Prema vrsti ishrane, svi poznati živi organizmi se dele na dva velika tipa: hetero- i autotrofe. Posebnost ovih potonjih je njihova sposobnost da samostalno grade nove elemente od ugljičnog dioksida i drugih anorganskih supstanci.
Izvori energije koji podržavaju njihovu vitalnu aktivnost određuju njihovu podelu na fotoaftotrofe (izvor je svjetlost) i kemoautotrofe (izvor su minerali). A ovisno o nazivu supstrata koji oksidiraju hemoautofitofiti, dijele se na vodikove i nitrifikacijske bakterije, kao i na bakterije sumpora i željeza.
Ovaj članak će biti posvećen najčešćoj grupi među njima - nitrifikujućim bakterijama.
Historija otkrića
Još sredinom 19. veka, nemački naučnici su dokazali da je proces nitrifikacije biološki. Empirijski su pokazali da je oksidacija amonijaka prestala kada je kloroform dodat u otpadnu vodu. Ali ne objašnjavaju zašto se to događamogao.
Ovo je nekoliko godina kasnije uradio ruski naučnik Vinogradsky. Identificirao je dvije grupe bakterija koje su postepeno učestvovale u procesu nitrifikacije. Tako je jedna grupa osiguravala oksidaciju amonijaka u dušičnu kiselinu, a druga grupa bakterija bila je odgovorna za njegovu konverziju u dušičnu kiselinu. Sve nitrificirajuće bakterije uključene u ovaj proces su gram-negativne.
Karakteristike procesa oksidacije
Proces stvaranja nitrita oksidacijom amonijuma ima nekoliko faza, tokom kojih nastaju jedinjenja koja sadrže azot sa različitim stepenom oksidacije NH grupe.
Prvi proizvod oksidacije amonijaka je hidroksilamin. Najvjerovatnije je nastao zbog uključivanja molekularnog kisika u NH4 grupu, iako ovaj proces nije konačno dokazan i ostaje diskutabilan.
Dalje, hidroksilamin se pretvara u nitrit. Pretpostavlja se da se proces odvija kroz stvaranje NOH (hiponitrit) uz oslobađanje dušikovog oksida. U ovom slučaju, naučnici smatraju da je proizvodnja dušikovog oksida samo nusproizvod sinteze, zbog smanjenja nitrita.
Pored proizvodnje hemijskih elemenata, tokom denitrifikacije se oslobađa velika količina energije. Slično onome što se dešava u heterotrofnim aerobnim organizmima, u ovom slučaju sinteza ATP molekula je povezana sa redoks procesima, usled kojih se elektroni prenose na kiseonik.
Kada se nitrit oksidira, proces obrnutog transporta igra važnu uloguelektrona. Uključivanje njegovih elektrona u lanac događa se direktno u citohromima (C-tip i/ili A-tip), a to zahtijeva prilično veliku količinu energije. Kao rezultat toga, kemoautotrofne nitrificirajuće bakterije su u potpunosti opskrbljene potrebnom rezervom energije, koja se koristi za procese izgradnje i asimilacije ugljičnog dioksida.
Vrste nitrifikujućih bakterija
Četiri roda nitrobakterija učestvuju u prvoj fazi nitrifikacije:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Usput, na predloženoj slici (fotografija pod mikroskopom) možete vidjeti nitrifikujuće bakterije.
Eksperimentalno, među njima je prilično teško, a često i potpuno nemoguće izdvojiti jednu od kultura, pa je njihovo razmatranje pretežno složeno. Svi navedeni mikroorganizmi su veličine do 2-2,5 mikrona i pretežno su ovalnog ili okruglog oblika (osim nitrospira koje imaju oblik štapića). Sposobni su za binarnu fisiju i usmjereno kretanje zahvaljujući flagelama.
Učestvuje druga faza nitrifikacije:
- rod Nitrobacter;
- nitrospin tip;
- nitrococus.
Najviše proučavani soj bakterija iz roda Nitrbacter, nazvan po svom otkrivaču Vinogradskom. Ove nitrifikujuće bakterije imaju ćelije u obliku kruške, koje se razmnožavaju pupoljkom, sa formiranjem mobilne (zbog flagelluma) ćerke ćelije.
Struktura bakterija
Proučavane nitrificirajuće bakterije imaju sličnu ćelijsku strukturu kao i drugi gram-negativni mikroorganizmi. Neki od njih imaju prilično razvijen sistem unutrašnjih membrana koje čine snop u središtu ćelije, dok su kod drugih smještene više na periferiji ili formiraju strukturu u obliku čašice, koja se sastoji od nekoliko listova. Očigledno, upravo s ovim formacijama su povezani enzimi koji su uključeni u proces oksidacije specifičnih supstrata nitrifikatorima.
vrsta hrane s nitrifikujućim bakterijama
Nitrobakterije su obavezni autotrofi, jer nisu u stanju da koriste egzogene organske supstance. Međutim, eksperimentalno je dokazana sposobnost nekih sojeva nitrifikujućih bakterija da koriste neka organska jedinjenja.
Ustanovljeno je da supstrat koji sadrži autolizate kvasca, serin i glutamat u niskim koncentracijama, stimuliše rast nitrobakterija. To se dešava i u prisustvu nitrita i u njegovom odsustvu u hranljivoj sredini, iako je proces mnogo sporiji. Suprotno tome, u prisustvu nitrita, oksidacija acetata je potisnuta, ali se značajno povećava ugradnja njegovog ugljika u proteine, različite aminokiseline i druge ćelijske komponente.
