Нитрифицирующие бактерії. Значення нітрифікуючих бактерій

За типом живлення всі відомі живі організми діляться на два великих види: гетеро - і автотрофы. Відмінною особливістю останніх є їх здатність до самостійної побудови нових елементів з вуглекислоти та інших неорганічних речовин. Джерела енергії, що підтримують їх життєдіяльність, зумовлюють їх поділ на фотоафтотрофы (джерело – світло) і хемоавтотрофы (джерело – мінеральні речовини). А в залежності від назви субстрату, що окислюють хемоавтортофы, вони поділяються на водневі і нитрифицирующие бактерії, а також на сіро - і залізобактерії.
Дана стаття буде присвячена найбільш поширеною серед них групі – нитрофицирующим 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 кількома роками пізніше російському вченому Виноградському. Він виділив дві групи бактерій, які поетапно брали участь у процесі нітрифікації. Так, одна група забезпечувала окислювання амонію до азотистої кислоти, 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 декілька етапів, в ході яких утворюються азотовмісні сполуки з різним ступенем окислення групи NH.
Першим продуктом окислення амонію є гідроксиламін. Найвірогідніше, він утворюється через включення молекулярного кисню в групу NH 4 хоча остаточно цей процес не доведений і залишається діскутабельним. Далі гідроксиламін перетворюється в нітрит. Імовірно, процес здійснюється через освіту NOH (гипонитрита) з виділенням закису азоту. У цьому випадку вчені вважають продукцію закису азоту всього лише побічним продуктом синтезу, з-за відновлення нітриту. Крім продукції хімічних елементів, в ході денитрофикации виділяється велика кількість енергії. Подібно відбувається у гетеротрофних аеробних організмів, в даному випадку синтез молекул АТФ пов'язаний з окисно-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 та/або А-типу), а для цього потрібне досить великі витрати енергії. Як результат, хемоавтотрофними нитрифицирующие бактерії повністю забезпечені потрібним запасом енергії, яка використовується для процесів побудови і засвоєння вуглекислоти.

Види нітрифікуючих бактерій

У першій фазі нітрифікації беруть участь чотири роду нітробактерій:

нитросомонас;

нитроцистис;

нитросолюбус;

нитрососпира.

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 2-25 мкм і переважно овальну або округлу форму (за винятком нитроспиры, які мають вигляд палички). Вони здатні до бінарним поділом і направленого руху за рахунок джгутиків.
У другій фазі нітрифікації беруть участь:

рід нитробактер;

рід нитроспина;

нитрококус.

Найбільш вивчений штам бактерій роду нитрбактер, що має назву в честь свого першовідкривача Виноградського. Ці нитрифицирующие бактерії мають грушовидну форму клітин, що розмножуються брунькуванням, з утворенням рухомого (за рахунок джгутика) дочірньої клітини.

Будова бактерій

Досліджені нитрифицируюшие 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 в інших вони розташовуються більше по периферії або утворюють структуру у вигляді чаші, що складається з кількох листків. По всій видимості, саме з цими утвореннями пов'язані ферменти, які беруть участь у процесі окислення нитрификаторами специфічних субстратів.

Тип харчування нітрифікуючих бактерій

Нитробактерии відносяться до облігатним автотрофам, оскільки не здатні використовувати екзогенні органічні речовини. Однак експериментальним шляхом все ж показано здатність окремих штамів нітрифікуючих бактерій використовувати деякі органічні сполуки. Було виявлено, що субстрат, що містить дріжджові автолизаты, 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 його включення вуглецю в білок, різні амінокислоти і інші клітинні компоненти.
В результаті численних 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 достатньо суперечливі, щоб робити остаточні висновки з цього приводу.

