Нитрификация

Нитрификация – процесс окисления аммиака до азотистой, а затем азотной кислоты. Процесс в природе происходит в две фазы, каждая из которых осуществляется специфическими группами бактерий.

Первая фаза нитрификации – окисление аммонийных солей до солей азотистой кислоты (нитритов) осуществляется нитритнымибактериями – представителями родов Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira, Nitrosovibrio, Nitrosolobus,:

2 NH₃ + 3 О₂ → 2 НNO₂ + H₂O + Эн. (148 ккал)

Вторая фаза нитрификации – окисление нитритов в нитраты осуществляется нитратными бактериями – представителями родов Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira:

2 НNO₂ + О₂ → 2 НNO₃ + Эн. (48 ккал)

Нитрифицирующие бактерии открыл в 1889 г. С.Н. Виноградский. В настоящее время они объединены в семейство Nitrobacteriaceae. Это грамотрицательные микроорганизмы, облигатные аэробы или микроаэрофилы. Большинство их являются облигатными автотрофами, которые при наличии органических веществ не размножаются. Лишь некоторые из них включают в состав своих клеток углерод отдельных органических соединений (глюкозы, аминокислот). Основным источником углерода для нитрифицирующих бактерий является СО₂ воздуха, ассимиляция которого осуществляется в цикле Кельвина, а необходимая для этого энергия поступает в результате окисления аммиака. Процесс нитрификации локализован на цитоплазматической и внутрицитоплазматических мембранах. Ему предшествует поглощение аммиака и перенос его через ЦПМ с помощью медьсодержащей транслоказы.

Нитрификация происходит в почвах, озерах, морях, океанах. Она имеет как положительное значение, являясь важным этапом в круговороте азота в природе, так и отрицательное. Хотя нитраты хорошо усваиваются растениями и способствуют растворимости других необходимых растению элементов (например, фосфора и железа), они значительно легче и быстрее вымываются из почвы, чем аммонийные соли. Поступление азота с нитратами в воды морей и океанов составляет миллионы тонн в год. Поэтому интенсивная нитрификация может привести к обеднению почв азотом. С целью регуляции этого процесса вносят препараты, ингибирующие нитрификацию, например, нитропирин, пиридин и его производные. Эти препараты подавляют первую фазу автотрофной нитрификации, но не влияют на гетеротрофную нитрификацию.

Образовавшиеся при нитрификации нитраты подвергаются в почве дальнейшим превращениям: 1) они могут быть использованы высшими растениями; 2) могут вымываться в водоемы; 3) закрепляться в клетках микроорганизмов, которые используют нитраты в качестве источника азота; 4) восстанавливаться микроорганизмами до молекулярного азота и аммиака.

54. Денитрификация Денитрификация – это восстановление, в результате которого азот переходит в менее окисленную форму, чем в нитратах. При денитрификации происходит восстановление нитратов до нитритов и далее до молекулярного азота:

NO₃^- → NO₂ ^- → NO → N₂O → N₂

Этот перенос приводит к потере определенного количества почвенного азота и возврату его в атмосферу. В зависимости от того, какие микроорганизмы принимают участие6 в процессе денитрификации, различают прямую и косвенную денитрификацию.

Прямая денитрификация осуществляется непосредственно микроорганизмами, способными восстанавливать нитраты, используя их в качестве акцептора водорода при окислении ими органических веществ. Способностью к прямой денитрификации обладают многие почвенные микроорганизмы. Наиболее активными среди них являются бактерии рода Micrococcus (M. deni-trificans), некоторые бациллы.

Микроорганизмы-денитрификаторы имеют две ферментные системы денитрификации: цитохромную (диссимиляционную) и флавопротеидную (ассимиляционную). Наличие этих систем обеспечивает два пути восстановления нитратов: ассимиляционный (неспецифический) и диссимиляционный (специфический).

Ассимиляционная денитрификация приводит к образованию аммиака, который ассимилируется организмом и включается в метаболизм. Нитраты здесь используются как источники азота. Диссимиляционная денитрификация осуществляется микроорганизмами для получения энергии и ее конечным продуктом является молекулярный азот.

