Bakterie nitrifikující. Význam nitrifikačních bakterií

Podle druhu potravy jsou všechny známé živé organismy rozděleny na dva velké druhy: hetero- a autotrofy. Charakteristickým znakem posledně jmenovaného je jejich schopnost samostatně konstruovat nové prvky z oxidu uhličitého a dalších anorganické látky.

Tento článek bude věnován nejčastější skupině - nitrozující bakterie.

Historie objevu

V polovině 19. století ukázali němečtí vědci, že proces nitrifikace je biologický. Experimentálně ukázaly, že přidání chloroformu do odpadní vody zastavilo oxidaci amoniaku. Ale nemohli vysvětlit, proč se to děje.

To bylo dosaženo o několik let později ruským vědcem Vinogradským. Vybral dvě skupiny bakterií, které se postupně podílely na procesu nitrifikace. Jedna skupina tak zajistila oxidaci amoniaku na kyselina dusičná, a druhá skupina bakterií byla zodpovědná za její přeměnu na dusičnan. Všechny nitrifikační bakterie, které se podílejí na tomto procesu, jsou gramnegativní.

Vlastnosti oxidačního procesu

Způsob tvorby dusitanů oxidací amoniakem má několik stupňů, během nichž se vytvářejí sloučeniny obsahující dusík s různým stupněm oxidace skupiny NH.

Prvním produktem oxidace amoniaku je hydroxylamin. S největší pravděpodobností se vytváří kvůli zahrnutí molekulárního kyslíku do skupiny NH₄, i když tento proces nebyl konečně prokázán a zůstává kontroverzní.

Další hydroxylamin se převede na dusitan. Předpokládá se, že proces se provádí tvorbou NOH (giponitrit) s uvolněním oxidu dusného. V tomto případě vědci zvažují produkty oxid dusný jen vedlejší produkt syntézy, kvůli snížení dusitanů.

Kromě produktů z chemických prvků, velké množství energie se uvolňuje v denitrofikatsii. Podobně tomu, co se děje v heterotrofních aerobní, v tomto případě je syntéza ATP je spojen s procesy v oxidačně-redukčních, v důsledku kterého elektrony jsou převedeny na kyslík.

Během oxidace dusitanu hraje důležitou roli proces zpětné transportu elektronů. Zahrnutí jeho elektronů do řetězce nastává přímo v cytochromech (typu C a / nebo typu A) a to vyžaduje poměrně velký výdaj energie. V důsledku toho jsou chemoautotrofní nitrifikační bakterie plně vybaveny potřebnou rezervou energie, která se používá pro proces budování a asimilace oxidu uhličitého.

Typy nitrifikačních bakterií

V první fázi nitrifikace se účastní čtyři druhy nitrobakterií:

• nitrosomonas;
• nitrocystis;
• nitrosolus;
• nitrospira.

Mimochodem, na navrhovaném obrazu můžete vidět nitrifikační bakterie (foto pod mikroskopem).

Experimentální cesta mezi nimi je poměrně obtížná a často není možné vyjmout jednu z plodin, proto je jejich úvaha převážně složitá. Všechny tyto mikroorganizmy mají velikost až 2-2,5 mikronů a jsou převážně oválné nebo zaoblené (s výjimkou nitrospírů, které vypadají jako tyčinka). Jsou schopné binárního dělení a řízeného pohybu kvůli flagelám.

Druhá fáze nitrifikace zahrnuje:

• rod Nitrobacter;
• rod nitrosoinu;
• Nitrococcus.

Nejvíce studovaný kmen bakterií rodu Nitrubacter, pojmenovaný po jeho objeviteli, Vinogradsky. Tyto nitrifikační bakterie mají buňky ve tvaru hrušky, které se rozmnožují rozmnožováním a vytvářejí mobilní dceru (kvůli vlajce).

Struktura bakterií

Studované nitrifikované bakterie mají podobnou buněčnou strukturu s ostatními gramnegativními mikroorganismy. Některé z nich mají dobře vyvinuté vnitřní membránový systém, stoh tvořící střed buňky, zatímco v jiných případech jsou uspořádány po obvodu konstrukce nebo pro vytvoření šálek skládající se z několika vrstev. Zdá se, že tyto formace jsou spojeny s enzymy, které se podílejí na oxidaci specifických substrátů nitrifikátory.

