Vsi znani živi organizmi so glede na vrsto prehrane razdeljeni na dva velika tipa: hetero- in avtotrofe. Posebnost slednjih je njihova sposobnost samostojne gradnje novih elementov iz ogljikovega dioksida in drugih anorganskih snovi.
Viri energije, ki podpirajo njihovo vitalno aktivnost, določajo njihovo delitev na fotoaftotrofe (vir je svetloba) in kemoavtotrofe (vir so minerali). Glede na ime substrata, ki ga oksidirajo kemoavtortofiti, jih delimo na vodikove in nitrifikacijske bakterije ter na žveplove in železove bakterije.
Ta članek bo posvečen najpogostejši skupini med njimi - nitrificirajočim bakterijam.
zgodovina odkritij
Še sredi 19. stoletja so nemški znanstveniki dokazali, da je proces nitrifikacije biološki. Empirično so pokazali, da se je ob dodajanju kloroforma v odplačno vodo oksidacija amoniaka ustavila. Ampak, da bi pojasnili, zakaj se to zgodi, nelahko.
To je nekaj let pozneje storil ruski znanstvenik Vinogradsky. Identificiral je dve skupini bakterij, ki sta postopoma sodelovali v procesu nitrifikacije. Tako je ena skupina zagotavljala oksidacijo amonija v dušikovo kislino, druga skupina bakterij pa je bila odgovorna za njeno pretvorbo v dušikovo kislino. Vse nitrificirajoče bakterije, vključene v ta proces, so po Gramu negativne.
Značilnosti procesa oksidacije
Proces nastajanja nitritov z amonijevo oksidacijo ima več stopenj, med katerimi nastajajo dušikove spojine z različnimi stopnjami oksidacije skupine NH.
Prvi produkt amonijeve oksidacije je hidroksilamin. Najverjetneje nastane zaradi vključitve molekularnega kisika v skupino NH4, čeprav ta proces še ni bil dokončno dokazan in ostaja sporen.
Naprej se hidroksilamin pretvori v nitrit. Predvidoma se proces izvaja s tvorbo NOH (hiponitrit) s sproščanjem dušikovega oksida. V tem primeru znanstveniki menijo, da je proizvodnja dušikovega oksida le stranski produkt sinteze zaradi zmanjšanja nitrita.
Poleg proizvodnje kemičnih elementov se pri denitrifikaciji sprosti velika količina energije. Podobno kot se dogaja pri heterotrofnih aerobnih organizmih je tudi v tem primeru sinteza molekul ATP povezana z redoks procesi, zaradi katerih se elektroni prenesejo na kisik.
Ko se nitrit oksidira, ima proces povratnega transporta pomembno vlogoelektronov. Vključitev njegovih elektronov v verigo se pojavi neposredno v citokromih (tip C in / ali A), kar zahteva precej veliko energije. Posledično so kemoavtotrofne nitrifikacijske bakterije v celoti opremljene s potrebno energijsko rezervo, ki se uporablja za procese gradnje in asimilacije ogljikovega dioksida.
Vrste nitrificirajočih bakterij
V prvi fazi nitrifikacije sodelujejo štirje rodovi nitrobakterij:
- nitrosomonas;
- nitrocistis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Mimogrede, na predlagani sliki (fotografija pod mikroskopom) lahko vidite nitrificirajoče bakterije.
Poskusno je med njimi precej težko, pogosto pa tudi povsem nemogoče izpostaviti eno od kultur, zato je njihovo obravnavanje pretežno kompleksno. Vsi našteti mikroorganizmi so veliki do 2-2,5 mikrona in so pretežno ovalne ali okrogle oblike (z izjemo nitrospir, ki imajo obliko palčke). So sposobni binarne cepitve in usmerjenega gibanja zaradi bičkov.
Udeležuje se druga faza nitrifikacije:
- rod Nitrobacter;
- vrsta nitrospina;
- nitrococus.
Najbolj raziskani sev bakterij iz rodu Nitrbacter, poimenovan po svojem odkritelju Vinogradskem. Te nitrificirajoče bakterije imajo celice v obliki hruške, ki se razmnožujejo z brstenjem, s tvorbo mobilne (zaradi bička) hčerinske celice.
