Bacterii nitrificatoare. Importanța bacteriilor nitrificatoare

În funcție de tipul de hrană, toate organismele vii cunoscute sunt împărțite în două specii mari: hetero- și autotrofe. O caracteristică distinctivă a acesteia din urmă este capacitatea lor de a construi în mod independent elemente noi din dioxid de carbon și altele substanțe anorganice.

Acest articol va fi dedicat celui mai comun grup - bacterii nitrozante.

Istoria descoperirii

La mijlocul secolului al XIX-lea, oamenii de știință germani au demonstrat că procesul de nitrificare este biologic. Experimental, au arătat că adăugarea de cloroform în apa de canalizare a oprit oxidarea amoniacului. Dar nu au putut explica de ce se întâmplă acest lucru.

Acest lucru a fost realizat câțiva ani mai târziu de către omul de știință rus Vinogradsky. El a identificat două grupuri de bacterii, care au luat parte treptat la procesul de nitrificare. Astfel, un grup a asigurat oxidarea amoniului la acid azotic, iar al doilea grup de bacterii a fost responsabil pentru transformarea sa în azot. Toate bacteriile nitrificatoare implicate în acest proces sunt gram-negative.

Caracteristicile procesului de oxidare

Procesul de formare a nitriților prin oxidare cu amoniu are mai multe etape, în care se formează compuși care conțin azot cu diferite grade de oxidare a grupării NH.

Primul produs de oxidare a amoniului este hidroxilamină. Cel mai probabil se formează datorită includerii oxigenului molecular în grupul NH₄, deși acest proces nu a fost dovedit în cele din urmă și rămâne controversat.

Hidroxilamina este convertită în nitrit. Se presupune că procesul se realizează prin formarea de NOH (giponitrit) cu eliberarea oxidului de azot. În acest caz, oamenii de știință consideră produsele oxidul de azot doar un produs secundar al sintezei, din cauza reducerii nitritului.

Pe lângă producția de elemente chimice, în timpul procesului de denitrofilare se eliberează o cantitate mare de energie. Similar cu ceea ce se întâmplă în organismele aerobe heterotrofice, în acest caz sinteza moleculelor ATP este asociată cu procesele de oxidare-reducere, ca rezultat al transferului de electroni către oxigen.

În timpul oxidării nitritelor, un rol important îl are procesul de transport al electronilor inversați. Includerea electronilor în lanț are loc direct în citocromi (tip C și / sau tip A), ceea ce necesită o cheltuială destul de mare de energie. Ca urmare, bacteriile de nitrificare chemoautotrofică sunt complet dotate cu rezerva de energie necesară, care este folosită pentru procesele de construire și asimilare a dioxidului de carbon.

Tipuri de bacterii nitrificatoare

În prima fază de nitrificare participă patru tipuri de nitrobacterii:

• Nitrosomonas;
• nitrotsistis;
• nitrosolyubus;
• nitrosospira.

Apropo, pe imaginea propusă puteți vedea bacterii nitrificatoare (fotografie sub microscop).

Modul experimental între ele este destul de dificil și, adesea, este imposibil să se elaboreze una dintre culturi, prin urmare, considerarea lor este în mare parte complexă. Toate aceste microorganisme au o dimensiune de până la 2-2,5 microni și sunt predominant ovale sau rotunde (cu excepția nitrospirelor, care arată ca o tijă). Sunt capabili de diviziune binară și mișcare orientată datorită flagelului.

A doua etapă a nitrificării implică:

• genul Nitrobacter;
• genul de nitrosoină;
• nitrokokus.

Cea mai studiată tulpină de bacterii din genul Nitrubacter, numită după descoperitorul său, Vinogradsky. Aceste bacterii nitrificatoare au celule în formă de pere, se înmulțesc prin înmugurire, formând o celulă mobilă (datorată celulei fiice).

Structura bacteriilor

Bacteriile nitrificate studiate au o structură celulară similară cu alte microorganisme gram-negative. Unii dintre ei au bine dezvoltate sistem cu membrană internă, stiva care formează un centru al celulei, în timp ce în altele sunt dispuse pe circumferința structurii sau pentru a forma o cupă constând din mai multe straturi. Se pare că aceste formări sunt asociate cu enzimele care sunt implicate în oxidarea substraturilor specifice prin nitrificatoare.