Druh potraviny nitrifikační bakterie

Nitrobakteria patří k povinným autotrofům, protože nemohou používat exogenní organické látky. Avšak schopnost některých kmenů nitrifikujících bakterií používat určité organické sloučeniny byla přesto prokázána experimentálně.

Bylo zjištěno, že substrát obsahující autolyzáty kvasinek, serin a glutamát v nízkých koncentracích stimuluje růst nitrobakterií. K tomu dochází jak v přítomnosti dusitanu, tak při jeho nepřítomnosti živné médium, i když proces je mnohem pomalejší. Naopak v přítomnosti dusitanu je oxidace acetátu inhibována, ale začlenění jeho uhlíku do proteinu, různých aminokyselin a jiných buněčných složek je významně zvýšeno.

V důsledku několika pokusech, byla získána data, která nitrifikační bakterie mohou stále přepnout na heterotrofní výživy, ale jak produktivní a jak dlouho mohou existovat v takových podmínkách, se teprve uvidí. Zatímco údaje jsou v rozporu s vyvodit konečné závěry týkající se této problematiky.

Habitat a význam nitrifikačních bakterií

Nitrifikační bakterie patří do chemoautotrofů a jsou široce distribuovány v přírodě. Jsou nalezeny všude: v půdě, různých substrátech a také nádržích. Proces jejich životně důležitých aktivit přispívá k celkovému celkovému přínosu cyklus dusíku v přírodě a ve skutečnosti může dosáhnout obrovských rozměrů.

Například, mikroorganismus, jako jsou nitrocystis oceány, izolované od Atlantského oceánu, se odkazuje na povinné halofily. Může existovat pouze v mořské vodě nebo substrátech, které ji obsahují. U takových mikroorganismů je důležitá nejen lokalita, ale i konstanty, jako je pH a teplota.

Všechny známé nitrifikační bakterie jsou klasifikovány jako povinné aerobní látky. Pro oxidaci amoniaku na kyselinu dusitou a kyselinu dusitou na kyselinu dusičnou potřebují kyslík.

Podmínky prostředí

Dalším důležitým bodem, který vědci zjistili, bylo, že místo, kde žijí nitrifikační bakterie, by nemělo obsahovat organické látky. Byla předložena teorie, že tyto mikroorganismy nemohou v principu používat organické sloučeniny zvenčí. Byly dokonce nazývány povinnými autotrofy.

Následně byly opakovaně prokázány škodlivé účinky glukózy, močoviny, peptonu, glycerolu a dalších organických látek na nitrifikačních bakteriích, ale experimenty se nezastaví.

Význam nitrifikačních bakterií pro půdu

Až do nedávné doby se předpokládalo, že nitrifikátory příznivě ovlivňují půdu a zvyšují její plodnost štěpením amoniaku na dusičnany. Ty jsou nejen dobře absorbovány rostlinami, ale samy o sobě zvyšují rozpustnost některých minerálů.

Nicméně, vědecké názory se vyvinuly v posledních letech. Odhalení negativní účinek popsaných mikroorganismů v úrodnosti půdy. Nitrifikačních bakterií tvořit dusičnan, kyselé prostředí, které nejsou vždy pozitivní věc, stejně jako větší stupeň nasycení půdy vyvolala amonných iontů než dusičnanů. Kromě toho, dusičnany redukuje na kapacitě N₂ (v procesu denitrifikace), což vede k vyčerpání půdy dusíkem.

Jaké je nebezpečí nitrifikace bakterií?

Některé kmeny nitrobakterií v přítomnosti organického substrátu mohou oxidovat amonium, vytvářet hydroxylamin a následně dusitany a dusičnany. Také v důsledku těchto reakcí se mohou vyskytovat hydroxamové kyseliny. Navíc řada bakterií provádí proces nitrifikace různých sloučenin obsahujících dusík (oximy, aminy, amidy, hydroxamáty a další nitrozlúčeniny).

Rozsah heterotrofické nitrifikace za určitých podmínek může být nejen enormní, ale i velmi škodlivý. Nebezpečí spočívá v tom, že během takových transformací dochází k tvorbě toxických látek, mutagenů a karcinogenů. Proto vědci úzce spolupracují na studiu tohoto tématu.

