Ανάλογα με το είδος της διατροφής, όλοι οι γνωστοί ζωντανοί οργανισμοί χωρίζονται σε δύο μεγάλους τύπους: ετερό- και αυτότροφους. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των τελευταίων είναι η ικανότητά τους να δημιουργούν ανεξάρτητα νέα στοιχεία από διοξείδιο του άνθρακα και άλλες ανόργανες ουσίες.
Οι πηγές ενέργειας που υποστηρίζουν τη ζωτική τους δραστηριότητα καθορίζουν τη διαίρεση τους σε φωτοάφτοτροφα (η πηγή είναι το φως) και χημειοαυτοτροφικά (η πηγή είναι τα ορυκτά). Και ανάλογα με την ονομασία του υποστρώματος που οξειδώνεται από τα χημειοαυθορθόφυτα, χωρίζονται σε βακτήρια υδρογόνου και νιτροποίησης, καθώς και σε βακτήρια θείου και σιδήρου.
Αυτό το άρθρο θα αφιερωθεί στην πιο κοινή ομάδα μεταξύ τους - τα νιτροποιητικά βακτήρια.
Ιστορικό ανακάλυψης
Ακόμη και στα μέσα του 19ου αιώνα, Γερμανοί επιστήμονες απέδειξαν ότι η διαδικασία της νιτροποίησης είναι βιολογική. Εμπειρικά, έδειξαν ότι όταν προστέθηκε χλωροφόρμιο στα λύματα, η οξείδωση της αμμωνίας σταμάτησε. Αλλά για να εξηγήσουν γιατί συμβαίνει αυτό, δεν το κάνουνθα μπορούσε.
Αυτό έγινε λίγα χρόνια αργότερα από τον Ρώσο επιστήμονα Vinogradsky. Αναγνώρισε δύο ομάδες βακτηρίων που σταδιακά συμμετείχαν στη διαδικασία νιτροποίησης. Έτσι, η μία ομάδα εξασφάλιζε την οξείδωση του αμμωνίου σε νιτρώδες οξύ και η δεύτερη ομάδα βακτηρίων ήταν υπεύθυνη για τη μετατροπή του σε νιτρικό οξύ. Όλα τα νιτροποιητικά βακτήρια που εμπλέκονται σε αυτή τη διαδικασία είναι Gram-αρνητικά.
Χαρακτηριστικά της διαδικασίας οξείδωσης
Η διαδικασία σχηματισμού νιτρωδών αλάτων με οξείδωση αμμωνίου έχει πολλά στάδια, κατά τα οποία σχηματίζονται ενώσεις που περιέχουν άζωτο με διαφορετικούς βαθμούς οξείδωσης της ομάδας NH.
Το πρώτο προϊόν της οξείδωσης του αμμωνίου είναι η υδροξυλαμίνη. Πιθανότατα, σχηματίζεται λόγω της συμπερίληψης του μοριακού οξυγόνου στην ομάδα NH4, αν και αυτή η διαδικασία δεν έχει αποδειχθεί τελικά και παραμένει συζητήσιμη.
Στη συνέχεια, η υδροξυλαμίνη μετατρέπεται σε νιτρώδες. Πιθανώς, η διαδικασία πραγματοποιείται μέσω του σχηματισμού ΝΟΗ (υπονιτρίτη) με την απελευθέρωση οξειδίου του αζώτου. Σε αυτή την περίπτωση, οι επιστήμονες θεωρούν ότι η παραγωγή οξειδίου του αζώτου είναι απλώς ένα υποπροϊόν της σύνθεσης, λόγω της μείωσης των νιτρωδών.
Εκτός από την παραγωγή χημικών στοιχείων, απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας κατά την απονιτροποίηση. Παρόμοια με ό,τι συμβαίνει στους ετερότροφους αερόβιους οργανισμούς, σε αυτή την περίπτωση η σύνθεση των μορίων ATP συνδέεται με διεργασίες οξειδοαναγωγής, ως αποτέλεσμα των οποίων τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο οξυγόνο.
