Бактерії нитрифицирующие. Значення нитрифицирующих бактерій

За типом харчування всі відомі живі організми діляться на два великі види: гетеро- і автотрофи. Відмінною особливістю останніх є їх здатність до самостійного побудови нових елементів з вуглекислоти та інших неорганічних речовин.

Джерела енергії, що підтримують їх життєдіяльність, обумовлюють їх поділ на фотоафтотрофи (джерело - світло) і хемоавтотрофи (джерело - мінеральні речовини). А в залежності від назви субстрату, який окислюють хемоавтортофи, вони поділяються на водневі і нитрифицирующие бактерії, а також на сіро-і железобактерии.

Дана стаття буде присвячена найбільш поширеною серед них групі - нитрофицирующие бактеріям.

Історія відкриття

Ще в середині 19 століття німецькими вченими було доведено, що процес нітрифікації є біологічним. Досвідченим шляхом вони показали, що при додаванні до каналізаційних вод хлороформу зупинялося окислення аміаку. Але пояснити, чому так відбувається, вони не змогли.

Це вдалося зробити декількома роками пізніше російському вченому Виноградському. Він виділив дві групи бактерій, які поетапно брали участь в процесі нітрифікації. Так, одна група забезпечувала окислення амонію до кислоти азотної, а вже друга група бактерій відповідала за її перетворення в азотну. Всі задіяні в цьому процесі нитрифицирующие бактерії є грамнегативними.

Особливості процесу окислення

Процес утворення нітритів шляхом окислення амонію має кілька етапів, в ході яких утворюються азотовмісні сполуки з різним ступенем окислення групи NH.

Першим продуктом окислення амонію є гидроксиламин. Скоріш за все, він утворюється через включення молекулярного кисню в групу NH₄, хоча остаточно цей процес не доведений і залишається діскутабельним.

Далі гидроксиламин перетворюється на нітрит. Імовірно, процес здійснюється через освіту NOH (гіпонітріта) з виділенням закису азоту. У цьому випадку вчені вважають продукцію закису азоту всього лише побічним продуктом синтезу, через відновлення нітриту.

Крім продукції хімічних елементів, в ході денітрофікаціі виділяється велика кількість енергії. Подібно тому, що відбувається у гетеротрофних аеробних організмів, в даному випадку синтез молекул АТФ пов`язаний з окислювально-відновними процесами, в результаті яких на кисень передаються електрони.

При окисленні нітриту велику роль відіграє процес зворотного транспорту електронів. Включення його електронів в ланцюг відбувається безпосередньо в цитохромах (С-типу і / або А-типу), а для цього потрібно досить великі витрати енергії. Як результат, хемоавтотрофні нитрифицирующие бактерії повністю забезпечені необхідним запасом енергії, яка використовується для процесів побудови і засвоєння вуглекислоти.

Види нитрифицирующих бактерій

У першій фазі нітрифікації беруть участь чотири роду нітробактерій:

Відео: Місто бактерій

• нітросомонас;
• нітроцістіс;
• нітросолюбус;
• нітрососпіра.

До речі, на запропонованому зображенні ви можете бачити нитрифицирующие бактерії (фото під мікроскопом).

Експериментальним шляхом серед них досить складно, а часто і зовсім неможливо виділити одну з культур, тому їх розгляд переважно комплексне. Всі з перерахованих мікроорганізмів мають розмір до 2-2,5 мкм і переважно овальну або округлу форму (за винятком нітроспіри, які мають вигляд палички). Вони здатні до бінарним поділом і направленого руху за рахунок джгутиків.

У другій фазі нітрифікації беруть участь:

• рід нітробактерій;
• рід нітроспіна;
• нітрококус.

Найбільш вивчений штам бактерій роду нітрбактер, що має назву на честь свого першовідкривача Виноградського. Ці бактерії нитрифицирующие мають грушоподібної форми клітин, розмножуються брунькуванням, з утворенням рухомого (за рахунок джгутики) дочірньої клітини.