Tipul de hrană nitrificatoare

Nitrobacteriile aparțin autotrofelor obligatorii deoarece nu pot folosi exogene materie organică. Cu toate acestea, capacitatea anumitor tulpini de bacterii de nitrificare de a utiliza anumiți compuși organici a fost totuși demonstrată experimental.

Sa constatat că un substrat care conține autolizați de drojdie, serină și glutamat în concentrații scăzute, a stimulat creșterea nitrobacteriilor. Aceasta se întâmplă atât în ​​prezența azotatului, cât și în absența acestuia mediul nutritiv, deși procesul este mult mai lent. În mod invers, în prezența nitritului, oxidarea acetatului este inhibată, dar încorporarea carbonului său în proteină, diverși aminoacizi și alte componente celulare este crescută în mod semnificativ.

Ca urmare a mai multor experimente, s-au obținut date despre faptul că bacteriile nitrificatoare pot trece în continuare la alimentația heterotrofică, dar cât de productivă și cât timp pot exista în astfel de condiții rămâne de văzut. În timp ce datele sunt destul de contradictorii, să se ajungă la o concluzie finală cu privire la acest lucru.

Habitat și importanța bacteriilor nitrificatoare

Bacteriile nitrificatoare aparțin chemoautotrofelor și sunt distribuite pe scară largă în natură. Ele se găsesc pretutindeni: în sol, diverse substraturi și, de asemenea, rezervoare. Procesul activității lor vitale aduce o contribuție importantă la ansamblu ciclu de azot în natură și în realitate poate atinge proporții enorme.

De exemplu, un microorganism cum ar fi oceanele nitrocystis, izolate din Oceanul Atlantic, se referă la halofile obligatorii. Acesta poate exista numai în apa de mare sau substraturile care îl conțin. Pentru astfel de microorganisme, nu numai habitatul este important, ci și constante cum ar fi pH-ul și temperatura.

Toate bacteriile cunoscute de nitrificare sunt clasificate ca aerobe obligatorii. Pentru a oxida amoniacul în acid azotic și acidul azotic în acidul azotic, au nevoie de oxigen.

Condiții de habitat

Un alt punct important pe care oamenii de știință au descoperit-o este că locul în care trăiesc bacteriile nitrificatoare nu trebuie să conțină substanțe organice. Sa constatat o teorie că aceste microorganisme nu pot, în principiu, să utilizeze compuși organici din exterior. S-au numit chiar autotrofe obligatorii.

Ulterior, efectele nocive ale glucozei, ureei, peptonei, glicerolului și a altor organice asupra bacteriilor de nitrificare au fost dovedite în mod repetat, dar experimentele nu se opresc.

Importanța bacteriilor de nitrificare pentru sol

Până de curând, se credea că nitrifierii afectează în mod favorabil solul, mărind fertilitatea acestuia prin împărțirea amoniului la nitrați. Acestea din urmă nu numai că sunt bine absorbite de plante, ci și ele însele măresc solubilitatea anumitor minerale.

Cu toate acestea, în ultimii ani, opiniile științifice au suferit modificări. Sa descoperit efectul negativ al microorganismelor descrise asupra fertilității solului. Bacteriile nitrificatoare, formând nitrați, acidifică mediul, care nu este întotdeauna un moment pozitiv și, de asemenea, într-o măsură mai mare provoacă saturarea solului cu ioni de amoniu decât nitrații. În plus, nitrații au capacitatea de a se recupera la N₂ (în procesul de denitrificare), care, la rândul său, duce la epuizarea solului cu azot.

Care este pericolul bacteriilor nitrificatoare?

Unele tulpini de nitrobacterii în prezența unui substrat organic pot oxida amoniacul, formând hidroxilamină și, ulterior, nitriți și nitrați. De asemenea, ca urmare a unor astfel de reacții, se pot produce acizi hidroxamici. Mai mult, un număr de bacterii efectuează procesul de nitrificare a diferiților compuși care conțin azot (oxime, amine, amide, hidroxamați și alți compuși nitro).

Scara nitrificării heterotrofice în anumite condiții poate fi nu numai enormă, ci și foarte dăunătoare. Pericolul constă în faptul că în timpul acestor transformări apare formarea de substanțe toxice, mutagene și substanțe cancerigene. Prin urmare, oamenii de știință lucrează îndeaproape la studiul acestui subiect.