Όταν τα νιτρώδη οξειδώνονται, η διαδικασία της αντίστροφης μεταφοράς παίζει σημαντικό ρόλοηλεκτρόνια. Η συμπερίληψη των ηλεκτρονίων του στην αλυσίδα συμβαίνει απευθείας στα κυτοχρώματα (τύπου C και/ή τύπου Α), και αυτό απαιτεί αρκετά μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Ως αποτέλεσμα, τα χημειοαυτοτροφικά νιτροποιητικά βακτήρια εφοδιάζονται πλήρως με το απαραίτητο ενεργειακό απόθεμα, το οποίο χρησιμοποιείται για τις διαδικασίες δόμησης και αφομοίωσης του διοξειδίου του άνθρακα.
Τύποι νιτροποιητικών βακτηρίων
Τέσσερα γένη νιτροβακτηρίων συμμετέχουν στην πρώτη φάση της νιτροποίησης:
- nitrosomonas;
- νιτροκύστη;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Με την ευκαιρία, μπορείτε να δείτε νιτροποιητικά βακτήρια στην προτεινόμενη εικόνα (φωτογραφία σε μικροσκόπιο).
Πειραματικά, ανάμεσά τους είναι αρκετά δύσκολο και συχνά εντελώς αδύνατο να ξεχωρίσουμε έναν από τους πολιτισμούς, επομένως η εξέτασή τους είναι κυρίως πολύπλοκη. Όλοι οι αναφερόμενοι μικροοργανισμοί έχουν μέγεθος έως 2-2,5 μικρά και έχουν κυρίως ωοειδές ή στρογγυλό σχήμα (με εξαίρεση τις νιτροσπείρες που έχουν τη μορφή ραβδιού). Είναι ικανά για δυαδική σχάση και κατευθυνόμενη κίνηση λόγω μαστιγίων.
Λαμβάνει μέρος η δεύτερη φάση της νιτροποίησης:
- γένος Nitrobacter;
- τύπος νιτροσπίνης;
- nitrococus.
Το πιο μελετημένο στέλεχος βακτηρίων του γένους Nitrbacter, που πήρε το όνομά του από τον ανακάλυψε του Vinogradsky. Αυτά τα νιτροποιητικά βακτήρια έχουν κύτταρα σε σχήμα αχλαδιού, που πολλαπλασιάζονται με εκβλάστηση, με το σχηματισμό ενός κινητού (λόγω του μαστιγίου) θυγατρικού κυττάρου.
Δομή των βακτηρίων
Τα νιτροποιητικά βακτήρια που μελετήθηκαν έχουν παρόμοια κυτταρική δομή με άλλους gram-αρνητικούς μικροοργανισμούς. Ορισμένα από αυτά έχουν ένα αρκετά ανεπτυγμένο σύστημα εσωτερικών μεμβρανών που σχηματίζουν μια στοίβα στο κέντρο του κελιού, ενώ σε άλλα βρίσκονται περισσότερο στην περιφέρεια ή σχηματίζουν μια δομή με τη μορφή κυπέλλου, που αποτελείται από πολλά φύλλα. Προφανώς, με αυτούς τους σχηματισμούς συνδέονται τα ένζυμα που εμπλέκονται στη διαδικασία οξείδωσης συγκεκριμένων υποστρωμάτων από νιτροποιητές.
Τύπος τροφής με νιτροποιητικά βακτήρια
Τα νιτροβακτήρια είναι υποχρεωτικά αυτότροφα, καθώς δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν εξωγενείς οργανικές ουσίες. Ωστόσο, έχει αποδειχθεί πειραματικά η ικανότητα ορισμένων στελεχών νιτροποιητικών βακτηρίων να χρησιμοποιούν ορισμένες οργανικές ενώσεις.
Βρέθηκε ότι το υπόστρωμα που περιέχει αυτολύματα ζύμης, σερίνη και γλουταμικό σε χαμηλές συγκεντρώσεις, διεγείρει την ανάπτυξη νιτροβακτηρίων. Αυτό συμβαίνει τόσο με την παρουσία νιτρωδών όσο και με την απουσία τους στο θρεπτικό μέσο, αν και η διαδικασία είναι πολύ πιο αργή. Αντίθετα, παρουσία νιτρωδών αλάτων, η οξείδωση του οξικού άλατος καταστέλλεται, αλλά η ενσωμάτωση του άνθρακα του σε πρωτεΐνη, διάφορα αμινοξέα και άλλα κυτταρικά συστατικά αυξάνεται σημαντικά.