будова бактерій

Досліджені нітріфіціруюшіе бактерії мають схоже клітинну будову з іншими грамнегативними мікроорганізмами. Деякі з них мають досить розвинену систему внутрішніх мембран, що утворюють стопку в центрі клітини, тоді як у інших вони розташовуються більше по периферії або утворюють структуру у вигляді чаші, що складається з декількох листків. По всій видимості, саме з цими утвореннями пов`язані ферменти, які беруть участь в процесі окислення нитрификаторов специфічних субстратів.

Тип харчування нитрифицирующих бактерій

Нітробактерій відносяться до облігатним автотрофам, оскільки не здатні використовувати екзогенні органічні речовини. Однак експериментальним шляхом все ж показана здатність деяких штамів нитрифицирующих бактерій використовувати деякі органічні сполуки.

Було виявлено, що субстрат, що містить дріжджові Автолізат, серин і глутамат в низьких концентраціях, стимулюючим чином впливав на зростання нітробактерій. Це відбувається як при наявності нітриту, так і при його відсутності в живильному середовищі, хоча процес протікає набагато повільніше. І навпаки, при наявності нітриту процес окислення ацетату пригнічується, але значно збільшується включення його вуглецю в білок, амінокислоти і інші клітинні компоненти.

В результаті множинних експериментів були отримані дані про те, що бактерії нитрифицирующие все ж можуть перемикатися на гетеротрофное харчування, але наскільки продуктивно і як довго вони можуть існувати в таких умовах, ще належить з`ясувати. Поки дані досить суперечливі, щоб робити остаточні висновки з цього приводу.

Навколишнє середовище та значення нитрифицирующих бактерій

Нитрифицирующие бактерії відносяться до хемоавтотрофов і мають широке поширення в природі. Вони зустрічаються повсюдно: в грунті, різних субстратах, а також водоймах. Процес їх життєдіяльності вносить великий вклад в загальний круговорот азоту в природі і в дійсності може досягати величезних масштабів.

Наприклад, такий мікроорганізм, як нітроцістіс океанус, виділений з Атлантичного океану, відноситься до облігатним галофили. Він може існувати тільки в морській воді або субстратах, що містять її. Для таких мікроорганізмів важлива не тільки середовище проживання, а й такі константи, як рН і температура.

Всі відомі нитрифицирующие бактерії відносять до облігатних аеробів. Для того щоб окислити амоній в азотної кислоти, а азотної кислоти в азотну, їм потрібен кисень.

умови проживання

Ще одним важливим моментом, який виявили вчені, стало те, що місце, де живуть нитрифицирующие бактерії, не повинно містити органічних речовин. Була висунута теорія, що ці мікроорганізми в принципі не можуть використовувати органічні сполуки із зовні. Їх навіть назвали облігатними автотрофами.

В подальшому неодноразово було доведено згубний вплив глюкози, сечовини, пептона, гліцерину та іншої органіки на бактерії нитрифицирующие, але експерименти не зупиняються.

Значення нитрифицирующих бактерій для грунту

До недавнього часу вважалося, що нітріфікатори сприятливо впливають на грунт, збільшуючи її родючість шляхом розщеплення амонію до нітратів. Останні не тільки добре абсорбуються рослинами, але і самі по собі підвищують розчинність деяких мінеральних речовин.

Однак, в останні роки наукові погляди змінюються. Виявлено негативний вплив описуваних мікроорганізмів на родючість грунту. Бактерії нитрифицирующие, утворюючи нітрати, підкисляють середовище, що не завжди є позитивним моментом, а також більшою мірою провокують насичення грунтом іонів амонію, ніж нітратів. Більш того, нітрати мають здатність відновлюватися до N₂ (В процесі денітріфакаціі), що в свою чергу веде до збіднення ґрунту азотом.

У чому небезпека нитрифицирующих бактерій?

Деякі штами нітробактерій в присутності органічного субстрату можуть окисляти амоній, утворюючи гидроксиламин, а в подальшому нітрити та нітрати. Також в результаті таких реакцій можуть виникати гідроксамові кислоти. Більш того, ряд бактерій здійснює процес нітрифікації різних з`єднань, до складу яких входить азот (оксими, аміни, аміди, гідроксамат і інші нітросполуки).

Масштаби гетеротрофною нітрифікації при певних умовах можуть бути не тільки величезними, але і вельми згубними. Небезпека полягає в тому, що в ході таких перетворень відбувається утворення токсичних речовин, мутагенів і канцерогенів. Тому вчені пильно працюють над вивченням даної теми.

