În funcție de tipul de nutriție, toate organismele vii cunoscute sunt împărțite în două mari tipuri: hetero- și autotrofe. O caracteristică distinctivă a acestora din urmă este capacitatea lor de a construi independent noi elemente din dioxid de carbon și alte substanțe anorganice.
Sursele de energie care le susțin activitatea vitală determină împărțirea lor în fotoaftotrofe (sursa este lumina) și chimioautotrofe (sursa sunt minerale). Și în funcție de numele substratului oxidat de chemoautortofite, acestea se împart în bacterii hidrogen și nitrificante, precum și bacterii cu sulf și fier.
Acest articol va fi dedicat celui mai comun grup dintre ele - bacteriile nitrificatoare.
Istoricul descoperirilor
Chiar la mijlocul secolului al XIX-lea, oamenii de știință germani au demonstrat că procesul de nitrificare este biologic. Din punct de vedere empiric, ei au arătat că atunci când cloroformul a fost adăugat în apa de canalizare, oxidarea amoniacului a încetat. Dar pentru a explica de ce se întâmplă acest lucru, ei nu o facar putea.
Acest lucru a fost făcut câțiva ani mai târziu de 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 în acid azotic, iar al doilea grup de bacterii a fost responsabil pentru conversia acestuia în acid azotic. Toate bacteriile nitrificatoare implicate în acest proces sunt Gram-negative.
Caracteristici ale procesului de oxidare
Procesul de formare a nitriților prin oxidarea amoniului are mai multe etape, în timpul cărora se formează compuși cu conținut de azot cu diferite grade de oxidare a grupei NH.
Primul produs al oxidării amoniului este hidroxilamina. Cel mai probabil, se formează din cauza includerii oxigenului molecular în grupul NH4, deși acest proces nu a fost în final dovedit și rămâne discutabil.
În continuare, hidroxilamina este transformată în nitrit. Probabil că procesul se realizează prin formarea de NOH (hiponitrit) cu eliberarea de protoxid de azot. În acest caz, oamenii de știință consideră că producția de protoxid de azot este doar un produs secundar al sintezei, datorită reducerii nitriților.
Pe lângă producerea de elemente chimice, în timpul denitrificării este eliberată o cantitate mare de energie. Similar cu ceea ce se întâmplă în organismele aerobe heterotrofe, în acest caz sinteza moleculelor de ATP este asociată cu procese redox, în urma cărora electronii sunt transferați în oxigen.
Când nitritul este oxidat, procesul de transport invers joacă un rol importantelectroni. Includerea electronilor săi în lanț are loc direct în citocromi (de tip C și/sau de tip A), iar acest lucru necesită o cantitate destul de mare de energie. Drept urmare, bacteriile chimioautotrofe nitrificatoare sunt pe deplin asigurate cu rezerva de energie necesară, care este utilizată pentru procesele de construire și asimilare a dioxidului de carbon.
Tipuri de bacterii nitrificante
Patru genuri de nitrobacterii participă la prima fază de nitrificare:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Apropo, puteți vedea bacterii nitrificatoare în imaginea sugerată (fotografie la microscop).
Experimental, printre ele este destul de dificil și adesea complet imposibil să evidențiem una dintre culturi, așa că luarea în considerare a acestora este predominant complexă. Toate microorganismele enumerate au o dimensiune de până la 2-2,5 microni și au formă predominant ovală sau rotundă (cu excepția nitrospirei, care au forma unui baston). Sunt capabili de fisiune binară și de mișcare direcționată datorită flagelilor.
Participă a doua fază de nitrificare:
- genul Nitrobacter;
- nitrospin tip;
- nitrococus.
Cea mai studiată tulpină de bacterii din genul Nitrbacter, numită după descoperitorul său Vinogradsky. Aceste bacterii nitrificatoare au celule în formă de pară, se înmulțesc prin înmugurire, cu formarea unei celule fiice mobile (datorită flagelului).
Structura bacteriilor
Bacteriile nitrificatoare studiate au o structură celulară similară cu alte microorganisme gram-negative. Unele dintre ele au un sistem destul de dezvoltat de membrane interne care formează o stivă în centrul celulei, în timp ce în altele sunt situate mai mult la periferie sau formează o structură sub formă de cupă, formată din mai multe frunze. Aparent, cu aceste formațiuni sunt asociate enzimele care sunt implicate în procesul de oxidare a substraturilor specifice de către nitrificatori.