Ως αποτέλεσμα πολλαπλών πειραμάτων, λήφθηκαν δεδομένα ότι τα νιτροποιητικά βακτήρια μπορούν ακόμα να στραφούν σε ετερότροφη διατροφή, αλλά το πόσο παραγωγικά και για πόσο καιρό μπορούν να υπάρχουν σε τέτοιες συνθήκες μένει να φανεί. Αρκεί να επαρκούν τα δεδομέναασυνεπής για την εξαγωγή οριστικών συμπερασμάτων σχετικά με αυτό το θέμα.
Οικότοπος και σημασία των νιτροποιητικών βακτηρίων
Νιτροποιητικά βακτήρια είναι χημειοαυτοτροφικά και είναι ευρέως διαδεδομένα στη φύση. Βρίσκονται παντού: στο έδαφος, διάφορα υποστρώματα, καθώς και υδάτινα σώματα. Η διαδικασία της ζωτικής τους δραστηριότητας συνεισφέρει σημαντικά στον συνολικό κύκλο του αζώτου στη φύση και μάλιστα μπορεί να φτάσει σε τεράστιες διαστάσεις.
Για παράδειγμα, ένας τέτοιος μικροοργανισμός όπως ο nitrocystis oceanus, που απομονώθηκε από τον Ατλαντικό Ωκεανό, ανήκει σε υποχρεωτικά αλόφιλα. Μπορεί να υπάρχει μόνο σε θαλασσινό νερό ή σε υποστρώματα που το περιέχουν. Για τέτοιους μικροοργανισμούς, δεν είναι μόνο σημαντικό το ενδιαίτημα, αλλά και σταθερές όπως το pH και η θερμοκρασία.
Όλα τα γνωστά νιτροποιητικά βακτήρια ταξινομούνται ως υποχρεωτικά αερόβια. Χρειάζονται οξυγόνο για να οξειδώσουν το αμμώνιο σε νιτρώδες οξύ και το νιτρώδες οξύ σε νιτρικό οξύ.
Συνθήκες οικοτόπων
Ένα άλλο σημαντικό σημείο που εντόπισαν οι επιστήμονες είναι ότι το μέρος όπου ζουν τα νιτροποιητικά βακτήρια δεν πρέπει να περιέχει οργανική ύλη. Προβλήθηκε η θεωρία ότι αυτοί οι μικροοργανισμοί, καταρχήν, δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν οργανικές ενώσεις από το εξωτερικό. Έχουν ονομαστεί ακόμη και υποχρεωτικά αυτότροφα.
Στη συνέχεια, η επιβλαβής επίδραση της γλυκόζης, της ουρίας, της πεπτόνης, της γλυκερίνης και άλλων οργανικών ουσιών στα νιτροποιητικά βακτήρια αποδείχθηκε επανειλημμένα, αλλά τα πειράματα δεν σταματούν.
Η σημασία της νιτροποίησης των βακτηρίων γιαχώμα
Μέχρι πρόσφατα, πιστευόταν ότι οι νιτροποιητές έχουν ευεργετική επίδραση στο έδαφος, αυξάνοντας τη γονιμότητά του με τη διάσπαση του αμμωνίου σε νιτρικά άλατα. Τα τελευταία όχι μόνο απορροφώνται καλά από τα φυτά, αλλά και από μόνα τους αυξάνουν τη διαλυτότητα ορισμένων μετάλλων.
Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια, οι επιστημονικές απόψεις έχουν αλλάξει. Αποκαλύφθηκε η αρνητική επίδραση των περιγραφόμενων μικροοργανισμών στη γονιμότητα του εδάφους. Η νιτροποίηση των βακτηρίων, ο σχηματισμός νιτρικών αλάτων, οξινίζει το περιβάλλον, κάτι που δεν είναι πάντα θετικό, και επίσης προκαλεί τον κορεσμό του εδάφους με ιόντα αμμωνίου σε μεγαλύτερο βαθμό από τα νιτρικά. Επιπλέον, τα νιτρικά άλατα έχουν την ικανότητα να μειώνονται σε N2 (κατά την απονιτροποίηση), γεγονός που με τη σειρά του οδηγεί σε εξάντληση του αζώτου του εδάφους.
