По типу питания все известные живые организмы делятся на два больших вида: гетеро- и автотрофы. Отличительной особенностью последних является их способность к самостоятельному построению новых элементов из углекислоты и других неорганических веществ.
Источники энергии, поддерживающие их жизнедеятельность, обусловливают их деление на фотоафтотрофы (источник – свет) и хемоавтотрофы (источник – минеральные вещества). А в зависимости от названия субстрата, который окисляют хемоавтортофы, они разделяются на водородные и нитрифицирующие бактерии, а также на серо- и железобактерии.
Данная статья будет посвящена наиболее распространенной среди них группе – нитрофицирующим бактериям.
История открытия
Еще в середине 19 века немецкими учеными было доказано, что процесс нитрификации является биологическим. Опытным путем они показали, что при добавлении к канализационным водам хлороформа останавливалось окисление аммиака. Но объяснить, почему так происходит, они не смогли.
Это удалось сделать несколькими годами позже русскому ученому Виноградскому. Он выделил две группы бактерий, которые поэтапно брали участие в процессе нитрификации. Так, одна группа обеспечивала окисление аммония до кислоты азотистой, а уже вторая группа бактерий отвечала за ее превращение в азотную. Все задействованные в этом процессе нитрифицирующие бактерии являются грамотрицательными.
Особенности процесса окисления
Процесс образования нитритов путем окисления аммония имеет несколько этапов, в ходе которых образуются азотсодержащие соединения с различной степенью окисленности группы NH.
Первым продуктом окисления аммония является гидроксиламин. Вероятней всего, он образуется из-за включения молекулярного кислорода в группу NH4, хотя окончательно этот процесс не доказан и остается дискутабельным.
Далее гидроксиламин превращается в нитрит. Предположительно, процесс осуществляется через образование NOH (гипонитрита) с выделением закиси азота. В этом случае ученые считают продукцию закиси азота всего лишь побочным продуктом синтеза, из-за восстановления нитрита.
Кроме продукции химических элементов, в ходе денитрофикации выделяется большое количество энергии. Подобно происходящему у гетеротрофных аэробных организмов, в данном случае синтез молекул АТФ связан с окислительно-восстановительными процессами, в результате которых на кислород передаются электроны.
При окислении нитрита большую роль играет процесс обратного транспорта электронов. Включение его электронов в цепь происходит непосредственно в цитохромах (С-типа и/или А-типа), а для этого требуется достаточно большие затраты энергии. Как результат, хемоавтотрофные нитрифицирующие бактерии полностью обеспечены нужным запасом энергии, которая используется для процессов построения и усвоения углекислоты.
Виды нитрифицирующих бактерий
В первой фазе нитрификации берут участие четыре рода нитробактерий:
- нитросомонас;
- нитроцистис;
- нитросолюбус;
- нитрососпира.
Кстати, на предложенном изображении вы можете видеть нитрифицирующие бактерии (фото под микроскопом).
Экспериментальным путем среди них достаточно сложно, а зачастую и вовсе невозможно выделить одну из культур, поэтому их рассмотрение преимущественно комплексное. Все из перечисленных микроорганизмов имеют размер до 2-2,5 мкм и преимущественно овальную или округлую форму (за исключением нитроспиры, которые имеют вид палочки). Они способны к бинарному делению и направленному движению за счет жгутиков.
Во второй фазе нитрификации принимают участие:
- род нитробактер;
- род нитроспина;
- нитрококус.
Наиболее изучен штамм бактерий рода нитрбактер, имеющий название в честь своего первооткрывателя Виноградского. Эти бактерии нитрифицирующие имеют грушевидную форму клеток, размножаются почкованием, с образованием подвижной (за счет жгутика) дочерней клетки.
Строение бактерий
Исследованные нитрифицируюшие бактерии имеют схожее клеточное строение с другими грамотрицательными микроорганизмами. Некоторые из них имеют достаточно развитую систему внутренних мембран, образующих стопку в центре клетки, тогда как у других они располагаются больше по периферии или образуют структуру в виде чаши, состоящую из нескольких листков. По всей видимости, именно с этими образованиями связаны ферменты, которые участвуют в процессе окисления нитрификаторами специфических субстратов.
