Ravintotyypin mukaan kaikki tunnetut elävät organismit jaetaan kahteen suureen tyyppiin: hetero- ja autotrofeihin. Jälkimmäisten erottuva piirre on niiden kyky rakentaa itsenäisesti uusia alkuaineita hiilidioksidista ja muista epäorgaanisista aineista.
Heidän elintärkeää toimintaa tukevat energialähteet määräävät niiden jakautumisen fotoaftotrofeihin (lähde on valo) ja kemoautotrofeihin (lähde on mineraalit). Ja riippuen kemoauthortofyyttien hapettaman substraatin nimestä, ne jaetaan vety- ja nitrifioiviin bakteereihin sekä rikki- ja rautabakteereihin.
Tämä artikkeli on omistettu yleisimmälle ryhmälle - nitrifioiville bakteereille.
Löytöhistoria
Jopa 1800-luvun puolivälissä saksalaiset tiedemiehet osoittivat, että nitrifikaatioprosessi on biologinen. Empiirisesti he osoittivat, että kun kloroformia lisättiin viemäriveteen, ammoniakin hapettuminen pysähtyi. Mutta selittääkseen miksi näin tapahtuu, he eivät sitä teevoisi.
Venäläinen tiedemies Vinogradsky teki tämän muutamaa vuotta myöhemmin. Hän tunnisti kaksi bakteeriryhmää, jotka vähitellen osallistuivat nitrifikaatioprosessiin. Siten yksi ryhmä varmisti ammoniumin hapettumisen typpihapoksi ja toinen ryhmä bakteerit olivat vastuussa sen muuttumisesta typpihapoksi. Kaikki tähän prosessiin osallistuvat nitrifioivat bakteerit ovat gramnegatiivisia.
Hapetusprosessin ominaisuudet
Nitriitin muodostumisprosessissa ammoniumin hapetuksella on useita vaiheita, joiden aikana muodostuu typpeä sisältäviä yhdisteitä, joiden NH-ryhmän hapetusaste vaihtelee.
Ensimmäinen ammoniumin hapettumistuote on hydroksyyliamiini. Todennäköisimmin se muodostuu molekyylihapen sisällyttämisestä NH4-ryhmään, vaikka tätä prosessia ei ole lopullisesti todistettu ja se on edelleen kiistanalainen.
Seuraavaksi hydroksyyliamiini muunnetaan nitriitiksi. Oletettavasti prosessi suoritetaan muodostamalla NOH (hyponitrite) vapauttamalla typpioksiduulia. Tässä tapauksessa tutkijat pitävät dityppioksidin tuotantoa vain synteesin sivutuotteena nitriitin pelkistymisen vuoksi.
Kemiallisten alkuaineiden tuotannon lisäksi denitrifikaatiossa vapautuu suuri määrä energiaa. Samoin kuin heterotrofisissa aerobisissa organismeissa, tässä tapauksessa ATP-molekyylien synteesi liittyy redox-prosesseihin, joiden seurauksena elektronit siirtyvät hapeksi.
Kun nitriitti hapettuu, käänteiskuljetusprosessilla on tärkeä roolielektroneja. Sen elektronien sisällyttäminen ketjuun tapahtuu suoraan sytokromeissa (C-tyyppi ja / tai A-tyyppi), ja tämä vaatii melko paljon energiaa. Tämän seurauksena kemoautotrofiset nitrifioivat bakteerit saavat täysin tarvittavan energiavarannon, jota käytetään hiilidioksidin rakentamiseen ja assimilointiin.
Nitrifioivien bakteerien tyypit
Neljä nitrobakteerisukua osallistuu nitrifikaation ensimmäiseen vaiheeseen:
- nitrosomonas;
- nitrokystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Muuten, ehdotetussa kuvassa (kuva mikroskoopilla) näkyy nitrifioivia bakteereita.