4Н гидроксиламин Н₂ Ассимиляционная

→ NН₂OH → NH₃ + Н₂O денитрификация

Н₂ Н₂ ∕

NO₃ → NO₂ → NO

\ - Н₂О Н₂ Диссимиляционная

нитрат нитрит оксид → N₂O → N₂ + Н₂O денитрификация

азота (II) оксид

азота (I)

Большинство денитрификаторов хемоорганотрофы. Использование в качестве конечного акцептора электронов нитратов позволяет им окислять органические субстраты до СО₂ и воды. Однако есть один вид денитрификаторов, который способен усваивать СО₂ воздуха. Это Thiobacillus denitrificans. В отсутствие органических соединений он окисляет серу до серной кислоты за счет кислорода нитратов и полученную энергию использует для синтеза органических соединений из СО₂ воздуха.

Денитрифицирующие бактерии – факультативные анаэробы, переключающиеся на денитрификацию только в отсутствие кислорода. В аэробных условиях эти микроорганизмы окисляют органические вещества. В клетках денитрификаторов есть ферментная система, активизирующая кислород нитратов – нитратаза, и система, активизирующая молекулярный кислород. В анаэробных условиях функционирует первая ферментная система, в аэробных – вторая.

Косвенная денитрификация – чисто химический процесс, реакция восстановления, происходящая при взаимодействии нитратов с аминосоединениями, которые образуются в процессе жизнедеятельности различных микроорганизмов. В результате таких реакций тоже образуется молекулярный азот: НNO₂ + R-CHNH₂COOH → R-CHOHCOOH + N₂ + Н₂O

Микроорганизмам в этой реакции принадлежит косвенная роль, они образуют исходные продукты реакции – нитриты и аминосоединения.

Косвенная денитрификация имеет место только в кислой среде и значение ее невелико, так как окультуренные почвы не кислые. Более распространена в природе прямая денитрификация. В целом же денитрификация - широко распространенный процесс, в результате которого в атмосферу ежегодно поступает свыше 300млн. т азота. Особенно активно денитрификация протекает в ризосфере растений, где имеются органические вещества. Денитрификации способствуетслабая аэрация, высокая влажность, наличие достаточного количества органических соединений.

Денитрификацию не следует рассматривать как процесс, всегда приводящий к уменьшению азота в почве. Обычно в почве этот процесс до конца не доходит, так как растения усваивают образующиеся промежуточные продукты, возвращая их в круговорот. В настоящее время установлена даже положительная роль денитрификаторов в ризосфере растений, так как они способны кроме денитрификации одновременно осуществлять синтез веществ, стимулирующих рост растений.

55. Азотфиксация Фиксация атмосферного азота в природе происходит физико-химическим и биологическим путем. Небиологический путь фиксации азота (грозовые разряды, работа двигателей внутреннего сгорания) дает всего 0,5% фиксированного азота. При электрических разрядах азот вступает в реакции с кислородом или водородом и попадает на землю в виде оксидов азота или аммиака. Основной путь пополнения дефицита азота в почве – процесс азотфиксации. Способность фиксировать молекулярный азот – уникальный процесс, присущий только прокариотам. За счет деятельности азотфиксаторов в почву ежегодно поступает 60-75% азота от общего его содержания в почве.

Способность микроорганизмов фиксировать азот была установлена С.Н. Виноградским и голландским ученым М. Бейеринком. Способность фиксировать молекулярный азот присуща многим систематическим группам бактерий (клостридии, сульфатредуцирующие бактерии, энтеробактерии, фотосинтезирующие спириллы, актиномицеты и многие другие группы прокариот). Существуют свободноживущие и симбиотические азотфиксаторы.

Свободноживущие азотфиксаторы. Представителем этих микроорганизмов является Clostridium pasteurianum, выделенный в 1893 г. С.Н. Виноградским. Это спорообразующие грамположительные анаэробные палочки, имеющие размеры 1,5х10 мкм. Они широко распространены в природе, являются возбудителями маслянокислого брожения.

