Според вида на хранене всички известни живи организми се делят на два големи типа: хетеро- и автотрофи. Отличителна черта на последните е способността им самостоятелно да изграждат нови елементи от въглероден диоксид и други неорганични вещества.
Източниците на енергия, които поддържат тяхната жизнена дейност, определят разделянето им на фотоафтотрофи (източникът е светлина) и хемоавтотрофи (източникът са минерали). И в зависимост от името на субстрата, окислен от хемоавтортофити, те се разделят на водородни и нитрифициращи бактерии, както и на серни и железни бактерии.
Тази статия ще бъде посветена на най-често срещаната група сред тях - нитрифициращи бактерии.
История на откриването
Още в средата на 19-ти век немски учени доказаха, че процесът на нитрификация е биологичен. Емпирично те показват, че при добавяне на хлороформ към отпадъчните води окисляването на амоняка спира. Но за да обяснят защо това се случва, те не го правятможе.
Това е направено няколко години по-късно от руския учен Виноградски. Той идентифицира две групи бактерии, които постепенно участват в процеса на нитрификация. Така една група осигурява окисляването на амония до азотна киселина, а втората група бактерии е отговорна за превръщането му в азотна киселина. Всички нитрифициращи бактерии, участващи в този процес, са Грам-отрицателни.
Характеристики на процеса на окисление
Процесът на образуване на нитрити чрез амониево окисление има няколко етапа, по време на които се образуват азотсъдържащи съединения с различна степен на окисление на NH групата.
Първият продукт на амониевото окисление е хидроксиламин. Най-вероятно той се образува поради включването на молекулен кислород в групата NH4, въпреки че този процес не е окончателно доказан и остава спорен.
След това хидроксиламинът се превръща в нитрит. Предполага се, че процесът се осъществява чрез образуване на NOH (хипонитрит) с отделяне на азотен оксид. В този случай учените смятат, че производството на азотен оксид е просто страничен продукт от синтеза, поради намаляването на нитритите.
В допълнение към производството на химични елементи, по време на денитрификацията се отделя голямо количество енергия. Подобно на това, което се случва при хетеротрофните аеробни организми, в този случай синтезът на АТФ молекули е свързан с редокс процеси, в резултат на които електроните се прехвърлят към кислород.
Когато нитритите се окисляват, процесът на обратен транспорт играе важна роляелектрони. Включването на неговите електрони във веригата става директно в цитохромите (C-тип и/или A-тип) и това изисква доста голямо количество енергия. В резултат на това хемоавтотрофните нитрифициращи бактерии са напълно снабдени с необходимия енергиен резерв, който се използва за процесите на изграждане и усвояване на въглероден диоксид.
Видове нитрифициращи бактерии
Четири рода нитробактерии участват в първата фаза на нитрификация:
- нитрозомонас;
- нитроцистис;
- nitrosolubus;
- нитрозоспира.
Между другото, можете да видите нитрифициращи бактерии в предложеното изображение (снимка под микроскоп).
Експериментално сред тях е доста трудно, а често и напълно невъзможно да се отдели една от културите, така че тяхното разглеждане е предимно сложно. Всички изброени микроорганизми са с размери до 2-2,5 микрона и са предимно с овална или кръгла форма (с изключение на нитроспирите, които имат формата на пръчка). Те са способни на бинарно делене и насочено движение поради флагела.
Участва втората фаза на нитрификация:
- род Nitrobacter;
- нитроспин тип;
- нитрококус.
Най-изследваният щам бактерии от рода Nitrbacter, кръстен на своя откривател Виноградски. Тези нитрифициращи бактерии имат крушовидни клетки, размножават се чрез пъпкуване, с образуването на подвижна (поради флагела) дъщерна клетка.
