Pēc uztura veida visi zināmie dzīvie organismi tiek iedalīti divos lielos veidos: hetero- un autotrofos. Pēdējo atšķirīgā iezīme ir to spēja patstāvīgi veidot jaunus elementus no oglekļa dioksīda un citām neorganiskām vielām.
Enerģijas avoti, kas atbalsta viņu vitālo darbību, nosaka to sadalījumu fotoaftotrofos (avots ir gaisma) un ķīmijautotrofos (avots ir minerāli). Un atkarībā no substrāta nosaukuma, ko oksidē chemoautotortofīti, tos iedala ūdeņraža un nitrificējošās baktērijās, kā arī sēra un dzelzs baktērijās.
Šis raksts būs veltīts visbiežāk sastopamajai grupai – nitrificējošām baktērijām.
Atklājumu vēsture
Pat 19. gadsimta vidū vācu zinātnieki pierādīja, ka nitrifikācijas process ir bioloģisks. Empīriski viņi parādīja, ka, pievienojot notekūdeņiem hloroformu, amonjaka oksidēšanās apstājās. Bet, lai izskaidrotu, kāpēc tas notiek, viņi to nedaravarētu.
Dažus gadus vēlāk to izdarīja krievu zinātnieks Vinogradskis. Viņš identificēja divas baktēriju grupas, kas pakāpeniski piedalījās nitrifikācijas procesā. Tādējādi viena grupa nodrošināja amonija oksidēšanos par slāpekļskābi, bet otrā baktēriju grupa bija atbildīga par tā pārvēršanu slāpekļskābē. Visas šajā procesā iesaistītās nitrificējošās baktērijas ir gramnegatīvas.
Oksidācijas procesa iezīmes
Nitrītu veidošanās procesam ar amonija oksidēšanu ir vairākas stadijas, kuru laikā veidojas slāpekli saturoši savienojumi ar dažādu NH grupas oksidācijas pakāpi.
Pirmais amonija oksidācijas produkts ir hidroksilamīns. Visticamāk, tas veidojas, pateicoties molekulārā skābekļa iekļaušanai NH4 grupā, lai gan šis process nav galīgi pierādīts un joprojām ir apstrīdams.
Pēc tam hidroksilamīns tiek pārveidots par nitrītu. Jādomā, ka process tiek veikts, veidojot NOH (hiponitrītu) ar slāpekļa oksīda izdalīšanos. Šajā gadījumā zinātnieki uzskata, ka slāpekļa oksīda ražošana ir tikai sintēzes blakusprodukts nitrītu samazināšanas dēļ.
Papildus ķīmisko elementu ražošanai denitrifikācijas laikā tiek atbrīvots liels enerģijas daudzums. Līdzīgi kā notiek heterotrofos aerobos organismos, arī šajā gadījumā ATP molekulu sintēze ir saistīta ar redoksprocesiem, kuru rezultātā elektroni tiek pārnesti uz skābekli.
Kad nitrīts tiek oksidēts, reversās transportēšanas procesam ir svarīga lomaelektroni. Tās elektronu iekļaušana ķēdē notiek tieši citohromos (C tipa un / vai A veida), un tas prasa diezgan lielu enerģijas daudzumu. Rezultātā ķīmijautotrofās nitrificējošās baktērijas tiek pilnībā nodrošinātas ar nepieciešamo enerģijas rezervi, kas tiek izmantota oglekļa dioksīda veidošanas un asimilācijas procesos.
Nitrificējošo baktēriju veidi
Četras nitrobaktēriju ģintis piedalās pirmajā nitrifikācijas fāzē:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Starp citu, ieteiktajā attēlā (foto mikroskopā) var redzēt nitrificējošās baktērijas.
Eksperimentāli starp tām ir diezgan grūti un bieži vien pilnīgi neiespējami izcelt kādu no kultūrām, tāpēc to apsvēršana pārsvarā ir sarežģīta. Visi uzskaitītie mikroorganismi ir līdz 2-2,5 mikroniem lieli un pārsvarā ir ovālas vai apaļas formas (izņemot nitrospiras, kurām ir kociņa forma). Tie spēj bināro skaldīšanu un virzītu kustību flagellas dēļ.
Piedalās nitrifikācijas otrā fāze:
- Nitrobacter ģints;
- nitrospin veids;
- nitrokokos.
Visvairāk pētītais Nitrbacter ģints baktēriju celms, kas nosaukts tā atklājēja Vinogradska vārdā. Šīm nitrificējošām baktērijām ir bumbierveida šūnas, kas vairojas, veidojot pumpurus, veidojot mobilu (sakarā ar karogu) meitas šūnu.
Baktēriju struktūra
Pētītajām nitrificējošām baktērijām ir līdzīga šūnu struktūra ar citiem gramnegatīviem mikroorganismiem. Dažām no tām ir diezgan attīstīta iekšējo membrānu sistēma, kas veido kaudzi šūnas centrā, savukārt citās tās atrodas vairāk perifērijā vai veido struktūru kausa formā, kas sastāv no vairākām lapām. Acīmredzot tieši ar šiem veidojumiem ir saistīti fermenti, kas ir iesaistīti specifisku substrātu oksidēšanas procesā ar nitrifikatoriem.
