Pagal mitybos tipą visi žinomi gyvi organizmai skirstomi į du didelius tipus: hetero- ir autotrofus. Išskirtinis pastarųjų bruožas yra jų gebėjimas savarankiškai sukurti naujus elementus iš anglies dioksido ir kitų neorganinių medžiagų.
Energijos š altiniai, palaikantys jų gyvybinę veiklą, lemia jų padalijimą į fotoaftotrofus (š altinis yra šviesa) ir chemoautotrofus (š altinis yra mineralai). Ir priklausomai nuo chemoautotofitų oksiduoto substrato pavadinimo, jie skirstomi į vandenilio ir nitrifikuojančias bakterijas, taip pat į sieros ir geležies bakterijas.
Šis straipsnis bus skirtas labiausiai paplitusiai jų grupei – nitrifikuojančioms bakterijoms.
Atradimų istorija
Dar XIX amžiaus viduryje vokiečių mokslininkai įrodė, kad nitrifikacijos procesas yra biologinis. Empiriškai jie parodė, kad į kanalizacijos vandenį įpylus chloroformo, amoniako oksidacija sustojo. Tačiau norėdami paaiškinti, kodėl taip nutinka, jie to nepadarogalėtų.
Po kelerių metų tai padarė rusų mokslininkas Vinogradskis. Jis nustatė dvi bakterijų grupes, kurios palaipsniui dalyvavo nitrifikacijos procese. Taigi viena grupė užtikrino amonio oksidaciją į azoto rūgštį, o antroji bakterijų grupė buvo atsakinga už jo pavertimą azoto rūgštimi. Visos šiame procese dalyvaujančios nitrifikuojančios bakterijos yra gramneigiamos.
Oksidacijos proceso ypatybės
Nitritų susidarymo amonio oksidacijos būdu procesas turi keletą etapų, kurių metu susidaro azoto turintys junginiai, turintys skirtingą NH grupės oksidacijos laipsnį.
Pirmasis amonio oksidacijos produktas yra hidroksilaminas. Greičiausiai jis susidaro dėl molekulinio deguonies įtraukimo į NH4 grupę, nors šis procesas galutinai neįrodytas ir tebėra ginčytinas.
Toliau hidroksilaminas paverčiamas nitritu. Manoma, kad procesas vyksta formuojant NOH (hiponitritą), išskiriant azoto oksidą. Šiuo atveju, mokslininkai mano, kad azoto oksido gamyba yra tik šalutinis sintezės produktas dėl nitritų redukavimo.
Be cheminių elementų gamybos, denitrifikacijos metu išsiskiria daug energijos. Panašiai kaip ir heterotrofiniuose aerobiniuose organizmuose, šiuo atveju ATP molekulių sintezė yra susijusi su redokso procesais, dėl kurių elektronai pereina į deguonį.
Kai nitritas oksiduojamas, svarbų vaidmenį atlieka atvirkštinio pernešimo procesaselektronų. Jo elektronai įtraukiami į grandinę tiesiogiai citochromuose (C tipo ir (arba) A tipo), o tam reikia gana daug energijos. Dėl to chemoautotrofinės nitrifikuojančios bakterijos yra visiškai aprūpintos reikiamu energijos rezervu, kuris naudojamas anglies dioksido susidarymo ir įsisavinimo procesams.
Nitrifikuojančių bakterijų tipai
Keturios nitrobakterijų gentys dalyvauja pirmajame nitrifikacijos etape:
- nitrosomonas;
- nitrocistis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Beje, siūlomame vaizde (nuotraukoje po mikroskopu) galite pamatyti nitrifikuojančias bakterijas.
Eksperimentiškai tarp jų gana sunku, o dažnai ir visiškai neįmanoma išskirti vieną iš kultūrų, todėl jų svarstymas dažniausiai yra sudėtingas. Visi išvardyti mikroorganizmai yra iki 2-2,5 mikronų dydžio ir dažniausiai yra ovalios arba apvalios formos (išskyrus nitrospiras, kurios yra lazdelės formos). Jie gali dvejetainiu būdu dalytis ir kryptingai judėti dėl žvynelių.
Antrasis nitrifikacijos etapas dalyvauja:
- Nitrobacter gentis;
- nitrospin tipas;
- nitrokokos.
Labiausiai ištirta Nitrbacter genties bakterijų padermė, pavadinta jos atradėjo Vinogradskio vardu. Šios nitrifikuojančios bakterijos turi kriaušės formos ląsteles, kurios dauginasi pumpurų formavimosi būdu ir susidaro judri (dėl žvynelių) dukterinė ląstelė.
Bakterijų struktūra
Tirtos nitrifikuojančios bakterijos turi panašią ląstelių struktūrą kaip ir kiti gramneigiami mikroorganizmai. Kai kurie iš jų turi gana išvystytą vidinių membranų sistemą, kuri sudaro krūvą ląstelės centre, o kitose jos yra labiau periferijoje arba sudaro puodelio pavidalo struktūrą, susidedančią iš kelių lapų. Matyt, būtent su šiais dariniais yra susiję fermentai, kurie dalyvauja specifinių substratų oksidacijos procese nitrifikatoriais.