Struktura bakterij
Raziskovane nitrificirajoče bakterije imajo podobno celično strukturo kot drugi gram-negativni mikroorganizmi. Nekateri od njih imajo dokaj razvit sistem notranjih membran, ki tvorijo sklad v središču celice, drugi pa se nahajajo bolj na obrobju ali tvorijo strukturo v obliki skodelice, sestavljeno iz več listov. Očitno so s temi tvorbami povezani encimi, ki sodelujejo v procesu oksidacije specifičnih substratov z nitrifikatorji.
vrsta hrane z nitrifikacijskimi bakterijami
Nitrobakterije so obvezni avtotrofi, saj ne morejo uporabljati eksogenih organskih snovi. Vendar pa je bila eksperimentalno dokazana sposobnost nekaterih sevov nitrificirajočih bakterij, da uporabljajo nekatere organske spojine.
Ugotovljeno je bilo, da substrat, ki vsebuje kvasovke avtolizate, serin in glutamat v nizkih koncentracijah, spodbuja rast nitrobakterij. To se zgodi tako v prisotnosti nitrita kot v njegovi odsotnosti v hranilnem mediju, čeprav je proces veliko počasnejši. Nasprotno, v prisotnosti nitrita se oksidacija acetata zavira, vendar se vgradnja njegovega ogljika v beljakovine, različne aminokisline in druge celične komponente znatno poveča.
Kot rezultat več poskusov so bili pridobljeni podatki, da lahko nitrificirajoče bakterije še vedno preidejo na heterotrofno prehrano, a kako produktivno in kako dolgo lahko obstajajo v takih razmerah, bomo še videli. Dokler bodo podatki zadostninedosleden za končne zaključke o tej zadevi.
Habitat in pomen nitrificirajočih bakterij
Nitrifikacijske bakterije so kemoavtotrofi in so v naravi zelo razširjene. Najdemo jih povsod: v tleh, različnih substratih, pa tudi v vodnih telesih. Proces njihove vitalne aktivnosti veliko prispeva k celotnemu kroženju dušika v naravi in lahko dejansko doseže ogromne razsežnosti.
Na primer, takšen mikroorganizem, kot je nitrocystis oceanus, izoliran iz Atlantskega oceana, spada med obvezne halofile. Lahko obstaja samo v morski vodi ali substratih, ki ga vsebujejo. Za takšne mikroorganizme ni pomemben samo habitat, temveč tudi konstante, kot sta pH in temperatura.
Vse znane nitrifikacijske bakterije so razvrščene kot obvezni aerobi. Potrebujejo kisik za oksidacijo amonija v dušikovo kislino in dušikove kisline v dušikovo kislino.
Habitatne razmere
Druga pomembna točka, ki so jo ugotovili znanstveniki, je, da prostor, kjer živijo nitrificirajoče bakterije, ne sme vsebovati organskih snovi. Predstavljena je bila teorija, da ti mikroorganizmi načeloma ne morejo uporabljati organskih spojin od zunaj. Imenovali so jih celo obvezni avtotrofi.
Pozneje je bil večkrat dokazan škodljiv učinek glukoze, sečnine, peptona, glicerina in drugih organskih snovi na nitrificirajoče bakterije, vendar se poskusi ne ustavijo.
Pomen nitrificirajočih bakterij zatla
Do nedavnega je veljalo, da nitrifikatorji blagodejno vplivajo na zemljo, saj povečujejo njeno rodovitnost z razgradnjo amonija v nitrate. Slednji se ne le dobro absorbirajo v rastlinah, ampak tudi sami po sebi povečajo topnost nekaterih mineralov.
Vendar se v zadnjih letih spreminjajo znanstveni pogledi. Ugotovljen je bil negativen vpliv opisanih mikroorganizmov na rodovitnost tal. Nitrifikacijske bakterije, ki tvorijo nitrate, zakisajo okolje, kar ni vedno pozitivno, poleg tega pa izzovejo nasičenost tal z amonijevimi ioni v večji meri kot nitrati. Poleg tega se nitrati lahko zmanjšajo na N2 (med denitrifikacijo), kar posledično vodi do izčrpavanja dušika v tleh.
Kakšna je nevarnost nitrificirajočih bakterij?
Nekateri sevi nitrobakterij v prisotnosti organskega substrata lahko oksidirajo amonij in tvorijo hidroksilamin, nato pa nitrite in nitrate. Prav tako lahko zaradi takšnih reakcij nastanejo hidroksamske kisline. Poleg tega številne bakterije izvajajo proces nitrifikacije različnih spojin, ki vsebujejo dušik (oksimi, amini, amidi, hidroksamati in druge nitro spojine).
Obseg heterotrofne nitrifikacije pod določenimi pogoji je lahko ne le velik, ampak tudi zelo škodljiv. Nevarnost je v tem, da pri takih transformacijah pride do tvorbe strupenih snovi, mutagenov in rakotvornih snovi. Zato so znanstveniki blizudelajo na preučevanju te teme.