Filtru biologic, care este mereu la îndemână

Nitrificarea bacteriilor nu este un concept abstract, ci o formă foarte comună de viață. Mai mult, ele sunt adesea folosite de om.

De exemplu, în filtrele biologice pentru acvarii sunt tocmai aceste bacterii. Acest tip de curățare este mai puțin costisitor și nu ca consum de forță ca și curățarea mecanică, dar în același timp necesită îndeplinirea anumitor condiții pentru a asigura creșterea și activitatea vitală a bacteriilor de nitrificare.

Microclimatul cel mai favorabil pentru ele este temperatura ambientală (în acest caz apa) de ordinul a 25-26 grade Celsius, furnizarea constantă de oxigen și prezența plantelor acvatice.

Nitrificarea bacteriilor în agricultură

Pentru a crește randamentul, fermierii folosesc diferite îngrășăminte care conțin bacterii nitrificatoare.

În acest caz, nutriția solului este asigurată de nitrobacterii și azotobacterii. Aceste bacterii extrag substanțele necesare din sol și apă, care formează o cantitate suficientă de energie în timpul oxidării. Acesta este așa-numitul proces de chemosinteză, când energia este folosită pentru a forma molecule complexe de origine organică din dioxid de carbon și apă.

Pentru aceste microorganisme, nu neapărat furnizarea de nutrienți din mediul lor - ei le pot produce pe cont propriu. Deci, dacă plantele verzi, care sunt și autotrofe, au nevoie de lumina soarelui, atunci nu este necesară pentru bacterii nitrificatoare.

Autocurățarea solului

Solul este un substrat ideal pentru creșterea și reproducerea nu numai a plantelor, ci și a multor organisme vii. Prin urmare, starea sa normală și compoziția echilibrată sunt extrem de importante.

Trebuie amintit că purificarea biologică a solului prevede inclusiv bacterii nitrificatoare. Ele sunt în sol, humus sau lacurile de acumulare, convertit amoniac, care secretă alte microorganisme și materiale organice reziduale, nitrați (mai precis, sarea acidului azotic). Întregul proces constă din două etape:

1. Oxidarea amoniacului la nitrit.
2. Oxidarea azotatului la nitrat.

În acest caz, fiecare etapă este furnizată de tipuri separate de microorganisme.

Așa-numitul cerc vicios

Ciclul energiei și menținerea vieții pe Pământ este posibil datorită respectării anumitor regularități în existența tuturor lucrurilor vii. La prima vedere este greu de înțeles ce este în discuție, dar, de fapt, totul este simplu.

Să ne imaginăm următoarea imagine din manualul școlar:

1. Substanțele anorganice sunt prelucrate de microorganisme și, prin urmare, creează condiții favorabile în sol pentru creșterea și nutriția plantelor.
2. Ele, la rândul lor, sunt o sursă indispensabilă de energie pentru majoritatea erbivorelor.
3. Următorul lanț al acestei legături vitale sunt prădătorii, a căror energie este, respectiv, omologii lor erbivori.
4. Oamenii sunt cunoscuți ca aparținând unor prădători mai înalți, ceea ce înseamnă că putem primi energie atât din lumea plantelor, cât și din partea animalului.
5. Și deja propriile noastre rămășițe de activitate vitală, precum și cele ale plantelor și animalelor, servesc ca substrat nutritiv pentru microorganisme.

Astfel, se dovedește un cerc vicios, funcționând în mod continuu și asigurând viața întregii vieți pe Pământ. Cunoscând aceste principii, nu este greu de imaginat cât de multafata si cu adevarat nelimitata este puterea naturii si a tuturor lucrurilor vii.

concluzie

În acest articol, am încercat să răspundem la întrebarea care este bacteria nitrificatoare în biologie. După cum puteți vedea, în ciuda dovezilor incontestabile ale activității vitale, funcționării și influenței acestor microorganisme, există încă multe probleme controversate care necesită o cercetare experimentală ulterioară.

Nitrificarea bacteriilor este denumită chemotrof. Sursa de energie pentru ei sunt diverse minerale. În ciuda dimensiunii lor microscopice, aceste organisme vii exercită o influență imensă asupra lumii din jurul lor.

După cum se știe, chemotrofii nu pot absorbi compuși organici care se află în substrat (sol sau apă). Ele, dimpotrivă, produc materiale de construcție pentru crearea unei celule vii și funcționale.