Nitrifikuojančių bakterijų maisto tipas
Nitrobakterijos yra privalomi autotrofai, nes negali naudoti egzogeninių organinių medžiagų. Tačiau kai kurių nitrifikuojančių bakterijų padermių gebėjimas naudoti kai kuriuos organinius junginius buvo įrodytas eksperimentiškai.
Nustatyta, kad substratas, kuriame yra mažos koncentracijos mielių autolizatų, serino ir glutamato, paskatino nitrobakterijų augimą. Taip atsitinka ir esant nitritui, ir kai jo nėra maistinėje terpėje, nors procesas vyksta daug lėčiau. Ir atvirkščiai, esant nitritui, acetato oksidacija slopinama, tačiau jo anglies įsiskverbimas į b altymus, įvairias aminorūgštis ir kitus ląstelių komponentus žymiai padidėja.
Atlikus daugybę eksperimentų, buvo gauti duomenys, kad nitrifikuojančios bakterijos vis dar gali pereiti prie heterotrofinės mitybos, tačiau kaip produktyviai ir kiek ilgai jos gali egzistuoti tokiomis sąlygomis, dar reikia pamatyti. Kol pakanka duomenųnenuoseklu padaryti galutines išvadas šiuo klausimu.
Nitrifikuojančių bakterijų buveinė ir svarba
Nitrifikuojančios bakterijos yra chemoautotrofai ir plačiai paplitusios gamtoje. Jų yra visur: dirvožemyje, įvairiuose substratuose, taip pat vandens telkiniuose. Jų gyvybinės veiklos procesas labai prisideda prie bendro azoto ciklo gamtoje ir iš tikrųjų gali pasiekti didžiules proporcijas.
Pavyzdžiui, toks mikroorganizmas kaip nitrocystis oceanus, izoliuotas nuo Atlanto vandenyno, priklauso privalomiems halofilams. Jis gali egzistuoti tik jūros vandenyje arba substratuose, kuriuose jis yra. Tokiems mikroorganizmams svarbi ne tik buveinė, bet ir tokios konstantos kaip pH ir temperatūra.
Visos žinomos nitrifikuojančios bakterijos yra priskiriamos prie privalomų aerobų. Jiems reikia deguonies, kad oksiduotų amonią į azoto rūgštį, o azoto rūgštį – į azoto rūgštį.
Buveinės sąlygos
Kitas svarbus dalykas, kurį nustatė mokslininkai, yra tai, kad vietoje, kur gyvena nitrifikuojančios bakterijos, neturėtų būti organinių medžiagų. Buvo iškelta teorija, kad šie mikroorganizmai iš esmės negali naudoti organinių junginių iš išorės. Jie netgi buvo vadinami privalomais autotrofais.
Vėliau ne kartą buvo įrodytas žalingas gliukozės, karbamido, peptono, glicerino ir kitų organinių medžiagų poveikis nitrifikuojančioms bakterijoms, tačiau eksperimentai nesibaigia.
Nitrifikuojančių bakterijų svarbadirvožemis
Dar neseniai buvo manoma, kad nitrifikatoriai turi teigiamą poveikį dirvožemiui, padidindami jo derlingumą, skaidydami amonį iki nitratų. Pastaruosius augalai ne tik gerai pasisavina, bet ir patys savaime padidina tam tikrų mineralų tirpumą.
Tačiau pastaraisiais metais mokslo pažiūros keičiasi. Atskleistas aprašytų mikroorganizmų neigiamas poveikis dirvožemio derlingumui. Nitrifikuojančios bakterijos, sudarydamos nitratus, rūgština aplinką, o tai ne visada yra teigiamas dalykas, taip pat labiau nei nitratai provokuoja dirvožemio prisotinimą amonio jonais. Be to, nitratų kiekis gali sumažėti iki N2 (denitrifikacijos metu), o tai savo ruožtu lemia azoto išeikvojimą dirvožemyje.
Koks yra nitrifikuojančių bakterijų pavojus?
Kai kurios nitrobakterijų padermės, esant organiniam substratui, gali oksiduoti amonį, sudarydamos hidroksilaminą, o vėliau nitritus ir nitratus. Be to, dėl tokių reakcijų gali atsirasti hidroksamo rūgščių. Be to, daugelis bakterijų vykdo įvairių azoto turinčių junginių (oksimų, aminų, amidų, hidroksamatų ir kitų nitro junginių) nitrifikacijos procesą.
Heterotrofinės nitrifikacijos mastas tam tikromis sąlygomis gali būti ne tik didžiulis, bet ir labai žalingas. Pavojus slypi tame, kad tokių virsmų metu susidaro toksiškos medžiagos, mutagenai ir kancerogenai. Todėl mokslininkai yra glaudžiai susijęnagrinėja šią temą.