Тип питания нитрифицирующих бактерий
Нитробактерии относятся к облигатным автотрофам, поскольку не способны использовать экзогенные органические вещества. Однако экспериментальным путем все же показана способность некоторых штаммов нитрифицирующих бактерий использовать некоторые органические соединения.
Было выявлено, что субстрат, содержащий дрожжевые автолизаты, серин и глутамат в низких концентрациях, стимулирующим образом воздействовал на рост нитробактерий. Это происходит как при наличии нитрита, так и при его отсутствии в питательной среде, хотя процесс протекает гораздо медленнее. И наоборот, при наличии нитрита процесс окисления ацетата подавляется, но значительно увеличивается включение его углерода в белок, различные аминокислоты и другие клеточные компоненты.
В результате множественных экспериментов были получены данные о том, что бактерии нитрифицирующие все же могут переключаться на гетеротрофное питание, но насколько продуктивно и как долго они могут существовать в таких условиях, еще предстоит выяснить. Пока данные достаточно противоречивы, чтобы делать окончательные умозаключения по этому поводу.
Среда обитания и значение нитрифицирующих бактерий
Нитрифицирующие бактерии относятся к хемоавтотрофам и имеют широкое распространение в природе. Они встречаются повсеместно: в почве, различных субстратах, а также водоемах. Процесс их жизнедеятельности вносит большой вклад в общий круговорот азота в природе и в действительности может достигать огромных масштабов.
Например, такой микроорганизм, как нитроцистис океанус, выделенный из Атлантического океана, относится к облигатным галофилам. Он может существовать только в морской воде или субстратах, содержащих ее. Для таких микроорганизмов важна не только среда обитания, но и такие константы, как рН и температура.
Все известные нитрифицирующие бактерии относят к облигатным аэробам. Для того чтобы окислить аммоний в азотистую кислоту, а азотистую кислоту в азотную, им нужен кислород.
Условия обитания
Еще одним важным моментом, который выявили ученые, стало то, что место, где живут нитрифицирующие бактерии, не должно содержать органических веществ. Была выдвинута теория, что эти микроорганизмы в принципе не могут использовать органические соединения из вне. Их даже назвали облигатными автотрофами.
В последующем неоднократно было доказано пагубное влияние глюкозы, мочевины, пептона, глицерина и другой органики на бактерии нитрифицирующие, но эксперименты не останавливаются.
Значение нитрифицирующих бактерий для почвы
До недавнего времени считалось, что нитрификаторы благоприятно влияют на почву, увеличивая ее плодородность путем расщепления аммония до нитратов. Последние не только хорошо абсорбируются растениями, но и сами по себе повышают растворимость некоторых минеральных веществ.
Однако, в последние годы научные взгляды претерпевают изменения. Выявлено отрицательное действие описываемых микроорганизмов на плодородность почвы. Бактерии нитрифицирующие, образуя нитраты, подкисляют среду, что не всегда является положительным моментом, а также в большей степени провоцируют насыщение почвой ионов аммония, чем нитратов. Более того, нитраты имеют способность восстанавливаться до N2 (в процессе денитрифакации), что в свою очередь ведет к обеднению почвы азотом.
В чем опасность нитрифицирующих бактерий?
Некоторые штаммы нитробактерий в присутствии органического субстрата могут окислять аммоний, образовывая гидроксиламин, а в последующем нитриты и нитраты. Также в результате таких реакций могут возникать гидроксамовые кислоты. Более того, ряд бактерий осуществляет процесс нитрификации различных соединений, в состав которых входит азот (оксимы, амины, амиды, гидроксаматы и другие нитросоединения).
Масштабы гетеротрофной нитрификации при определенных условиях могут быть не только огромными, но и весьма пагубными. Опасность заключается в том, что в ходе таких превращений происходит образование токсических веществ, мутагенов и канцерогенов. Поэтому ученые пристально работают над изучением данной темы.