Nitrificējošo baktēriju pārtikas veids
Nitrobaktērijas ir obligāti autotrofi, jo tās nespēj izmantot eksogēnas organiskās vielas. Tomēr ir eksperimentāli pierādīta dažu nitrificējošo baktēriju celmu spēja izmantot dažus organiskos savienojumus.
Tika konstatēts, ka substrāts, kas satur rauga autolizātus, serīnu un glutamātu zemā koncentrācijā, stimulēja nitrobaktēriju augšanu. Tas notiek gan nitrīta klātbūtnē, gan tad, ja tā nav uzturvielu vidē, lai gan process ir daudz lēnāks. Un otrādi, nitrīta klātbūtnē acetāta oksidēšanās tiek nomākta, bet ievērojami palielinās tā oglekļa iekļaušana olb altumvielās, dažādās aminoskābēs un citos šūnu komponentos.
Vairāku eksperimentu rezultātā tika iegūti dati, ka nitrificējošās baktērijas joprojām var pāriet uz heterotrofisku uzturu, taču tas, cik produktīvi un cik ilgi tās var pastāvēt šādos apstākļos, vēl ir redzams. Kamēr datu pietieknekonsekventi izdarīt galīgos secinājumus par šo jautājumu.
Nitrificējošo baktēriju dzīvotne un nozīme
Nitrificējošās baktērijas ir ķīmiski autotrofi un ir plaši izplatītas dabā. Tie ir sastopami visur: augsnē, dažādos substrātos, kā arī ūdenstilpēs. Viņu dzīvībai svarīgās aktivitātes process sniedz lielu ieguldījumu kopējā slāpekļa ciklā dabā un patiesībā var sasniegt milzīgus apmērus.
Piemēram, tāds mikroorganisms kā nitrocystis oceanus, kas izolēts no Atlantijas okeāna, pieder pie obligātajiem halofiliem. Tas var pastāvēt tikai jūras ūdenī vai substrātos, kas to satur. Šādiem mikroorganismiem svarīgs ir ne tikai biotops, bet arī tādas konstantes kā pH un temperatūra.
Visas zināmās nitrificējošās baktērijas ir klasificētas kā obligātas aerobas. Viņiem ir nepieciešams skābeklis, lai oksidētu amoniju par slāpekļskābi un slāpekļskābi par slāpekļskābi.
Dzīvotnes apstākļi
Vēl viens svarīgs jautājums, ko zinātnieki ir noskaidrojuši, ir tas, ka vieta, kur dzīvo nitrificējošās baktērijas, nedrīkst saturēt organiskās vielas. Tika izvirzīta teorija, ka šie mikroorganismi principā nevar izmantot organiskos savienojumus no ārpuses. Tos pat sauca par obligātajiem autotrofiem.
Pēc tam vairākkārt tika pierādīta glikozes, urīnvielas, peptona, glicerīna un citu organisko vielu kaitīgā ietekme uz nitrificējošām baktērijām, taču eksperimenti neapstājas.
Nitrificējošo baktēriju nozīmeaugsne
Vēl nesen tika uzskatīts, ka nitrifikatoriem ir labvēlīga ietekme uz augsni, palielinot tās auglību, sadalot amoniju par nitrātiem. Pēdējos augi ne tikai labi absorbē, bet arī paši par sevi palielina noteiktu minerālvielu šķīdību.
Tomēr pēdējos gados zinātniskie uzskati ir mainījušies. Tika atklāta aprakstīto mikroorganismu negatīvā ietekme uz augsnes auglību. Nitrificējošās baktērijas, veidojot nitrātus, paskābina vidi, kas ne vienmēr ir pozitīvi, kā arī provocē augsnes piesātinājumu ar amonija joniem vairāk nekā nitrāti. Turklāt nitrātiem ir iespēja samazināties līdz N2 (denitrifikācijas laikā), kas savukārt noved pie slāpekļa noplicināšanas augsnē.
Kādas ir nitrificējošu baktēriju briesmas?
Daži nitrobaktēriju celmi organiska substrāta klātbūtnē var oksidēt amoniju, veidojot hidroksilamīnu un pēc tam nitrītus un nitrātus. Arī šādu reakciju rezultātā var rasties hidroksamīnskābes. Turklāt vairākas baktērijas veic dažādu savienojumu, kas satur slāpekli (oksīmus, amīnus, amīdus, hidroksamātus un citus nitro savienojumus), nitrifikācijas procesu.
Heterotrofiskās nitrifikācijas mērogs noteiktos apstākļos var būt ne tikai milzīgs, bet arī ļoti kaitīgs. Bīstamība slēpjas faktā, ka šādu pārvērtību laikā veidojas toksiskas vielas, mutagēni un kancerogēni. Tāpēc zinātnieki ir cieši saistītistrādā pie šīs tēmas izpētes.