Biologinis filtras, kuris visada po ranka
Nitrifikuojančios bakterijos nėra abstrakti sąvoka, o labai paplitusi gyvybės forma. Be to, juos dažnai naudoja žmonės.
Pavyzdžiui, šios bakterijos yra akvariumų biologinių filtrų dalis. Šis valymo būdas yra pigesnis ir ne toks daug pastangų reikalaujantis kaip mechaninis valymas, tačiau tuo pat metu reikia laikytis tam tikrų sąlygų, kad būtų užtikrintas nitrifikuojančių bakterijų augimas ir gyvybinė veikla.
Jiems palankiausias mikroklimatas – 25–26 laipsnių Celsijaus aplinkos (šiuo atveju vandens) temperatūra, nuolatinis deguonies tiekimas ir vandens augalų buvimas.
Nitrifikuojančios bakterijos žemės ūkyje
Siekdami padidinti derlių, ūkininkai naudoja įvairias trąšas, kuriose yra nitrifikuojančių bakterijų.
Dirvožemio maitinimą šiuo atveju užtikrina nitrobakterijos ir azotobakterijos. Šios bakterijos iš dirvožemio ir vandens išskiria reikalingas medžiagas, kurios oksidacijos procese suformuoja pakankamai didelį energijos kiekį. Tai vadinamasis chemosintezės procesas, kai gauta energija iš anglies dioksido ir vandens panaudojama sudėtingoms organinės kilmės molekulėms formuoti.
Šie mikroorganizmai nereikalauja maistinių medžiagų iš savo aplinkos – jie gali jas pasigaminti patys. Taigi, jei reikia žalių augalų, kurie taip pat yra autotrofaisaulės spindulių, tada jis nėra būtinas nitrifikuojančioms bakterijoms.
Savaime išsivalantis dirvožemis
Dirvožemis yra idealus substratas ne tik augalų, bet ir daugelio gyvų organizmų augimui ir dauginimuisi. Todėl normali jo būklė ir subalansuota sudėtis yra nepaprastai svarbūs.
Reikėtų atsiminti, kad nitrifikuojančios bakterijos taip pat užtikrina biologinį dirvožemio valymą. Jie, būdami dirvožemyje, rezervuaruose ar humuso, kitų mikroorganizmų ir organinių medžiagų atliekų išskiriamą amoniaką paverčia nitratais (tiksliau – azoto rūgšties druskomis). Visas procesas susideda iš dviejų etapų:
- Amoniako oksidacija į nitritus.
- Nitritų oksidacija į nitratus.
Tuo pačiu metu kiekvieną etapą suteikia atskiri mikroorganizmų tipai.
Vadinamasis užburtas ratas
Energijos cirkuliacija ir gyvybės palaikymas Žemėje įmanomas dėl tam tikrų visų gyvų dalykų egzistavimo dėsnių laikymosi. Iš pirmo žvilgsnio sunku suprasti, kas yra ant kortos, bet iš tikrųjų viskas gana paprasta.
Įsivaizduokime tokį paveikslėlį iš mokyklinio vadovėlio:
- Neorganines medžiagas apdoroja mikroorganizmai, todėl dirvoje susidaro palankios sąlygos augalams augti ir maitintis.
- Jie, savo ruožtu, yra nepakeičiamas energijos š altinis daugumai žolėdžių.
- Kita šios gyvybės grandies grandinė yra plėšrūnai, kurių energija yraatitinkamai jų žolėdžiai kolegos.
- Žinoma, kad žmonės yra viršūniniai plėšrūnai, o tai reiškia, kad energijos galime gauti tiek iš augalų, tiek iš gyvūnų pasaulio.
- Ir mūsų pačių gyvybės likučiai, kaip ir tie patys augalai ir gyvūnai, tarnauja kaip maistinis substratas mikroorganizmams.
Taigi susidaro užburtas ratas, nuolat veikiantis ir teikiantis gyvybę visai gyvybei Žemėje. Žinant šiuos principus, nesunku įsivaizduoti, kokia įvairiapusė ir iš tikrųjų beribė gamtos ir visų gyvų dalykų galia.
Išvada
Šiame straipsnyje mes bandėme atsakyti į klausimą, kas yra nitrifikuojančios bakterijos biologijoje. Kaip matote, nepaisant neginčijamų įrodymų apie šių mikroorganizmų gyvybinę veiklą, funkcionavimą ir įtaką, vis dar yra daug prieštaringų klausimų, kuriems reikia tolesnių eksperimentinių tyrimų.
Nitrifikuojančios bakterijos priskiriamos chemotrofams. Įvairūs mineralai jiems tarnauja kaip energijos š altinis. Nepaisant jų mikroskopinio dydžio, šie gyvi organizmai daro didžiulį poveikį juos supančiam pasauliui.
Kaip žinote, chemotrofai negali absorbuoti organinių junginių, esančių substrate (dirvožemyje ar vandenyje). Priešingai, jie gamina statybinę medžiagą gyvai ir veikiančiai ląstelei sukurti.