Биологический фильтр, который всегда под рукой
Нитрифицирующие бактерии - это не абстрактное понятие, а весьма распространенная форма жизни. Более того, они часто используются человеком.
Например, в состав биологических фильтров для аквариумов входят именно эти бактерии. Данный вид очистки менее затратный и не такой трудоемкий, как механическая очистка, но в тоже время требует соблюдения определенных условий, чтобы обеспечить рост и жизнедеятельность нитрифицирующим бактериям.
Наиболее благоприятным микроклиматом для них является температура окружающей среды (в данном случае воды) порядка 25-26 градусов Цельсия, постоянный приток кислорода и наличие водных растений.
Нитрифицирующие бактерии в сельском хозяйстве
Для того чтобы повысить урожайность, аграрии используют различные удобрения, содержащие нитрифицирующие бактерии.
Питание почвы в таком случае обеспечивается нитробактериями и азотобактериями. Эти бактерии извлекают из почвы и воды необходимые вещества, которые в процессе окисления образуют достаточно большое количество энергии. Это так называемый процесс хемосинтеза, когда полученная энергия идет на образование сложных молекул органического происхождения из углекислого газа и воды.
Для этих микроорганизмов не обязательно поступление питательных веществ с окружающей их среды - они могут продуцировать их самостоятельно. Так, если зеленым растениями, которые также являются автотрофами, необходим солнечный свет, то для нитрифицирующих бактерий он не обязателен.
Самоочистка почвы
Почва – это идеальный субстрат для роста и размножения не только растений, но и множества живых организмов. Поэтому крайне важно ее нормальное состояние и сбалансированный состав.
Следует помнить, что биологическую очистку почвы обеспечивают в том числе и нитрифицирующие бактерии. Они, находясь в почве, водоемах или перегное, превращают аммиак, который выделяют другие микроорганизмы и отходные органические материалы, в нитраты (если быть более точными, то в соли азотной кислоты). Весь процесс состоит из двух этапов:
- Окисление аммиака до нитрита.
- Окисление нитрита до нитрата.
При этом каждый этап обеспечивается отдельными видами микроорганизмов.
Так называемый замкнутый круг
Кругооборот энергии и поддержание жизни на Земле возможно благодаря соблюдению определенных закономерностей существования всего живого. На первый взгляд трудно понять, о чем идет речь, но на самом деле все достаточно просто.
Давайте представим следующую картинку из школьного учебника:
- Неорганические вещества перерабатываются микроорганизмами и тем самым создают благоприятные условия в почве для роста и питания растений.
- Они, в свою очередь, являются незаменимым источником энергии для большинства травоядных животных.
- Следующей цепочкой этого жизненного звена являются хищники, энергией для которых являются, соответственно, их травоядные собратья.
- Люди, как известно, относятся к высшим хищникам, а это значит, что мы можем получать энергию как от растительного мира, так и от животного.
- А уже наши собственные остатки жизнедеятельности, а также тех самых растений и животных, служат питательным субстратом для микроорганизмов.
Таким образом, получается замкнутый круг, непрерывно функционирующий и обеспечивающий жизнь всего живого на Земле. Зная эти принципы, не сложно представить, насколько многогранна и на самом деле безгранична сила природы и всего живого.
Заключение
В данной статье мы попытались дать ответ на вопрос, что такое нитрифицирующие бактерии в биологии. Как видите, несмотря на неопровержимые доказательства жизнедеятельности, функционирования и влияния этих микроорганизмов, существует еще множество спорных вопросов, требующих дальнейших экспериментальных исследований.
Нитрифицирующие бактерии относят к хемотрофам. Источником энергии для них служат различные минеральные вещества. Несмотря на свои микроскопические размеры, эти живые организмы оказывают огромное влияние на окружающий их мир.
Как известно, хемотрофы не могут усваивать органические соединения, которые находятся в субстрате (почвенном или водном). Они, наоборот, продуцируют строительный материал для создания живой и функционирующей клетки.