Середовище існування і значення нітрифікуючих бактерій

Нитрифицирующие бактерії відносяться до хемоавтотрофам і мають широке розповсюдження в природі. Вони зустрічаються повсюдно: у ґрунті, різних субстратах, а також водоймах. Процес їх життєдіяльності вносить великий внесок у загальний кругообіг азоту в природі і в дійсності може досягати величезних масштабів. Наприклад, такий мікроорганізм, як нитроцистис океанус, виділений з Атлантичного океану, відноситься до облігатним галофилам. Він може існувати тільки в морській воді або субстратах, що містять її. Для таких мікроорганізмів важлива не тільки середовище проживання, але і такі константи, як рН і температура. Всі відомі нитрифицирующие бактерії відносять до облігатним аеробів. Для того щоб окислити амоній в азотисту кислоту, а азотисту кислоту 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 з поза. Їх навіть назвали облігатними автотрофами. В подальшому неодноразово було доведено згубний вплив глюкози, сечовини, пептона, гліцерину та іншої органіки на нитрифицирующие бактерії, але експерименти не зупиняються.

Значення нітрифікуючих 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 зазнають зміни. Виявлено негативну дію описуваних мікроорганізмів на родючість грунту. Нитрифицирующие бактерії, утворюючи нітрати, яка підкислює 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 N 2 (в процесі денитрифакации), що в свою чергу веде до збіднення ґрунту азотом.

У чому небезпека нітрифікуючих бактерій?

Деякі штами нітробактерій у присутності органічного субстрату можуть окислювати амоній, утворюючи гідроксиламін, а в подальшому і нітрити нітрати. Також у результаті таких реакцій можуть виникати гідроксамові кислоти. Більш того, ряд бактерій здійснює процес нітрифікації різних сполук, до складу яких входить азот (оксими, аміни, аміди, гидроксаматы та інші нітросполуки). Масштаби гетеротрофной 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 теж час вимагає дотримання певних умов, щоб забезпечити ріст і життєдіяльність нитрифицирующим бактеріям. Найбільш сприятливим мікрокліматом для них є температура навколишнього середовища (в даному випадку води) близько 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. Живлення ґрунту в такому разі забезпечується нитробактериями і азотобактериями. Ці бактерії витягують з 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 із навколишнього середовища - вони можуть продукувати їх самостійно. Так, якщо зеленим рослинами, які також є автотрофами, необхідний сонячний світло, то для нітрифікуючих 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:

Окислення аміаку до нітриту.

Окисленню нітриту до нітрату.

При цьому кожен етап забезпечується окремими видами мікроорганізмів.

Так званий замкнуте коло

Кругообіг енергії та підтримання життя на Землі можливе завдяки дотриманню певних закономірностей існування всього живого. На перший погляд важко зрозуміти, про що йде мова, але насправді все досить просто. Уявімо наступну картинку зі шкільного підручника:

Неорганічні речовини переробляються мікроорганізмами і тим самим створюють сприятливі умови у ґрунті для росту і живлення рослин.

Вони, в свою чергу, є незамінним джерелом енергії для більшості травоїдних тварин.

Наступним ланцюжком цього життєвого ланки є хижаки, енергією для яких є, відповідно, їх травоїдні побратими.

Люди, як відомо, відносяться до вищих хижаків, а це значить, що ми можемо отримувати енергію як від рослинного світу, так і від тварини.

А вже наші власні залишки життєдіяльності, а також тих рослин і тварин, служать живильним субстратом для мікроорганізмів.

Таким чином, виходить замкнуте коло, безперервно функціонує 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, незважаючи на незаперечні докази життєдіяльності, функціонування і впливу цих мікроорганізмів, існує ще безліч спірних питань, що потребують подальших експериментальних досліджень. Нитрифицирующие бактерії відносять до хемотрофам. Джерелом енергії для них служать різні мінеральні речовини. Незважаючи на свої мікроскопічні розміри, ці живі організми впливають на навколишній світ. Як відомо, хемотрофы не можуть засвоювати органічні сполуки, які перебувають у субстраті (ґрунтовому і водному). Вони, навпаки, продукують будівельний матеріал для створення живої і функціонуючої клітини.