Tipul alimentar cu bacterii nitrificante
Nitrobacteriile sunt autotrofe obligatorii, deoarece nu sunt capabile să utilizeze substanțe organice exogene. Cu toate acestea, capacitatea unor tulpini de bacterii nitrificatoare de a utiliza unii compuși organici a fost demonstrată experimental.
S-a constatat că substratul care conține autolizate de drojdie, serină și glutamat în concentrații mici, a stimulat creșterea nitrobacteriilor. Acest lucru se întâmplă atât în prezența nitriților, cât și în absența acestuia în mediul nutritiv, deși procesul este mult mai lent. În schimb, în prezența nitriților, oxidarea acetatului este suprimată, dar încorporarea carbonului acestuia în proteine, diverși aminoacizi și alte componente celulare crește semnificativ.
Ca urmare a mai multor experimente, s-au obținut date că bacteriile nitrificatoare pot trece în continuare la nutriția heterotrofă, dar cât de productiv și cât de mult timp pot exista în astfel de condiții rămâne de văzut. Atâta timp cât datele sunt suficienteinconsecventă pentru a trage concluzii finale cu privire la această chestiune.
Habitat și importanța bacteriilor nitrificatoare
Bacteriile nitrificante sunt chimioautotrofe și sunt larg răspândite în natură. Se găsesc peste tot: în sol, diferite substraturi, precum și în corpurile de apă. Procesul activității lor vitale aduce o mare contribuție la ciclul general al azotului din natură și, de fapt, poate atinge proporții uriașe.
De exemplu, un astfel de microorganism precum nitrocystis oceanus, izolat de Oceanul Atlantic, aparține halofililor obligatorii. Poate exista doar în apa de mare sau în substraturile care o conțin. Pentru astfel de microorganisme, nu numai habitatul este important, ci și constante precum pH-ul și temperatura.
Toate bacteriile nitrificatoare cunoscute sunt clasificate drept aerobe obligatorii. Au nevoie de oxigen pentru a oxida amoniul în acid azotat și acidul azotat în acid azotic.
Condiții de habitat
Un alt punct important pe care oamenii de știință l-au identificat este că locul în care trăiesc bacteriile nitrificatoare nu trebuie să conțină materie organică. A fost prezentată teoria că aceste microorganisme, în principiu, nu pot folosi compuși organici din exterior. Au fost numiți chiar autotrofi obligatorii.
Ulterior, efectul dăunător al glucozei, ureei, peptonei, glicerinei și altor substanțe organice asupra bacteriilor nitrificante a fost dovedit în mod repetat, dar experimentele nu se opresc.
Importanța bacteriilor nitrificatoare pentrusol
Până de curând, se credea că nitrificatorii au un efect benefic asupra solului, crescând fertilitatea acestuia prin descompunerea amoniului în nitrați. Acestea din urmă sunt nu numai bine absorbite de plante, dar și prin ele însele cresc solubilitatea anumitor minerale.
Cu toate acestea, în ultimii ani, opiniile științifice s-au schimbat. A fost dezvăluit efectul negativ al microorganismelor descrise asupra fertilității solului. Bacteriile nitrificatoare, formând nitrați, acidifică mediul, ceea ce nu este întotdeauna un lucru pozitiv și provoacă, de asemenea, saturarea solului cu ioni de amoniu într-o măsură mai mare decât nitrații. În plus, nitrații au capacitatea de a fi reduși la N2 (în timpul denitrificării), ceea ce, la rândul său, duce la epuizarea solului în azot.
Care este pericolul bacteriilor nitrificatoare?
Unele tulpini de nitrobacterii în prezența unui substrat organic pot oxida amoniul, formând hidroxilamină și, ulterior, nitriți și nitrați. De asemenea, în urma unor astfel de reacții, pot apărea acizi hidroxamici. Mai mult, o serie de bacterii desfășoară procesul de nitrificare a diverșilor compuși care conțin azot (oxime, amine, amide, hidroxamați și alți compuși nitro).