Kokeellisesti niiden joukosta on melko vaikeaa ja usein täysin mahdotonta erottaa yksi kulttuureista, joten niiden tarkastelu on pääosin monimutkaista. Kaikki luetellut mikro-organismit ovat kooltaan jopa 2-2,5 mikronia ja muodoltaan pääasiassa soikeita tai pyöreitä (poikkeuksena nitrospira, joka on tikun muotoinen). Ne pystyvät binäärifissioon ja suunnattuun liikkeeseen siiman takia.
Nitrifikaation toinen vaihe osallistuu:
- Nitrobacter-suku;
- nitrospin-tyyppi;
- nitrokokki.
Nitrbacter-suvun tutkituin bakteerikanta, joka on nimetty löytäjän Vinogradskyn mukaan. Näillä nitrifioivilla bakteereilla on päärynän muotoisia soluja, jotka lisääntyvät orastumalla, jolloin muodostuu liikkuva (siimasolun takia) tytärsolu.
Bakteereiden rakenne
Tutkituilla nitrifioivilla bakteereilla on samanlainen solurakenne kuin muilla gramnegatiivisilla mikro-organismeilla. Joissakin niistä on melko kehittynyt sisäkalvojärjestelmä, joka muodostaa pinon solun keskelle, kun taas toisissa ne sijaitsevat enemmän reunalla tai muodostavat kupin muotoisen rakenteen, joka koostuu useista lehdistä. Ilmeisesti juuri näihin muodostumiin liittyy entsyymejä, jotka osallistuvat tiettyjen substraattien hapetusprosessiin nitrifioijilla.
Nitrifioivien bakteerien ruokatyyppi
Nitrobakteerit ovat pakollisia autotrofeja, koska ne eivät pysty käyttämään eksogeenisiä orgaanisia aineita. Joidenkin nitrifioivien bakteerikantojen kyky käyttää orgaanisia yhdisteitä on kuitenkin kokeellisesti osoitettu.
Todettiin, että substraatti, joka sisälsi hiivan autolysaatteja, seriiniä ja glutamaattia pieninä pitoisuuksina, stimuloi nitrobakteerien kasvua. Tämä tapahtuu sekä nitriitin läsnä ollessa että sen puuttuessa ravinneväliaineessa, vaikka prosessi on paljon hitaampi. Päinvastoin, nitriitin läsnä ollessa asetaatin hapettuminen estyy, mutta sen hiilen sitoutuminen proteiineihin, erilaisiin aminohappoihin ja muihin solukomponentteihin lisääntyy merkittävästi.
Useiden kokeiden tuloksena saatiin tietoa, että nitrifioivat bakteerit voivat edelleen siirtyä heterotrofiseen ravintoon, mutta kuinka tuottavasti ja kuinka kauan ne voivat elää tällaisissa olosuhteissa, jää nähtäväksi. Kunhan dataa riittääepäjohdonmukaista tehdä lopullisia johtopäätöksiä tästä asiasta.
Nitrifikaatiobakteerien elinympäristö ja merkitys
Nitrifioivat bakteerit ovat kemoautotrofeja ja ovat laajalle levinneitä luonnossa. Niitä löytyy kaikki alta: maaperästä, erilaisista substraateista sekä vesistöistä. Niiden elintärkeän toiminnan prosessi myötävaikuttaa suuresti typen kokonaiskiertoon luonnossa ja voi itse asiassa saavuttaa v altavat mittasuhteet.
Esimerkiksi sellainen mikro-organismi, kuten nitrocystis oceanus, joka on eristetty Atlantin v altamerestä, kuuluu pakollisiin halofiileihin. Se voi esiintyä vain merivedessä tai sitä sisältävissä substraateissa. Tällaisille mikro-organismeille ei vain elinympäristö ole tärkeä, vaan myös vakiot, kuten pH ja lämpötila.
Kaikki tunnetut nitrifioivat bakteerit luokitellaan pakollisiksi aerobeiksi. Ne tarvitsevat happea ammoniumin hapettamiseksi typpihapoksi ja typpihapon typpihapoksi.