Ποιος είναι ο κίνδυνος της νιτροποίησης των βακτηρίων;
Ορισμένα στελέχη νιτροβακτηρίων παρουσία οργανικού υποστρώματος μπορούν να οξειδώσουν το αμμώνιο, σχηματίζοντας υδροξυλαμίνη και στη συνέχεια νιτρώδη και νιτρικά άλατα. Επίσης, ως αποτέλεσμα τέτοιων αντιδράσεων, μπορεί να εμφανιστούν υδροξαμικά οξέα. Επιπλέον, ορισμένα βακτήρια πραγματοποιούν τη διαδικασία νιτροποίησης διαφόρων ενώσεων που περιέχουν άζωτο (οξίμες, αμίνες, αμίδια, υδροξαμικά και άλλες νιτροενώσεις).
Η κλίμακα της ετερότροφης νιτροποίησης υπό ορισμένες συνθήκες μπορεί να είναι όχι μόνο τεράστια, αλλά και πολύ επιζήμια. Ο κίνδυνος έγκειται στο γεγονός ότι κατά τη διάρκεια τέτοιων μετασχηματισμών εμφανίζεται ο σχηματισμός τοξικών ουσιών, μεταλλαξιογόνων και καρκινογόνων. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες είναι στενάεργάζονται για τη μελέτη αυτού του θέματος.
Βιολογικό φίλτρο που είναι πάντα διαθέσιμο
Η νιτροποίηση των βακτηρίων δεν είναι μια αφηρημένη έννοια, αλλά μια πολύ κοινή μορφή ζωής. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται συχνά από τον άνθρωπο.
Για παράδειγμα, αυτά τα βακτήρια αποτελούν μέρος των βιολογικών φίλτρων για τα ενυδρεία. Αυτός ο τύπος καθαρισμού είναι λιγότερο δαπανηρός και όχι τόσο επίπονος όσο ο μηχανικός καθαρισμός, αλλά ταυτόχρονα απαιτεί συμμόρφωση με ορισμένες προϋποθέσεις προκειμένου να διασφαλιστεί η ανάπτυξη και η ζωτική δραστηριότητα των νιτροποιητικών βακτηρίων.
Το πιο ευνοϊκό για αυτούς μικροκλίμα είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος (σε αυτήν την περίπτωση το νερό) της τάξης των 25-26 βαθμών Κελσίου, η συνεχής παροχή οξυγόνου και η παρουσία υδρόβιων φυτών.
Νιτωτικά βακτήρια στη γεωργία
Για να αυξήσουν τις αποδόσεις, οι αγρότες χρησιμοποιούν διάφορα λιπάσματα που περιέχουν νιτροποιητικά βακτήρια.
Η διατροφή του εδάφους σε αυτή την περίπτωση παρέχεται από νιτροβακτήρια και αζωτοβακτήρια. Αυτά τα βακτήρια εξάγουν τις απαραίτητες ουσίες από το έδαφος και το νερό, οι οποίες σχηματίζουν μια αρκετά μεγάλη ποσότητα ενέργειας κατά τη διαδικασία οξείδωσης. Αυτή είναι η λεγόμενη διαδικασία χημειοσύνθεσης, όταν η ενέργεια που λαμβάνεται χρησιμοποιείται για να σχηματιστούν πολύπλοκα μόρια οργανικής προέλευσης από διοξείδιο του άνθρακα και νερό.
Αυτοί οι μικροοργανισμοί δεν απαιτούν θρεπτικά συστατικά από το περιβάλλον τους - μπορούν να τα παράγουν μόνοι τους. Έτσι, εάν τα πράσινα φυτά, τα οποία είναι επίσης αυτότροφα, χρειάζονταιηλιακό φως, τότε δεν είναι απαραίτητο για τη νιτροποίηση των βακτηρίων.
Αυτοκαθαριζόμενο χώμα
Το έδαφος είναι ιδανικό υπόστρωμα για την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή όχι μόνο φυτών, αλλά και πολλών ζωντανών οργανισμών. Επομένως, η κανονική του κατάσταση και η ισορροπημένη του σύνθεση είναι εξαιρετικά σημαντικά.