Бактерии рода Azotobacter выделены в 1901 г. М. Бейеринком. Это аэробные бактерии. Молодые клетки представляют собой грамотрицательные полиморфные палочки, но в зрелом возрасте могут иметь форму диплококков, покрыты толстой слизистой капсулой. Молодые клетки подвижны. При росте на безазотистых питательных средах азотобактеры образуют слизистые выпуклые колонии, окрашенные в темно-коричневый цвет (A.chroococcum), в желтый (A.vinelandii) и другие цвета. Источником углерода и энергии для азотобактера служат углеводы, спирты, органические кислоты. Источниками азота, кроме молекулярного, могут быть соли аммония, нитраты, нитриты, аминокислоты, мочевина. При культивировании на азотсодержащих средах азотобактер утрачивает азотфиксирующую способность.

Аэробные азотфиксирующие бактерии рода Beijerinkia имеют морфологическое сходство с азотобактером, но отличаются медленным ростом м высокой кислотоустойчивостью (развиваются при рН=3,0). К свободноживущим азотфиксаторам относятся также фотосинтезирующие бактерии, некоторые микобактерии, актиномицеты, синезеленые водоросли.

Симбиотические азотфиксаторы. Это клубеньковые бактерии, впервые обнаруженные в 1866 г. М.С.Ворониным на корнях люпина и ольхи в клубеньках. Клубеньковые бактерии чаще всего обнаруживаются там, где растут бобовые растения, хотя могут встречаться в почве и в свободном состоянии. Клубеньковые бактерии объединены в род Rhizobium (греч. rhizo – корень, bios – жизнь). Они проникают через корневые волоски в корневую систему растений и стимулируют деление тетраплоидных клеток корня, приводящее к образованию клубеньков. В клубеньках происходит интенсивное размножение бактерий. В молодых клубеньках большинство бактерий имеет форму палочек, с возрастом появляются клетки неправильной формы – бактероиды (L V X), в которых происходит фиксация азота.

Клубеньковые бактерии характеризуются: специфичностью – способностью образовывать клубеньки только на корнях определенных видов бобовых растений; вирулентностью – способностью проникать через корневые волоски в корни растений и там образовывать клубеньки; активностью – интенсивностью фиксации азота. Активность клубеньковых бактерий связана с наличием в них гемоглобина, который называется леггемоглобин. Это единственный представитель гемоглобинов, обнаруженных в растительном мире. Образование его возможно только в симбиозе бактерий с растениями. Ни клубеньковые бактерии, ни бобовые растения сами по себе не способны к синтезу гемоглобина. Леггемоглобин выполняет функции регулятора парциального давления кислорода и транспорта электронов в азотфиксирующую систему.

Отношения между клубеньковыми бактериями и бобовыми растениями – пример мутуализма (симбиоза, при котором оба симбионта извлекают выгоду от совместного сожительства: растение получает азот, а бактерии используют корневые выделения).

В настоящее время установлена способность ризобий осуществлять фиксацию атмосферного азота вне симбиоза с растениями (впервые доказано М.В.Фёдоровым). Доказана также способность к азотфиксации у представителей рола Escherichia, живущих в качестве комменсалов в пищеварительном тракте человека, найдены азотфиксаторы в кишечнике некоторых животных).

56. Сера – важная составная часть живой клетки. Сера входит в состав цистеина, цистина, метионина, тиамина, биотина, коферментов, а также некоторых антибиотиков и внутриклеточных запасных веществ микроорганизмов.

Гниение. После отмирания животных, растений и микроорганизмов белки их тела подвергаются гниению. Сера освобождается в форме сероводорода:

SHСН₂CHNН₂COOH + Н₂О → СН₂ОНСНОНСООН + Н₂S + NН₃

Цистеин глицериновая кислота

Окисление сероводорода. Накопление заметных количеств сероводорода могло бы отрицательно влиять на развитие различных организмов (особенно в воде), если бы не происходило дальнейшего его окисления до серной кислоты. Окисление сероводорода происходит в два этапа: 2 Н₂S + О₂ → 2 Н₂О + 2 S + Эн.