Elinympäristöolosuhteet
Toinen tärkeä seikka, jonka tutkijat ovat havainneet, on, että nitrifioivien bakteerien elinpaikka ei saa sisältää orgaanista ainetta. Esitettiin teoria, jonka mukaan nämä mikro-organismit eivät periaatteessa voi käyttää orgaanisia yhdisteitä ulkopuolelta. Niitä on jopa kutsuttu pakollisiksi autotrofeiksi.
Myöhemmin glukoosin, urean, peptonin, glyseriinin ja muiden orgaanisten aineiden haitallinen vaikutus nitrifioiviin bakteereihin osoitettiin toistuvasti, mutta kokeet eivät lopu.
Nitrifioivien bakteerien merkitysmaaperä
Viime aikoihin asti uskottiin, että nitrifiointiaineilla on myönteinen vaikutus maaperään, mikä lisää sen hedelmällisyyttä hajottamalla ammoniumin nitraateiksi. Viimeksi mainitut eivät vain imeydy hyvin kasveihin, vaan ne myös itsessään lisäävät tiettyjen mineraalien liukoisuutta.
Tieteelliset näkemykset ovat kuitenkin muuttuneet viime vuosina. Kuvattujen mikro-organismien negatiivinen vaikutus maaperän hedelmällisyyteen paljastui. Nitrifioivat bakteerit, jotka muodostavat nitraatteja, happamoivat ympäristöä, mikä ei aina ole positiivista, ja provosoivat myös maaperän kyllästymistä ammoniumioneilla enemmän kuin nitraatit. Lisäksi nitraatit voivat vähentyä N2 (denitrifikaation aikana), mikä puolestaan johtaa maaperän typen vähenemiseen.
Mikä on nitrifioivien bakteerien vaara?
Jotkin nitrobakteerikannat voivat orgaanisen substraatin läsnä ollessa hapettaa ammoniumia muodostaen hydroksyyliamiinia ja sen jälkeen nitriittejä ja nitraatteja. Tällaisten reaktioiden seurauksena voi myös esiintyä hydroksaamihappoja. Lisäksi useat bakteerit suorittavat erilaisten typpeä sisältävien yhdisteiden (oksiimit, amiinit, amidit, hydroksamaatit ja muut nitroyhdisteet) nitrifikaatioprosessin.
Heterotrofisen nitrifikaation laajuus tietyissä olosuhteissa voi olla paitsi v altava, myös erittäin haitallinen. Vaara piilee siinä, että tällaisten muutosten aikana muodostuu myrkyllisiä aineita, mutageeneja ja karsinogeeneja. Siksi tutkijat ovat tiiviistitutkivat tätä aihetta.
Biologinen suodatin, joka on aina käsillä
Nitrifioivat bakteerit eivät ole abstrakti käsite, vaan hyvin yleinen elämänmuoto. Lisäksi ihmiset käyttävät niitä usein.
Esimerkiksi nämä bakteerit ovat osa akvaarioiden biologisia suodattimia. Tämäntyyppinen puhdistus on halvempaa eikä niin työlästä kuin mekaaninen puhdistus, mutta samalla se vaatii tiettyjen ehtojen noudattamista nitrifioivien bakteerien kasvun ja elintärkeän toiminnan varmistamiseksi.
Suotuisin mikroilmasto heille on ympäristön lämpötila (tässä tapauksessa vesi) luokkaa 25-26 celsiusastetta, jatkuva hapen saanti ja vesikasvien läsnäolo.
Nitrifioivat bakteerit maataloudessa
Sadon lisäämiseksi viljelijät käyttävät erilaisia nitrifioivia bakteereja sisältäviä lannoitteita.