Структура на бактериите
Изследваните нитрифициращи бактерии имат подобна клетъчна структура с други грам-отрицателни микроорганизми. Някои от тях имат доста развита система от вътрешни мембрани, които образуват купчина в центъра на клетката, докато при други са разположени по-скоро по периферията или образуват структура под формата на чаша, състояща се от няколко листа. Очевидно именно с тези образувания са свързани ензими, които участват в процеса на окисляване на специфични субстрати от нитрификатори.
Нитрифициращи бактерии тип храна
Нитробактериите са задължителни автотрофи, тъй като не могат да използват екзогенни органични вещества. Въпреки това, способността на някои щамове нитрифициращи бактерии да използват някои органични съединения е експериментално доказана.
Установено е, че субстратът, съдържащ дрождевите автолизати, серин и глутамат в ниски концентрации, стимулира растежа на нитробактерии. Това се случва както при наличие на нитрит, така и при липсата му в хранителната среда, въпреки че процесът е много по-бавен. Обратно, в присъствието на нитрит, окисляването на ацетата се потиска, но включването на неговия въглерод в протеини, различни аминокиселини и други клетъчни компоненти се увеличава значително.
В резултат на множество експерименти бяха получени данни, че нитрифициращите бактерии все още могат да преминат към хетеротрофно хранене, но доколко продуктивно и колко дълго могат да съществуват в такива условия, остава да се види. Стига данните да са достатъчнинепоследователно да се направят окончателни заключения по този въпрос.
Местообитание и значение на нитрифициращите бактерии
Нитрифициращите бактерии са хемоавтотрофи и са широко разпространени в природата. Те се намират навсякъде: в почвата, различни субстрати, както и водни тела. Процесът на тяхната жизнена дейност има голям принос за цялостния азотен цикъл в природата и всъщност може да достигне огромни размери.
Например, такъв микроорганизъм като nitrocystis oceanus, изолиран от Атлантическия океан, принадлежи към облигатните халофили. Може да съществува само в морска вода или субстрати, които го съдържат. За такива микроорганизми е важно не само местообитанието, но и такива константи като pH и температура.
Всички известни нитрифициращи бактерии са класифицирани като задължителни аероби. Те се нуждаят от кислород, за да окислят амония до азотна киселина и азотна киселина до азотна киселина.
Условия на местообитание
Друг важен момент, който учените идентифицират, е, че мястото, където живеят нитрифициращи бактерии, не трябва да съдържа органична материя. Изложена е теорията, че тези микроорганизми по принцип не могат да използват органични съединения отвън. Те дори са наричани задължителни автотрофи.
Впоследствие вредният ефект на глюкоза, урея, пептон, глицерин и други органични вещества върху нитрифициращите бактерии беше многократно доказан, но експериментите не спират.
Значението на нитрифициращите бактерии започва
Доскоро се смяташе, че нитрификаторите имат благоприятен ефект върху почвата, повишавайки нейното плодородие, като разграждат амония до нитрати. Последните не само се усвояват добре от растенията, но и сами по себе си повишават разтворимостта на определени минерали.
В последните години обаче научните възгледи се променят. Установено е отрицателното въздействие на описаните микроорганизми върху почвеното плодородие. Нитрифициращите бактерии, образувайки нитрати, подкиселяват околната среда, което не винаги е положително, а също така провокират насищането на почвата с амониеви йони в по-голяма степен от нитратите. Освен това, нитратите имат способността да се редуцират до N2 (по време на денитрификация), което от своя страна води до изчерпване на азота в почвата.
Каква е опасността от нитрифициращи бактерии?
Някои щамове нитробактерии в присъствието на органичен субстрат могат да окислят амония, образувайки хидроксиламин и впоследствие нитрити и нитрати. Също така, в резултат на такива реакции могат да се появят хидроксамови киселини. Освен това редица бактерии извършват процеса на нитрификация на различни съединения, които съдържат азот (оксими, амини, амиди, хидроксамати и други нитросъединения).
Мащабът на хетеротрофната нитрификация при определени условия може да бъде не само огромен, но и много пагубен. Опасността се крие във факта, че в хода на такива трансформации се образуват токсични вещества, мутагени и канцерогени. Следователно учените са близоработят по изучаването на тази тема.