Bioloģiskais filtrs, kas vienmēr ir pa rokai
Nitrificējošās baktērijas nav abstrakts jēdziens, bet gan ļoti izplatīta dzīvības forma. Turklāt tos bieži izmanto cilvēki.
Piemēram, šīs baktērijas ir daļa no akvāriju bioloģiskajiem filtriem. Šis tīrīšanas veids ir lētāks un nav tik darbietilpīgs kā mehāniskā tīrīšana, taču tajā pašā laikā ir jāievēro noteikti nosacījumi, lai nodrošinātu nitrificējošo baktēriju augšanu un dzīvībai svarīgo darbību.
Viņiem vislabvēlīgākais mikroklimats ir apkārtējās vides (šajā gadījumā ūdens) temperatūra 25-26 grādi pēc Celsija, pastāvīga skābekļa padeve un ūdensaugu klātbūtne.
Nitrificējošās baktērijas lauksaimniecībā
Lai palielinātu ražu, lauksaimnieki izmanto dažādus mēslošanas līdzekļus, kas satur nitrificējošās baktērijas.
Augsnes barošanu šajā gadījumā nodrošina nitrobaktērijas un azotobaktērijas. Šīs baktērijas no augsnes un ūdens ekstrahē nepieciešamās vielas, kas oksidācijas procesā veido pietiekami lielu enerģijas daudzumu. Tas ir tā sauktais ķīmiskās sintēzes process, kad saņemtā enerģija tiek izmantota, lai no oglekļa dioksīda un ūdens veidotu sarežģītas organiskas izcelsmes molekulas.
Šie mikroorganismi neprasa barības vielas no savas vides – tie var tās ražot paši. Tātad, ja ir vajadzīgi zaļie augi, kas arī ir autotrofisaules gaisma, tad tas nav nepieciešams nitrificējošām baktērijām.
Pašattīroša augsne
Augsne ir ideāls substrāts ne tikai augu, bet arī daudzu dzīvo organismu augšanai un vairošanai. Tāpēc tā normālais stāvoklis un līdzsvarots sastāvs ir ārkārtīgi svarīgi.
Jāatceras, ka nitrificējošās baktērijas nodrošina arī augsnes bioloģisko attīrīšanu. Tie, atrodoties augsnē, rezervuāros vai humusā, amonjaku, ko izdala citi mikroorganismi un organisko vielu atkritumi, pārvērš nitrātos (precīzāk, slāpekļskābes sāļos). Viss process sastāv no diviem posmiem:
- Amonjaka oksidēšana par nitrītiem.
- Nitrītu oksidēšana par nitrātiem.
Tajā pašā laikā katru posmu nodrošina atsevišķi mikroorganismu veidi.
Tā sauktais apburtais loks
Enerģijas cirkulācija un dzīvības uzturēšana uz Zemes iespējama, pateicoties noteiktu visa dzīvā pastāvēšanas likumu ievērošanai. No pirmā acu uzmetiena ir grūti saprast, kas ir uz spēles, bet patiesībā viss ir pavisam vienkārši.
Iedomāsimies šādu attēlu no skolas mācību grāmatas:
- Neorganiskās vielas pārstrādā mikroorganismi un tādējādi augsnē tiek radīti labvēlīgi apstākļi augu augšanai un barošanai.
- Tie savukārt ir neaizstājams enerģijas avots lielākajai daļai zālēdāju.
- Šīs dzīvības saites nākamā ķēde ir plēsēji, kuru enerģija irattiecīgi to zālēdāju kolēģi.
- Ir zināms, ka cilvēki ir virsotnes plēsēji, kas nozīmē, ka mēs varam iegūt enerģiju gan no augu pasaules, gan no dzīvnieku pasaules.
- Un jau mūsu pašu dzīvības paliekas, kā arī tie paši augi un dzīvnieki kalpo par barības vielu substrātu mikroorganismiem.
Tādējādi tiek iegūts apburtais loks, kas nepārtraukti darbojas un nodrošina dzīvību visai dzīvībai uz Zemes. Zinot šos principus, nav grūti iedomāties, cik daudzpusīgs un faktiski neierobežots ir dabas un visa dzīvā spēks.
Secinājums
Šajā rakstā mēs mēģinājām atbildēt uz jautājumu par to, kas bioloģijā ir nitrificējošās baktērijas. Kā redzat, neskatoties uz neapgāžamiem pierādījumiem par šo mikroorganismu dzīvības aktivitāti, darbību un ietekmi, joprojām ir daudz strīdīgu jautājumu, kas prasa turpmāku eksperimentālu izpēti.
Nitrificējošās baktērijas tiek klasificētas kā ķīmijtrofas. Par enerģijas avotu tiem kalpo dažādi minerāli. Neskatoties uz to mikroskopisko izmēru, šiem dzīviem organismiem ir milzīga ietekme uz apkārtējo pasauli.
Kā jūs zināt, ķīmijtrofi nevar absorbēt organiskos savienojumus, kas atrodas substrātā (augsnē vai ūdenī). Gluži pretēji, tie ražo celtniecības materiālu dzīvas un funkcionējošas šūnas izveidei.