Біологічний фільтр, який завжди під рукою

Нитрифицирующие бактерії - це не абстрактне поняття, а вельми поширена форма життя. Більш того, вони часто використовуються людиною.

Наприклад, до складу біологічних фільтрів для акваріумів входять саме ці бактерії. Даний вид очищення менш витратний і не такий трудомісткий, як механічна очистка, але в той же час вимагає дотримання певних умов, щоб забезпечити ріст і життєдіяльність нитрифицирующих бактеріям.

Найбільш сприятливим мікрокліматом для них є температура навколишнього середовища (в даному випадку води) порядку 25-26 градусів Цельсія, постійний приплив кисню і наявність водних рослин.

Нитрифицирующие бактерії в сільському господарстві

Для того щоб підвищити врожайність, аграрії використовують різні добрива, що містять нитрифицирующие бактерії.

Харчування грунту в такому випадку забезпечується нітробактерій і Азотобактер. Ці бактерії беруть із ґрунту і води необхідні речовини, які в процесі окислення утворюють досить велику кількість енергії. Це так званий процес хемосинтезу, коли отримана енергія йде на утворення складних молекул органічного походження з вуглекислого газу і води.

Для цих мікроорганізмів не обов`язково надходження поживних речовин з навколишнього їх середовища - вони можуть продукувати їх самостійно. Так, якщо зеленим рослинами, які також є автотрофами, необхідне сонячне світло, то для нитрифицирующих бактерій він не обов`язковий.

самоочищення грунту

Грунт - це ідеальний субстрат для росту і розмноження не тільки рослин, але і безлічі живих організмів. Тому вкрай важливо її нормальний стан і збалансований склад.

Слід пам`ятати, що біологічне очищення ґрунту забезпечують в тому числі і нитрифицирующие бактерії. Вони, перебуваючи в грунті, водоймах або перегної, перетворюють аміак, який виділяють інші мікроорганізми і відхідні органічні матеріали, в нітрати (якщо бути більш точними, то в солі азотної кислоти). Весь процес складається з двох етапів:

1. Окислення аміаку до нітриту.
2. Окислення нітриту до нітрату.

При цьому кожен етап забезпечується окремими видами мікроорганізмів.

Так званий замкнене коло

Кругообіг енергії та підтримання життя на Землі можливо завдяки дотриманню певних закономірностей існування всього живого. На перший погляд важко зрозуміти, про що йде мова, але насправді все досить просто.

Давайте уявімо таку картинку зі шкільного підручника:

1. Неорганічні речовини переробляються мікроорганізмами і тим самим створюють сприятливі умови в грунті для росту і живлення рослин.
2. Вони, в свою чергу, є незамінним джерелом енергії для більшості травоїдних тварин.
3. Наступною ланцюжком цього життєвого ланки є хижаки, енергією для яких є, відповідно, їх травоїдні побратими.
4. Люди, як відомо, відносяться до вищих хижакам, а це значить, що ми можемо отримувати енергію як від рослинного світу, так і від тварини.
5. А вже наші власні залишки життєдіяльності, а також тих самих рослин і тварин, служать живильним субстратом для мікроорганізмів.

Таким чином, виходить замкнуте коло, безперервно функціонуючий і забезпечує життя всього живого на Землі. Знаючи ці принципи, не складно уявити, наскільки багатогранна і насправді безмежна сила природи і всього живого.

висновок

У даній статті ми спробували дати відповідь на питання, що таке нитрифицирующие бактерії в біології. Як бачите, не дивлячись на неспростовні докази життєдіяльності, функціонування і впливу цих мікроорганізмів, існує ще безліч спірних питань, які потребують подальших експериментальних досліджень.

Нитрифицирующие бактерії відносять до хемотрофов. Джерелом енергії для них служать різні мінеральні речовини. Незважаючи на свої мікроскопічні розміри, ці живі організми впливають на навколишній світ.

Як відомо, хемотрофи не можуть засвоювати органічні сполуки, які знаходяться в субстраті (грунтовому або водному). Вони, навпаки, продукують будівельний матеріал для створення живої і функціонуючої клітини.