2 S + 3 О₂ + 2 Н₂О → 2 Н₂SО₄ + Эн.

Выделяющаяся на первом этапе сера накапливается в виде капелек в клетках серобактерий. Это является их дифференциальным признаком. При исчезновении в среде сероводорода наступает второй этап – окисление серы до серной кислоты. Эта кислота вступает в реакции взаимодействия и выделяется в виде сернокислых солей. Следовательно, сера является запасным энергетическим материалом для серобактерий. Окисление серы представляет собой процесс дыхания.

Если Н₂S находится в водоеме в небольшом количестве, то его окисление идет уже в поверхностной пленке ила при участии бесцветных серобактерий. Если содержание Н₂S велико, то его окисление происходи в водной толще. В зоне проникновения света, где достаточное количество кислорода, наблюдается массовое развитие пурпурных и зеленых серобактерий, в также тионовых бактерий, окисляющих восстановленные соединения серы.

Бесцветные серобактерии бывают одноклеточными и нитчатыми. Одноклеточные – это грамотрицательные, подвижные и неподвижные бактерии. Нитчатые бактерии способны к скользящему движению. Они образуют длинные нити – трихомы, состоящие из ряда плоских цилиндрических клеток, прикрепленных или не прикрепленных к субстрату. Бесцветные серобактерии относятся к хемолитотрофам.

Пурпурные и зеленые серобактерии относятся к фотолитотрофам. Фотосинтез это бактерий не сопровождается выделением кислорода, протекает в анаэробных условиях. Они развиваются в водоемах с содержанием Н₂S 20-100 мг/л и выше, что обеспечивает им анаэробные условия существования.

Тионовые бактерии (род Thiobacillus) относятся к хемолитотрофам. Это неспорообразующие Гр- палочки, подвижные, монотрихи. Тионовые бактерии – облигатные аэробы, за исключением T. denitrificans, обладающего способностью к ассимиляции СО₂ в присутствии нитратов за счет анаэробного (нитратного) дыхания. Он окисляет серу до серной кислоты за счет кислорода нитратов. И полученную энергию используют для синтеза органических соединений из СО₂ воздуха.

Десульфатация. Это процесс восстановления сульфатов до сероводорода десульфатирующими (сульфатредуцирующими) бактериями. Схематически процесс восстановления можно представить следующим образом

+ 2Н + 2Н +2Н +2Н

Н₂SО₄ → Н₂SО₃ → Н₂SО₂→ Н₂SО → Н₂S

Сульфатредуцирующие бактерии объединены в два рода Desulfovibrio и Desulfotomaculum. Бактерии рода Desulfovibrio представляют собой неспорообразующие грамотрицательные очень подвижные вибрионы, рода Desulfotomaculum – грамотрицательные подвижные спорообразующие палочки. В качестве доноров водорода для восстановления сульфатов эти бактерии используют органические вещества (пируват, лактат, спирты, аминокислоты). Восстановление сульфата при сопряженном окислении пирувата идет по следующей реакции:

4 СН₃СОСООН + Н₂SО₄ → 4 СН₃СООН + 4 СО₂ + Н₂S

Основное количество сероводорода в водоеме образуется благодаря сульфатредуцирующим бактериям. Эти бактерии широко распространены. Это объясняется тем, что, будучи облигатными анаэробами, они часто развиваются совместно с аэробными слизеобразующими бактериями. Аэробные бактерии, потребляя кислород, обеспечивают анаэробные условия сульфатредуцирующим бактериям.

Установлено, что лишь 0,4-0,6% общего сероводорода Черного моря образовалось из серусодержащих белков, а 94-96% его выделено сульфатредуцирующими бактериями из сульфатов морской воды.

Сероводород легко вступает в обменные реакции с соединениями железе, образуя сульфиты: 2 FeCl₃ + 3 Н₂S → 6HCl + Fe₂S₃

FeSO₄ + Н₂S → Н₂SО₄ + FeS

Черная окраска илов морей, океанов, озер, прудов, как правило, обусловлена образованием сульфитов. Сульфатредуцирующие бактерии участвуют в образовании лечебной грязи, сероводородных лечебных вод, в образовании серных месторождений, в образовании осадков сточных вод. Их деятельность также приносит вред. Они участвуют в коррозии металлов, ухудшают качество нефти. Сероводород угнетает развитие планктона, отравляет рыбу, делает воду непригодной для питья.