Biološki filter, ki je vedno pri roki
Nitrifikacijske bakterije niso abstrakten koncept, ampak zelo pogosta oblika življenja. Poleg tega jih ljudje pogosto uporabljajo.
Te bakterije so na primer del bioloških filtrov za akvarije. Tovrstno čiščenje je cenejše in ni tako naporno kot mehansko čiščenje, hkrati pa zahteva izpolnjevanje določenih pogojev, da se zagotovi rast in vitalna aktivnost nitrificirajočih bakterij.
Najugodnejša mikroklima zanje je temperatura okolice (v tem primeru vode) reda 25-26 stopinj Celzija, stalna oskrba s kisikom in prisotnost vodnih rastlin.
Nitrifikacijske bakterije v kmetijstvu
Za povečanje pridelka kmetje uporabljajo različna gnojila, ki vsebujejo nitrifikacijske bakterije.
Prehranjevanje tal v tem primeru zagotavljajo nitrobakterije in azotobakterije. Te bakterije iz zemlje in vode izvlečejo potrebne snovi, ki med oksidacijskim procesom tvorijo dovolj veliko količino energije. To je tako imenovani proces kemosinteze, ko se prejeta energija uporabi za tvorbo kompleksnih molekul organskega izvora iz ogljikovega dioksida in vode.
Ti mikroorganizmi ne potrebujejo hranil iz svojega okolja - proizvajajo jih lahko sami. Torej, če potrebujejo zelene rastline, ki so tudi avtotrofisončna svetloba, potem ni potrebna za nitrifikacijske bakterije.
Samočistilna tla
Zemlja je idealen substrat za rast in razmnoževanje ne le rastlin, ampak tudi mnogih živih organizmov. Zato sta izredno pomembna njegovo normalno stanje in uravnotežena sestava.
Ne smemo pozabiti, da nitrificirajoče bakterije zagotavljajo tudi biološko čiščenje tal. Ti, ki so v tleh, rezervoarjih ali humusu, pretvorijo amoniak, ki ga sproščajo drugi mikroorganizmi in odpadni organski materiali, v nitrate (natančneje v soli dušikove kisline). Celoten postopek je sestavljen iz dveh korakov:
- Oksidacija amoniaka v nitrit.
- Oksidacija nitrita v nitrat.
Hkrati vsako stopnjo zagotavljajo ločene vrste mikroorganizmov.
Tako imenovani začaran krog
Krženje energije in vzdrževanje življenja na Zemlji je možno zaradi spoštovanja določenih zakonov obstoja vseh živih bitij. Na prvi pogled je težko razumeti, kaj je na kocki, v resnici pa je vse precej preprosto.
Predstavljajmo si naslednjo sliko iz šolskega učbenika:
- Anorganske snovi predelujejo mikroorganizmi in tako ustvarjajo v tleh ugodne pogoje za rast in prehrano rastlin.
- Oni pa so nepogrešljiv vir energije za večino rastlinojedcev.
- Naslednja veriga tega življenjskega člena so plenilci, katerih energija je,oziroma njihovi rastlinojedi.
- Ljudje so znani kot plenilci, kar pomeni, da lahko dobimo energijo iz rastlinskega in živalskega sveta.
- In že naši lastni ostanki življenja, pa tudi te rastline in živali, služijo kot hranilni substrat za mikroorganizme.
Tako se dobi začaran krog, ki neprekinjeno deluje in zagotavlja življenje vsemu življenju na Zemlji. Ob poznavanju teh načel si ni težko predstavljati, kako večplastna in pravzaprav neomejena moč narave in vseh živih bitij.
Sklep
V tem članku smo poskušali odgovoriti na vprašanje, kaj so nitrificirajoče bakterije v biologiji. Kot lahko vidite, kljub neizpodbitnim dokazom o vitalni aktivnosti, delovanju in vplivu teh mikroorganizmov obstaja še veliko spornih vprašanj, ki zahtevajo nadaljnje eksperimentalne raziskave.
Nitrifikacijske bakterije so razvrščene kot kemotrofi. Kot vir energije jim služijo različni minerali. Kljub svoji mikroskopski velikosti imajo ti živi organizmi velik vpliv na svet okoli sebe.
Kot veste, kemotrofi ne morejo absorbirati organskih spojin, ki so v substratu (tla ali voda). Nasprotno, proizvajajo gradbeni material za ustvarjanje žive in delujoče celice.