Biologický filtr, který je vždy po ruce

Nitrifikační bakterie nejsou abstraktní koncepcí, ale velmi běžnou formou života. Kromě toho jsou často používány člověkem.

Například v biologických filtrech pro akvária jsou právě tyto bakterie. Tento typ čištění je levnější a ne náročný na práci než mechanické čištění, ale současně vyžaduje splnění určitých podmínek pro zajištění růstu a životnosti nitrifikačních bakterií.

Nejvýhodnější mikroklima pro ně je teplota okolí (v tomto případě voda) řádově 25-26 stupňů Celsia, konstantní dodávka kyslíku a přítomnost vodních rostlin.

Nitrifikační bakterie v zemědělství

Za účelem zvýšení výnosu používají zemědělci různá hnojiva obsahující nitrifikační bakterie.

Výživa půdy je v tomto případě zajištěna nitrobakterií a azobakteriemi. Tyto bakterie extrahují nezbytné látky z půdy a vody, které během oxidace tvoří dostatečně velké množství energie. Jedná se o takzvaný proces chemosyntézy, kdy se energie používá k vytvoření komplexních molekul organického původu z oxidu uhličitého a vody.

Pro tyto mikroorganismy nemusí být nutně dodávky živin z jejich prostředí - mohou je vyrábět samostatně. Takže pokud zelené rostliny, které jsou také autotrofy, potřebují sluneční světlo, pak to není nutné pro nitrifikační bakterie.

Samočistící půda

Půda je ideálním substrátem pro růst a reprodukci nejen rostlin, ale také mnoha živých organismů. Proto je jeho normální stav a vyvážené složení velmi důležité.

Je třeba mít na paměti, že půda biologické čištění poskytuje včetně nitrifikačních bakterií. Jsou v půdě, humus nebo nádrží, převede amoniak, které vylučují další mikroorganismy a odpadní organické materiály, nitráty (přesněji řečeno, ve formě soli kyseliny dusičné). Celý proces se skládá ze dvou fází:

1. Oxidace amoniaku na dusitan.
2. Oxidace dusitanu na dusičnan.

V tomto případě jsou jednotlivé stupně poskytovány oddělenými typy mikroorganismů.

Takzvaný začarovaný kruh

Cyklus energie a udržování života na Zemi je možný díky dodržování určitých zákonitostí v existenci všech živých bytostí. Na první pohled je obtížné pochopit, o co jde, ale ve skutečnosti je vše celkem jednoduché.

Představme si následující obrázek ze školní učebnice:

1. Anorganické látky jsou zpracovány mikroorganismy a tím vytvářejí příznivé podmínky v půdě pro růst a výživu rostlin.
2. Zase jsou nepostradatelným zdrojem energie pro většinu býložravců.
3. Dalším řetězcem této životně důležité linky jsou dravci, jejichž energie je jejich bylinožraví protějšky.
4. Lidé jsou známí, že patří k vyšším dravcům, což znamená, že můžeme získat energii jak z rostlinného světa, tak zvěře.
5. A již naše vlastní pozůstatky životně důležité činnosti, stejně jako naše vlastní rostliny a zvířata, slouží jako živný substrát pro mikroorganismy.

Objevuje se tedy začarovaný kruh, který nepřetržitě funguje a zajišťuje život celého života na Zemi. Znát tyto principy, není těžké si představit, jak mnohostranná a skutečně neomezená je síla přírody a všech živých věcí.

Závěr

V tomto článku jsme se pokusili odpovědět na otázku, co je v biologii nitrifikační bakterie. Jak vidíte, i přes nevyvratitelné důkazy o životně důležité činnosti, fungování a vlivu těchto mikroorganismů je stále mnoho kontroverzních otázek, které vyžadují další experimentální výzkum.

Nitrifikační bakterie jsou označovány jako chemotrofy. Zdrojem energie pro ně jsou různé minerály. Navzdory jejich mikroskopické velikosti tyto živé organismy mají obrovský vliv na svět kolem nich.

Jak je známo, chemotrofy nemohou absorbovat organické sloučeniny, které jsou v substrátu (půda nebo voda). Naopak vytvářejí stavební materiál pro vytvoření živé a fungující buňky.