Таким образом, превращение серы в водоеме состоит из двух микробиологических процессов – десульфатации и окислениявосстановленных соединений серы до молекулярной серы и сульфатов.

57.Круговорот железа сводится к восстановлению и окислению соединений железа под влиянием микроорганизмов, относящимся к различным физиологическим группам.

В водоемы железо поступает в окисленном состоянии в виде растворенных солей или взвесей, оседающих в иловые отложения. Происходит восстановление железа (Fe³⁺) в (Fe²⁺) при участии донной микрофлоры. Наибольшую активность проявляют микроорганизмы Bacillus polymyxa и B. circulans. Процесс восстановления особенно легко протекает в присутствии сероводорода. Этот процесс осуществляют и десульфатирующие бактерии. В зависимости от кислородного режима водоема окисление образовавшихся восстановленных форм железа происходит либо в поверхностном слое ила, либо в толще воды. Окисление закисных соединений железа происходит при участии железобактерий, которые получают энергию за счет окисления кислородом воздуха двухвалентного железа в трехвалентное: 4 Fe²⁺ + 4 Н⁺ + О₂ → 4 Fe³⁺ + Н₂О Железобактерии представлены нитчатыми бактериями рода Leptothrix, микоплазмами рода Gallionella, бактериями рода Siderococcus. Окисление железа производят также автотрофные тионовые бактерии Thiobacillus ferrooxibans. Бактерии рода Gallionella имеют бобовидную форму. Они выделяют вогнутой стороной клетки коллоидную массу гидроокиси железа. Нитчатые железобактерии рода Leptothrix образуют длинные нити, имеющие общее слизистое влагалище, в котором откладывается гидроокись железа. После отмирания клеток гидроокись железа служит материалом для образования болотных и озерных руд. Одни виды нитчатых бактерий свободно плавают в воде, другие – легко прикрепляются к любым подводным предметам.Развиваясь в большом количестве в различных водоемах, железобактерии могут засорять отстойник, суживать просвет водопроводных труб. Железобактерии способны прикрепляться к головне, жабрам, ротовой полости мальков рыб, вызывая механическое раздражение кожи. Это может вызывать последующую гибель молоди рыб, нанося, таким образом, вред рыбному хозяйству.

Круговорот фосфора Фосфор относится к числу элементов-органогенов. Он входит в состав важнейших органических соединений клетки – АТФ, ДНК, РНК, фосфолипидов и др. Фосфорорганические соединения расщепляются при участии ферментов микроорганизмов – фосфотаз и нуклеаз. Освобождаясь в процессе гниения в виде фосфорной кислоты, фосфор превращается в труднорастворимые соединения (соли кальция, магния, железа).Превращения соединений фосфора при участии микроорганизмов (круговорот фосфора) сводится к двум процессам: минерализации фосфорсодержащих органических веществ; переход фосфорнокислых солей из менее растворимых в более растворимые. Схема круговорота фосфора:

Способностью минерализовать фосфорорганические соединения обладают неспорообразующие бактерии родов Pseudomonas, Ryzobium, а также спорообразующие бактерии рода Bacillus (B. megaterium, B.mycoides, B. angulans). Наиболее активной является спорообразующая палочка B. megaterium, которая освобождает до 50% фосфора из лецитина и 86% фосфора из нуклеиновой кислоты. Некоторые почвенные бактерии способны восстанавливать фосфорнокислые соли в анаэробных условиях. Процесс протекает по типу анаэробного дыхания и осуществляется при сопряженном окислении органических веществ. Нерастворимые минеральные соединения фосфора могут переводиться в растворимые. Это осуществляют микроорганизмы, в результате деятельности которых образуется кислота (нитрифицирующие бактерии, тиобактерии и др.).

Дата добавления: 2015-08-31