Микробиологическая фиксация атмосферного азота. Свободноживущие аэробные и анаэробные азотфиксаторы и их характеристика

Круговорот азота в природе при участии микроорганизмов. Общая схемам цикла.

Наиболее изучен в настоящее время круговорот азота в природе. Он складывается из трех основных процессов: 1) фиксации азота атмосферы; 2) окисления азота — нитрификации; 3) восстановления азота, включающего процессы аммонификации, или гниения, и де- нитрификации. Каждый из этих процессов осуществляется определенной группой бактерий.

Фиксация азота атмосферы, который находится в свободном состоянии, возможна только с помощью двух групп азотфиксирующих микроорганизмов. Это свободноживущие азотфиксирующие бактерии и микробы-симбионты— клубеньковые бактерии. Они имеют ферменты, обладающие способностью связывать свободный азот с другими химическими элементами. Фиксируя азот атмосферы, эти микроорганизмы синтезируют сложные органические соединения. Азотфиксир. организмы обогащают почву связанным азотом и способствуют ее плодородию. Аммонификация, или гниение, — процесс разложения белков на менее сложные соединения: пептоны, пептиды, аминокислоты. Последние в свою очередь могут разрушаться до конечных продуктов — аммиака.

В процессах расщепления белка активное участие принимают аэробные микроорганизмы: В. subtilis, В. mycoides, В. mesentericus и пигментообразующие бактерии: В. pseudomonas fluorescens. В анаэробных условиях процессы разложения белка могут осуществлять протей, кишечная палочка, а также актиномицеты и плесневые грибы. В этих случаях, помимо аммиака и углекислого газа, образуются продукты промежуточного обмена: органические кислоты, спирты, амины и др. Существуют бактерии, расщепляющие мочевину до аммиака. Частично он улетучивается в атмосферу, но в основном подвергается дальнейшим превращениям в почве при так называемых процессах нитрификации.

Процессы нитрификации, или окисления, аммиака в нитриты, а затем в нитраты осуществляют почвенные бактерии. В результате этого процесса растения получают питательные вещества, необходимые для жизнедеятельности. На первом этапе нитрификации нитрозные бактерии (нитрозомонас, нитрозоцистис, нитрозоспира) окисляют аммиак в азотистую кислоту, получая при этом энергию, необходимую для своей жизни. На втором этапе нитратные бактерии (нитробактер) окисляют азотистую кислоту в азотную. Азотная кислота, растворяя, например, фосфат кальция, приводит к образованию фосфатов, которые легко усваиваются растениями.

Процессы денитрификации возможны в природных условиях при наличии в почве микробов-денитрификаторов, которые восстанавливают нитраты до молекулярного азота. Эти процессы протекают на глубине 10—15 см в почве в анаэробных условиях и ведут к понижению плодородия почвы, уменьшая в ней запасы нитратов. Образовавшийся азот улетучивается в атмосферу.

1. Фиксация - процесс усвоения растениями соединений N из воздуха

2. Нитрификация - второй шаг, переход аммиака в нитриты и нитраты

3. Денитрификация - разложение нитрата с получением N, выполняется микроорганизмами

4. Минерализация или аммонификация - формирование аммиака и его солей.

48. Аммонификация и микроорганизмы её вызывающие.

Среди органических соединений, встречающихся в клетке, первое место занимают белки — на их долю приходится не менее 5096 сухой массы клетки. Белки попадают в почву в значительных количествах вместе с остатками отмерших растений, животных и микроорганизмов. При разложении белков микроорганизмами азот освобождается в виде аммиака. Этот процесс называют аммонификацией. Белки могут разлагаться аэробными и анаэробными бактериями, актиномицетами, грибами. Особенно активны при этом представители рода Bacillius, рода Pseudomonas, рода Clostridium, Proteus vulgares и др, бациллы, стафилококки (все гетеротрофы).

49. Нитрификация и вызывающие её микроорганизмы. Работы Виноградского по выделению нитрификаторов.

Аммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении органических веществ, довольно быстро окисляется в азотистую, а затем азотную кислоту. Этот процесс называется нитрификацией. В 1850—1892 гг. С. Н. Виноградский, применив особую методику, изолировал чистые культуры нитрификаторов. С. Н. Виноградский сделал допущение, что нитрифицирующие бактерии не растут на обычных питательных средах, содержащих органические вещества. Это было вполне правильным и объяснило неудачи его предшественников. Нитрификаторы оказались хемолитотрофами, очень чувствительными к наличию в среде органических соединений. Их удалось выделить, используя минеральные питательные среды. Вторая фаза нитрификации вызывается представителями родов Nitrobacter, Nitrospina и Nitrococcus.

С. Н. Виноградским было установлено, что существует две группы нитрификаторов — одна группа осуществляет окисление аммиака до азотистой кислоты — первая фаза нитрификации, а вторая группа — окисление азотистой кислоты в азотную — вторая фаза нитрификации. Бактерии и той и другой групп являются грамотрицательными организмами. Бактерии первой фазы нитрификации представлены четырьмя родами: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus и Nitrosospirila. Единственный микроорганизм, детально изученный до настоящего времени, — Nitrosomonas europaea.