Scala nitrificării heterotrofice în anumite condiții poate fi nu numai uriașă, ci și foarte dăunătoare. Pericolul constă în faptul că, în cursul unor astfel de transformări, are loc formarea de substanțe toxice, mutageni și cancerigeni. Prin urmare, oamenii de știință sunt îndeaproapelucrează la studierea acestui subiect.
Filtru biologic care este întotdeauna la îndemână
Bacterii nitrificatoare nu este un concept abstract, ci o formă de viață foarte comună. În plus, sunt adesea folosite de oameni.
De exemplu, aceste bacterii fac parte din filtrele biologice pentru acvarii. Acest tip de curățare este mai puțin costisitor și nu la fel de laborios ca curățarea mecanică, dar în același timp necesită respectarea anumitor condiții pentru a asigura creșterea și activitatea vitală a bacteriilor nitrificante.
Cel mai favorabil microclimat pentru ei este temperatura mediului ambiant (în acest caz apa) de ordinul a 25-26 de grade Celsius, un aport constant de oxigen și prezența plantelor acvatice.
Bacterii nitrificatoare în agricultură
Pentru a crește recoltele, fermierii folosesc diverse îngrășăminte care conțin bacterii nitrificante.
Nutriția solului în acest caz este asigurată de nitrobacterii și azotobacterii. Aceste bacterii extrag substanțele necesare din sol și apă, care formează o cantitate suficient de mare de energie în timpul procesului de oxidare. Acesta este așa-numitul proces de chemosinteză, când energia primită este folosită pentru a forma molecule complexe de origine organică din dioxid de carbon și apă.
Aceste microorganisme nu au nevoie de nutrienți din mediul lor - le pot produce singure. Deci, dacă plantele verzi, care sunt și autotrofe, au nevoielumina soarelui, atunci nu este necesar pentru bacteriile nitrificatoare.
Plură cu autocurățare
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 bacteriile nitrificante asigură și curățarea biologică a solului. Aceștia, aflându-se în sol, rezervoare sau humus, transformă amoniacul, care este eliberat de alte microorganisme și deșeurile de materiale organice, în nitrați (mai precis, în săruri ale acidului azotic). Întregul proces constă din doi pași:
- Oxidarea amoniacului la nitriți.
- Oxidarea nitriților la nitrat.
În același timp, fiecare etapă este asigurată de tipuri separate de microorganisme.
Așa-numitul cerc vicios
Circulația energiei și menținerea vieții pe Pământ este posibilă datorită respectării anumitor legi ale existenței tuturor viețuitoarelor. La prima vedere, este greu de înțeles ce este în joc, dar de fapt totul este destul de simplu.
Să ne imaginăm următoarea imagine dintr-un manual școlar:
- Substanțele anorganice sunt prelucrate de microorganisme și creează astfel condiții favorabile în sol pentru creșterea și nutriția plantelor.
- Ei, la rândul lor, sunt o sursă indispensabilă de energie pentru majoritatea ierbivorelor.
- Următorul lanț al acestei verigi de viață sunt prădătorii, a căror energie este,respectiv, omologii lor erbivori.
- Oamenii sunt cunoscuți a fi prădători de vârf, ceea ce înseamnă că putem obține energie atât din lumea plantelor, cât și din lumea animalelor.
- Și rămășițele noastre de viață, precum și acele plante și animale, servesc drept substrat nutritiv pentru microorganisme.
Astfel, se obține un cerc vicios, care funcționează continuu și oferă viață întregii vieți de pe Pământ. Cunoscând aceste principii, nu este greu să ne imaginăm cât de multifațetă și de fapt nelimitată este puterea naturii și a tuturor ființelor vii.
Concluzie
În acest articol, am încercat să răspundem la întrebarea ce sunt bacteriile 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 cercetări experimentale suplimentare.
Bacteriile nitrificatoare sunt clasificate ca chimiotrofe. Diferite minerale servesc ca sursă de energie pentru ei. În ciuda dimensiunii lor microscopice, aceste organisme vii au un impact uriaș asupra lumii din jurul lor.
După cum știți, chimiotrofele nu pot absorbi compușii organici care se află în substrat (sol sau apă). Dimpotrivă, ele produc materialul de construcție pentru crearea unei celule vii și funcționale.
