie jego elektronów do łańcucha następuje bezpośrednio w cytochromach (typu C i/lub typu A), a to wymaga dość dużej ilości energii. Dzięki temu chemoautotroficzne bakterie nitryfikacyjne mają pełne zaopatrzenie w niezbędną rezerwę energii, która jest wykorzystywana do procesów budowy i przyswajania dwutlenku węgla.
Rodzaje bakterii nitryfikacyjnych
Cztery rodzaje nitrobakterii biorą udział w pierwszej fazie nitryfikacji:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolbus;
- nitrozospira.
Przy okazji, możesz zobaczyć bakterie nitryfikacyjne na sugerowanym obrazie (zdjęcie pod mikroskopem).
Eksperymentalnie, wśród nich wyróżnienie jednej z kultur jest dość trudne, a często całkowicie niemożliwe, więc ich rozważanie jest w przeważającej mierze złożone. Wszystkie wymienione drobnoustroje mają wielkość do 2-2,5 mikrona i mają przeważnie kształt owalny lub okrągły (z wyjątkiem nitrospira, które mają postać patyczka). Są zdolne do binarnego rozszczepienia i ukierunkowanego ruchu z powodu wici.
Występuje druga faza nitryfikacji:
- rodzaj Nitrobacter;
- typ nitrospinowy;
- nitrokokus.
Najbardziej przebadany szczep bakterii z rodzaju Nitrbacter, nazwany na cześć odkrywcy Vinogradsky. Te bakterie nitryfikacyjne mają komórki w kształcie gruszki, które rozmnażają się przez pączkowanie, tworząc ruchomą (z powodu wici) komórkę potomną.
Struktura bakterii
Badane bakterie nitryfikacyjne mają podobną strukturę komórkową jak inne mikroorganizmy Gram-ujemne. Niektóre z nich mają dość rozwinięty system błon wewnętrznych, które tworzą stos w środku komórki, podczas gdy w innych znajdują się one bardziej na obwodzie lub tworzą strukturę w postaci miseczki, składającej się z kilku listków. Podobno z tymi formacjami związane są enzymy, które biorą udział w procesie utleniania określonych substratów przez nitryfikatory.
Bakterie nitryfikacyjne, rodzaj żywności
Nitrobakterie są obowiązkowymi autotrofami, ponieważ nie są w stanie używać egzogennych substancji organicznych. Jednak eksperymentalnie wykazano zdolność niektórych szczepów bakterii nitryfikacyjnych do wykorzystywania niektórych związków organicznych.
Stwierdzono, że substrat zawierający autolizaty drożdży, serynę i glutaminian w niskich stężeniach, stymuluje wzrost nitrobakterii. Dzieje się tak zarówno w obecności azotynu, jak i przy jego braku w pożywce, chociaż proces ten przebiega znacznie wolniej. I odwrotnie, w obecności azotynu utlenianie octanu jest hamowane, ale włączanie jego węgla do białka, różnych aminokwasów i innych składników komórkowych znacznie wzrasta.
W wyniku wielu eksperymentów uzyskano dane, że bakterie nitryfikacyjne mogą nadal przestawiać się na żywienie heterotroficzne, ale nie wiadomo, jak wydajnie i jak długo mogą istnieć w takich warunkach. Dopóki dane są wystarczająceniespójne w wyciąganiu ostatecznych wniosków w tej sprawie.
Siedlisko i znaczenie bakterii nitryfikacyjnych
Bakterie nitryfikacyjne są chemoautotrofami i są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Występują wszędzie: w glebie, różnych podłożach, a także zbiornikach wodnych. Proces ich życiowej aktywności w znacznym stopniu przyczynia się do ogólnego cyklu azotowego w przyrodzie i faktycznie może osiągnąć ogromne rozmiary.
Na przykład taki mikroorganizm jak nitrocystis oceanus, wyizolowany z Oceanu Atlantyckiego, należy do obligatoryjnych halofili. Może istnieć tylko w wodzie morskiej lub zawierających ją podłożach. Dla takich mikroorganizmów ważne jest nie tylko siedlisko, ale także takie stałe jak pH i temperatura.
Wszystkie znane bakterie nitryfikacyjne są klasyfikowane jako bezwzględne tlenowce. Potrzebują tlenu do utleniania amonu do kwasu azotawego i kwasu azotawego do kwasu azotowego.
Warunki siedliskowe
Kolejną ważną kwestią zidentyfikowaną przez naukowców jest to, że miejsce, w którym żyją bakterie nitryfikacyjne, nie powinno zawierać materii organicznej. Wysunięto teorię, że mikroorganizmy te w zasadzie nie mogą wykorzystywać związków organicznych z zewnątrz. Nazywano je nawet obowiązkowymi autotrofami.
Następnie wielokrotnie udowodniono szkodliwy wpływ glukozy, mocznika, peptonu, gliceryny i innych substancji organicznych na bakterie nitryfikacyjne, ale eksperymenty się nie kończą.
Znaczenie bakterii nitryfikacyjnych dlagleba
Do niedawna wierzono, że nitryfikatory mają korzystny wpływ na glebę, zwiększając jej żyzność poprzez rozkład amonu do azotanów. Te ostatnie są nie tylko dobrze przyswajalne przez rośliny, ale także same zwiększają rozpuszczalność niektórych minerałów.
Jednak w ostatnich latach poglądy naukowe uległy zmianie. Stwierdzono negatywny wpływ opisanych mikroorganizmów na żyzność gleby. Bakterie nitryfikacyjne tworząc azotany zakwaszają środowisko, co nie zawsze jest rzeczą pozytywną, a także prowokują nasycenie gleby jonami amonowymi w większym stopniu niż azotany. Ponadto azotany mają zdolność redukcji do N2 (podczas denitryfikacji), co z kolei prowadzi do zubożenia gleby w azot.