Θα πρέπει να θυμόμαστε ότι τα νιτροποιητικά βακτήρια παρέχουν επίσης βιολογικό καθαρισμό του εδάφους. Όντας στο έδαφος, τις δεξαμενές ή το χούμο, μετατρέπουν την αμμωνία, η οποία απελευθερώνεται από άλλους μικροοργανισμούς και απόβλητα οργανικά υλικά, σε νιτρικά (για την ακρίβεια, σε άλατα νιτρικού οξέος). Η όλη διαδικασία αποτελείται από δύο βήματα:
- Οξείδωση αμμωνίας σε νιτρώδη.
- Οξείδωση νιτρωδών σε νιτρικά.
Ταυτόχρονα, κάθε στάδιο παρέχεται από ξεχωριστούς τύπους μικροοργανισμών.
Ο λεγόμενος φαύλος κύκλος
Η κυκλοφορία της ενέργειας και η διατήρηση της ζωής στη Γη είναι δυνατή λόγω της τήρησης ορισμένων νόμων της ύπαρξης όλων των ζωντανών όντων. Με την πρώτη ματιά, είναι δύσκολο να καταλάβει κανείς τι διακυβεύεται, αλλά στην πραγματικότητα όλα είναι αρκετά απλά.
Ας φανταστούμε την παρακάτω εικόνα από ένα σχολικό εγχειρίδιο:
- Οι ανόργανες ουσίες επεξεργάζονται από μικροοργανισμούς και έτσι δημιουργούν ευνοϊκές συνθήκες στο έδαφος για την ανάπτυξη και τη διατροφή των φυτών.
- Αποτελούν, με τη σειρά τους, μια απαραίτητη πηγή ενέργειας για τα περισσότερα φυτοφάγα.
- Η επόμενη αλυσίδα αυτού του κρίκου ζωής είναι τα αρπακτικά, η ενέργεια για τα οποία είναι,αντίστοιχα, τα φυτοφάγα αντίστοιχά τους.
- Οι άνθρωποι είναι γνωστό ότι είναι αρπακτικά της κορυφής, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούμε να πάρουμε ενέργεια τόσο από τον κόσμο των φυτών όσο και από τον κόσμο των ζώων.
- Και ήδη έχει απομείνει η ίδια μας η ζωή, καθώς και αυτά τα ίδια τα φυτά και τα ζώα, χρησιμεύουν ως θρεπτικό υπόστρωμα για τους μικροοργανισμούς.
Έτσι, δημιουργείται ένας φαύλος κύκλος, ο οποίος λειτουργεί συνεχώς και παρέχει ζωή σε όλη τη ζωή στη Γη. Γνωρίζοντας αυτές τις αρχές, δεν είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πόσο πολύπλευρη και πραγματικά απεριόριστη είναι η δύναμη της φύσης και όλων των ζωντανών όντων.
Συμπέρασμα
Σε αυτό το άρθρο, προσπαθήσαμε να απαντήσουμε στο ερώτημα τι είναι τα νιτροποιητικά βακτήρια στη βιολογία. Όπως μπορείτε να δείτε, παρά τα αδιαμφισβήτητα στοιχεία της ζωτικής δραστηριότητας, της λειτουργίας και της επιρροής αυτών των μικροοργανισμών, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά αμφιλεγόμενα ζητήματα που απαιτούν περαιτέρω πειραματική έρευνα.
Τα νιτροποιητικά βακτήρια ταξινομούνται ως χημειοτροφικά. Διάφορα ορυκτά χρησιμεύουν ως πηγή ενέργειας για αυτούς. Παρά το μικροσκοπικό τους μέγεθος, αυτοί οι ζωντανοί οργανισμοί έχουν τεράστιο αντίκτυπο στον κόσμο γύρω τους.
Όπως γνωρίζετε, τα χημειοτροφικά δεν μπορούν να απορροφήσουν οργανικές ενώσεις που βρίσκονται στο υπόστρωμα (έδαφος ή νερό). Αντίθετα, παράγουν το δομικό υλικό για τη δημιουργία ενός ζωντανού και λειτουργικού κυττάρου.