Нитрифицирующие бактерии обычно культивируют на простых минеральных средах, содержащих аммиак или нитриты, служащих окисляемыми субстратами, и углекислоту, являющуюся источником углерода. В качестве источников азота эти организмы используют аммиак, гидроксиламин и нитриты. Нитрификаторы являются облигатными аэробами. С помощью кислорода они окисляют аммиак в азотистую кислоту (первая фаза нитрификации), а затем азотистую кислоту в азотную (вторая фаза нитрификации).

50. Денитрификация. Условия развития, механизм и возможности её устранения.

В почве совершается ряд процессов, в результате которых окисленные формы азота (нитраты, нитриты) восстанавливаются в окислы азота или молекулярный азот. Это приводит к существенным потерям из почвы ценных для растений соединений. Восстановление нитратов и нитритов до газообразных азотных соединений происходит в результате процессов прямой и косвенной денитрификации. Под прямой денитрификацией подразумевают биологическое восстановление нитратов, а под косвенной — химическое восстановление нитратов. Прямая, или биологическая, денитрификация, в свою очередь, расчленяемся на процессы двух типов — ассимиляторную и диссимиляторную денитрификации. При ассимиляторной денитрификации нитраты восстанавливаются до NH3, который служит источником азота для построения клеточных веществ. К указанной денитрификации способны растения и многие микроорганизмы. В процессах диссимиляторной денитрификации нитраты используются в качестве окислителя органических веществ вместо молекулярного кислорода, что обеспечивает микроорганизмы необходимой энергией. Эти энергетические процессы называются процессами нитратного дыхания.

Способностью диссимиляторной денитрификации обладают только специфические аэробные бактерии. Преобладающими родами денитрификаторов в почве являются Pseudomonas, Paracoccus. Помимо отмеченных мезофильных микроорганизмов, денитрификацию могут вызывать и термофильные бактерии, развивающиеся при температуре 55—65° С. Это спорообразующие бактерии, относящиеся, к роду Bacillus.

Начальный этап восстановления нитратов при диссимиляторной денитрификации катализируется ферментом нитратредуктазой. Образование этого фермента в клетках микроорганизмов происходит под воздействием нитрата только в анаэробных условиях. В присутствии кислорода воздуха синтез нитратредуктазы не происходит.

Азотфикса́ция - фиксация молекулярного атмосферного азота. Процесс восстановления молекулы азота и включения её в состав своей биомассы прокариотными микроорганизмами. Важнейший источник азота в биологическом круговороте. В наземных экосистемах азотфиксаторы локализуются в основном в почве.

Атомы в молекуле азота связаны прочной тройной ковалентной связью, из-за чего он практически не вступает в реакции окисления-восстановления в нормальных условиях без применения катализаторов и не может использоваться растениями и животными. Микроорганизмы для восстановления азота используют целую серию ферментов (ферредоксин, гидрогеназа), важнейшим из которых является нитрогеназа. За её синтез ответственны так называемые nif-гены, широко распространенные у прокариот (в том числе архебактерий), но не встречающиеся у эукариот. Процесс азотфиксации достаточно энергоёмкий, для ассимиляции 1 молекулы азота требуется не менее 12 молекул АТФ, то есть для использования 1 мг азота анаэробным микроорганизмам требуется около 500 мг сахарозы.

Нитрогеназа блокируется молекулярным кислородом, поэтому азотфиксация в основном анаэробный процесс. Однако ряд аэробных бактерий выработал механизмы защиты нитрогеназы от блокирования:

-Механизм повышенного уровня дыхания. Azotobacter chroococcum при азотфиксации окисляет часть органического вещества, не запасая выделившейся энергии, а только лишь удаляя этим кислород.

-Механизм локализации азотфиксации в гетероцистах характерен для цианобактерий, способных к фотосинтезу с выделением кислорода. Для защиты нитрогеназы от кислорода они имеют особые, лишенные хлорофилла клетки - гетероцисты. Некоторые цианобактерии, не образующие гетероцисты, также способны к азотфиксации. Нитчатая цианобактерия Plectonema boryanum фиксирует азот в микроаэробных условиях, нитчатые цианобактерии Symploca и Lyngbya majuscula, а также одноклеточные цианобактерии родов Gloeothece и Cyanothece способны к азотфиксации при отсутствии освещения.

-Механизм симбиотической защиты характерен для клубеньковых бактерий. В корнях бобовых продуцируется легоглобин, выполняющий функции защиты от избытка кислорода.

Различают три типа азотфиксации:

1. Свободноживущими бактериями самых разнообразных таксономических групп.

2. Ассоциативная азотфиксация бактериями, находящимися в тесной связи с растениями и использующие их выделения как источник органического вещества. Азотфиксаторы живут в кишечнике многих животных (жвачные, грызуны, термиты) и человека (род Escherichia).

3. Симбиотическая. Наиболее известен симбиоз клубеньковых бактерий (сем. Rhizobiaceae) с бобовыми растениями. Обычно происходит корневое заражение, но известны растения, образующие клубеньки на стеблях и листьях.

Созданы бактериальные удобрения (например, нитрагин) для заражения штаммами клубеньковых бактерий семян бобовых культур, что увеличивает их урожайность. Также для стимулирования процессов азотфиксации полезно вносить в почву небольшие «стартовые» дозы азотных удобрений, в то время как большие их дозы подавляют процесс.

Дата добавления: 2015-03-29