Jakie jest niebezpieczeństwo związane z bakteriami nitryfikacyjnymi?
Niektóre szczepy nitrobakterii w obecności substratu organicznego mogą utleniać amon, tworząc hydroksyloaminę, a następnie azotyny i azotany. Również w wyniku takich reakcji mogą wystąpić kwasy hydroksamowe. Ponadto wiele bakterii przeprowadza proces nitryfikacji różnych związków zawierających azot (oksymy, aminy, amidy, hydroksamiany i inne związki nitrowe).
Skala nitryfikacji heterotroficznej w pewnych warunkach może być nie tylko ogromna, ale także bardzo szkodliwa. Niebezpieczeństwo polega na tym, że w trakcie takich przemian dochodzi do powstawania substancji toksycznych, mutagenów i kancerogenów. Dlatego naukowcy są bliskopracują nad studiowaniem tego tematu.
Filtr biologiczny, który jest zawsze pod ręką
Bakterie nitryfikacyjne nie są abstrakcyjnym pojęciem, ale bardzo powszechną formą życia. Ponadto są często używane przez ludzi.
Na przykład te bakterie są częścią filtrów biologicznych w akwariach. Ten rodzaj czyszczenia jest tańszy i mniej pracochłonny niż czyszczenie mechaniczne, ale jednocześnie wymaga spełnienia określonych warunków w celu zapewnienia wzrostu i żywotnej aktywności bakterii nitryfikacyjnych.
Najbardziej korzystny dla nich mikroklimat to temperatura otoczenia (w tym przypadku wody) rzędu 25-26 stopni Celsjusza, stały dopływ tlenu oraz obecność roślin wodnych.
Bakterie nitryfikacyjne w rolnictwie
W celu zwiększenia plonów rolnicy używają różnych nawozów zawierających bakterie nitryfikacyjne.
Odżywianie gleby w tym przypadku jest zapewnione przez nitrobakterie i azotobakterie. Bakterie te wydobywają z gleby i wody niezbędne substancje, które w procesie utleniania wytwarzają wystarczająco dużą ilość energii. Jest to tak zwany proces chemosyntezy, w którym otrzymana energia jest wykorzystywana do tworzenia złożonych cząsteczek pochodzenia organicznego z dwutlenku węgla i wody.
Te mikroorganizmy nie potrzebują składników odżywczych ze swojego środowiska - mogą je same wytwarzać. Jeśli więc rośliny zielone, które również są autotrofami, potrzebująświatło słoneczne, to nie jest konieczne dla bakterii nitryfikacyjnych.
Zabrudzenie samoczyszczące
Gleba jest idealnym podłożem do wzrostu i rozmnażania nie tylko roślin, ale także wielu żywych organizmów. Dlatego jego normalny stan i zrównoważony skład są niezwykle ważne.
Należy pamiętać, że bakterie nitryfikacyjne zapewniają również biologiczne oczyszczanie gleby. Znajdując się w glebie, zbiornikach czy próchnicy zamieniają amoniak, który jest uwalniany przez inne mikroorganizmy i odpady organiczne w azotany (a dokładniej w sole kwasu azotowego). Cały proces składa się z dwóch kroków:
- Utlenianie amoniaku do azotynu.
- Utlenianie azotynów do azotanów.
Jednocześnie na każdym etapie występują odrębne rodzaje mikroorganizmów.
Tak zwane błędne koło
Obieg energii i utrzymanie życia na Ziemi jest możliwe dzięki przestrzeganiu pewnych praw istnienia wszystkich żywych istot. Na pierwszy rzut oka trudno zrozumieć, o co toczy się gra, ale w rzeczywistości wszystko jest dość proste.
Wyobraźmy sobie następujący obrazek z podręcznika szkolnego:
- Substancje nieorganiczne są przetwarzane przez mikroorganizmy i w ten sposób tworzą w glebie korzystne warunki do wzrostu i odżywiania roślin.
- Oni z kolei są niezbędnym źródłem energii dla większości roślinożerców.
- Następnym łańcuchem tego ogniwa życia są drapieżniki, których energia jest,odpowiednio ich roślinożerne odpowiedniki.
- Ludzie są znani jako drapieżniki wierzchołkowe, co oznacza, że możemy czerpać energię zarówno ze świata roślin, jak i zwierząt.
- I już nasze własne pozostałości życia, a także te same rośliny i zwierzęta, służą jako pożywny substrat dla mikroorganizmów.
W ten sposób uzyskuje się błędne koło, nieprzerwanie funkcjonujące i zapewniające życie całemu życiu na Ziemi. Znając te zasady, nietrudno sobie wyobrazić, jak wielopłaszczyznowa i faktycznie nieograniczona moc natury i wszystkich żywych istot.
Wniosek
W tym artykule staraliśmy się odpowiedzieć na pytanie, czym są bakterie nitryfikacyjne w biologii. Jak widać, pomimo niezbitych dowodów na żywotną aktywność, funkcjonowanie i wpływ tych mikroorganizmów, nadal istnieje wiele kontrowersyjnych kwestii, które wymagają dalszych badań eksperymentalnych.
Bakterie nitryfikacyjne są klasyfikowane jako chemotrofy. Jako źródło energii służą im różne minerały. Pomimo swoich mikroskopijnych rozmiarów, te żywe organizmy mają ogromny wpływ na otaczający je świat.
Jak wiesz, chemotrofy nie mogą wchłonąć związków organicznych znajdujących się w podłożu (glebie lub wodzie). Wręcz przeciwnie, wytwarzają materiał budowlany do stworzenia żywej i funkcjonującej komórki.