Биологичен филтър, който винаги е под ръка
Нитрифициращите бактерии не е абстрактно понятие, а много често срещана форма на живот. Освен това те често се използват от хората.
Например, тези бактерии са част от биологичните филтри за аквариуми. Този вид почистване е по-евтино и не толкова трудоемко като механичното, но в същото време изисква спазване на определени условия, за да се осигури растежа и жизнената активност на нитрифициращите бактерии.
Най-благоприятният микроклимат за тях е температурата на околната среда (в случая водата) от порядъка на 25-26 градуса по Целзий, постоянно снабдяване с кислород и наличието на водни растения.
Нитрифициращи бактерии в селското стопанство
За да увеличат добивите, фермерите използват различни торове, съдържащи нитрифициращи бактерии.
Храненето на почвата в този случай се осигурява от нитробактерии и азотобактерии. Тези бактерии извличат необходимите вещества от почвата и водата, които образуват достатъчно голямо количество енергия по време на процеса на окисление. Това е така нареченият процес на хемосинтеза, когато получената енергия се използва за образуване на сложни молекули с органичен произход от въглероден диоксид и вода.
Тези микроорганизми не се нуждаят от хранителни вещества от околната среда - те могат да ги произвеждат сами. Така че, ако зелените растения, които също са автотрофи, имат нуждаслънчева светлина, тогава не е необходимо за нитрифициращи бактерии.
Самопочистваща се почва
Почвата е идеален субстрат за растеж и размножаване не само на растения, но и на много живи организми. Следователно, неговото нормално състояние и балансиран състав са изключително важни.
Трябва да се помни, че нитрифициращите бактерии също осигуряват биологично почистване на почвата. Те, намирайки се в почвата, резервоарите или хумуса, превръщат амоняка, който се отделя от други микроорганизми и отпадъчни органични материали, в нитрати (по-точно в соли на азотната киселина). Целият процес се състои от две стъпки:
- Окисление на амоняк до нитрити.
- Окисление на нитрити до нитрати.
В същото време всеки етап се осигурява от отделни видове микроорганизми.
Така нареченият порочен кръг
Кръгообръщението на енергия и поддържането на живота на Земята е възможно благодарение на спазването на определени закони на съществуването на всички живи същества. На пръв поглед е трудно да се разбере какво е заложено, но всъщност всичко е доста просто.
Нека си представим следната картинка от училищен учебник:
- Неорганичните вещества се преработват от микроорганизми и по този начин създават благоприятни условия в почвата за растеж и хранене на растенията.
- Те от своя страна са незаменим източник на енергия за повечето тревопасни животни.
- Следващата верига от тази житейска връзка са хищниците, енергията за които е,съответно техните тревопасни събратя.
- Известно е, че хората са върхови хищници, което означава, че можем да черпим енергия както от растителния свят, така и от света на животните.
- И вече останките от нашия собствен живот, както и самите тези растения и животни, служат като хранителен субстрат за микроорганизмите.
Така се получава порочен кръг, който непрекъснато функционира и осигурява живот за целия живот на Земята. Познавайки тези принципи, не е трудно да си представим колко многостранна и всъщност безгранична е силата на природата и всички живи същества.
Заключение
В тази статия се опитахме да отговорим на въпроса какво представляват нитрифициращите бактерии в биологията. Както можете да видите, въпреки неопровержимите доказателства за жизнената активност, функционирането и влиянието на тези микроорганизми, все още има много спорни въпроси, които изискват допълнителни експериментални изследвания.
Нитрифициращите бактерии се класифицират като хемотрофи. Като източник на енергия за тях служат различни минерали. Въпреки микроскопичния си размер, тези живи организми оказват огромно влияние върху света около тях.
Както знаете, хемотрофите не могат да абсорбират органични съединения, които са в субстрата (почва или вода). Напротив, те произвеждат строителния материал за създаване на жива и функционираща клетка.