Maaperän ravintoa tässä tapauksessa tarjoavat nitrobakteerit ja atsotobakteerit. Nämä bakteerit erottavat maaperästä ja vedestä tarvittavat aineet, jotka muodostavat riittävän suuren määrän energiaa hapetusprosessin aikana. Tämä on niin sanottu kemosynteesiprosessi, jossa saatu energia käytetään monimutkaisten orgaanista alkuperää olevien molekyylien muodostamiseen hiilidioksidista ja vedestä.
Nämä mikro-organismit eivät vaadi ravinteita ympäristöstään - ne voivat tuottaa niitä itse. Joten jos vihreät kasvit, jotka ovat myös autotrofeja, tarvitsevatauringonvaloa, silloin sitä ei tarvita nitrifioiville bakteereille.
Itsestään puhdistuva maa
Maaperä on ihanteellinen kasvualusta paitsi kasvien, myös monien elävien organismien kasvulle ja lisääntymiselle. Siksi sen normaali kunto ja tasapainoinen koostumus ovat erittäin tärkeitä.
Tulee muistaa, että nitrifioivat bakteerit puhdistavat myös maaperää biologisesti. Ne, jotka ovat maaperässä, säiliöissä tai humuksessa, muuttavat muiden mikro-organismien ja orgaanisten jätteiden vapauttamaa ammoniakkia nitraateiksi (tarkemmin sanottuna typpihapon suoloiksi). Koko prosessi koostuu kahdesta vaiheesta:
- Ammoniakin hapettuminen nitriitiksi.
- Nitriitin hapettuminen nitraatiksi.
Samaan aikaan kunkin vaiheen tarjoavat erityyppiset mikro-organismit.
Nin sanottu noidankehä
Energian kierto ja elämän ylläpitäminen maan päällä on mahdollista kaikkien elävien olemassaoloa koskevien tiettyjen lakien noudattamisen ansiosta. Ensi silmäyksellä on vaikea ymmärtää, mistä on kysymys, mutta itse asiassa kaikki on melko yksinkertaista.
Kuvitellaan seuraavaa kuvaa koulun oppikirjasta:
- Mikro-organismit prosessoivat epäorgaanisia aineita ja luovat siten maaperään suotuisat olosuhteet kasvien kasvulle ja ravinnoksi.
- Ne puolestaan ovat korvaamaton energianlähde useimmille kasvinsyöjille.
- Tämän elämänlinkin seuraava ketju ovat saalistajat, joiden energia onvastaavasti heidän kasvissyöjänsä.
- Ihmisten tiedetään olevan huippupetoeläimiä, mikä tarkoittaa, että voimme saada energiaa sekä kasvi- että eläinmaailmasta.
- Ja jo omat elämämme jäännökset, samoin kuin juuri ne kasvit ja eläimet, toimivat ravintoalustana mikro-organismeille.
Näin syntyy noidankehä, joka toimii jatkuvasti ja tarjoaa elämää kaikelle elämälle maan päällä. Nämä periaatteet tuntemalla ei ole vaikea kuvitella, kuinka monipuolinen ja todellisuudessa rajaton luonnon ja kaiken elävän voima on.
Johtopäätös
Tässä artikkelissa yritimme vastata kysymykseen siitä, mitä nitrifioivat bakteerit ovat biologiassa. Kuten näette, huolimatta näiden mikro-organismien elintärkeästä toiminnasta, toiminnasta ja vaikutuksesta kiistattomista todisteista huolimatta, on edelleen monia kiistanalaisia kysymyksiä, jotka vaativat lisää kokeellista tutkimusta.
Nitrifioivat bakteerit luokitellaan kemotrofeiksi. Erilaiset mineraalit toimivat heille energianlähteenä. Mikroskooppisesta koostaan huolimatta näillä elävillä organismeilla on v altava vaikutus ympäröivään maailmaan.
Kuten tiedät, kemotrofit eivät pysty absorboimaan substraatissa (maaperässä tai vedessä) olevia orgaanisia yhdisteitä. Päinvastoin, ne tuottavat rakennusmateriaalia elävän ja toimivan solun luomiseksi.