Kao rezultat više eksperimenata dobijeni su podaci da nitrifikujuće bakterije i dalje mogu preći na heterotrofnu ishranu, ali koliko produktivno i koliko dugo mogu postojati u takvim uslovima ostaje da se vidi. Sve dok su podaci dovoljninedosljedno donositi konačne zaključke o ovom pitanju.
Stanište i značaj nitrifikujućih bakterija
Nitrifikujuće bakterije su hemoautotrofi i široko su rasprostranjene u prirodi. Nalaze se posvuda: u tlu, raznim supstratima, kao i u vodenim tijelima. Proces njihove vitalne aktivnosti daje veliki doprinos ukupnom ciklusu azota u prirodi i zapravo može dostići ogromne razmjere.
Na primjer, takav mikroorganizam kao nitrocystis oceanus, izolovan iz Atlantskog okeana, pripada obaveznim halofilima. Može postojati samo u morskoj vodi ili supstratima koji ga sadrže. Za takve mikroorganizme nije važno samo stanište, već i konstante kao što su pH i temperatura.
Sve poznate nitrifikujuće bakterije su klasifikovane kao obavezni aerobni. Potreban im je kiseonik da oksidiraju amonijum u azotnu kiselinu i azotnu kiselinu u azotnu kiselinu.
Uslovi staništa
Još jedna važna tačka koju su naučnici identifikovali je da mesto gde žive nitrificirajuće bakterije ne bi trebalo da sadrži organsku materiju. Iznesena je teorija da ovi mikroorganizmi u principu ne mogu koristiti organska jedinjenja izvana. Zvali su ih čak i obavezni autotrofi.
Naknadno je više puta dokazan štetan učinak glukoze, uree, peptona, glicerina i drugih organskih tvari na nitrificirajuće bakterije, ali eksperimenti ne prestaju.
Važnost nitrificirajućih bakterija zatlo
Donedavno se vjerovalo da nitrifikatori blagotvorno djeluju na tlo, povećavajući njegovu plodnost razlažući amonijum do nitrata. Ove druge biljke ne samo da dobro apsorbuju, već i same po sebi povećavaju rastvorljivost određenih minerala.
Međutim, poslednjih godina naučni stavovi se menjaju. Otkriveno je negativno djelovanje opisanih mikroorganizama na plodnost tla. Nitrifikacijske bakterije, formirajući nitrate, zakiseljuju okoliš, što nije uvijek pozitivno, a u većoj mjeri izazivaju zasićenje tla amonijum jonima nego nitrati. Štaviše, nitrati imaju sposobnost da se redukuju na N2 (tokom denitrifikacije), što zauzvrat dovodi do iscrpljivanja tla dušikom.
Koja je opasnost od nitrifikujućih bakterija?
Neki sojevi nitrobakterija u prisustvu organskog supstrata mogu oksidirati amonijum, formirajući hidroksilamin, a potom nitrite i nitrate. Također, kao rezultat takvih reakcija može doći do hidroksaminske kiseline. Štaviše, brojne bakterije vrše proces nitrifikacije različitih spojeva koji sadrže dušik (oksimi, amini, amidi, hidroksamati i druga nitro jedinjenja).
Rasmjer heterotrofne nitrifikacije pod određenim uvjetima može biti ne samo ogroman, već i vrlo štetan. Opasnost leži u činjenici da u toku takvih transformacija dolazi do stvaranja otrovnih tvari, mutagena i kancerogena. Stoga su naučnici bliskirade na proučavanju ove teme.
Biološki filter koji je uvijek pri ruci
Nitrificirajuće bakterije nisu apstraktni koncept, već vrlo čest oblik života. Štaviše, ljudi ih često koriste.
Na primjer, ove bakterije su dio bioloških filtera za akvarijume. Ova vrsta čišćenja je jeftinija i nije tako naporna kao mehaničko čišćenje, ali istovremeno zahtijeva poštovanje određenih uslova kako bi se osigurao rast i vitalna aktivnost nitrificirajućih bakterija.
Najpovoljnija mikroklima za njih je temperatura okoline (u ovom slučaju vode) reda veličine 25-26 stepeni Celzijusa, konstantno snabdevanje kiseonikom i prisustvo vodenih biljaka.
Nitrificirajuće bakterije u poljoprivredi
Kako bi povećali prinose, poljoprivrednici koriste razna gnojiva koja sadrže nitrifikacijske bakterije.
Ihranu tla u ovom slučaju obezbeđuju nitrobakterije i azotobakterije. Ove bakterije izdvajaju potrebne tvari iz tla i vode, koje u procesu oksidacije stvaraju dovoljno veliku količinu energije. Ovo je takozvani proces kemosinteze, kada se primljena energija koristi za formiranje složenih molekula organskog porijekla iz ugljičnog dioksida i vode.
Ovi mikroorganizmi ne zahtijevaju hranjive tvari iz svog okruženja - mogu ih sami proizvesti. Dakle, ako zelene biljke, koje su i autotrofi, trebajusunčeva svjetlost, onda nije potrebna za nitrifikaciju bakterija.
Samočisteće tlo
Tlo je idealan supstrat za rast i reprodukciju ne samo biljaka, već i mnogih živih organizama. Stoga su njegovo normalno stanje i uravnotežen sastav izuzetno važni.
Treba imati na umu da nitrifikujuće bakterije obezbeđuju i biološko čišćenje tla. Oni, nalazeći se u tlu, rezervoarima ili humusu, pretvaraju amonijak, koji oslobađaju drugi mikroorganizmi i otpadni organski materijali, u nitrate (tačnije, u soli dušične kiseline). Cijeli proces se sastoji od dva koraka:
- Oksidacija amonijaka u nitrit.
- Oksidacija nitrita u nitrate.
U isto vrijeme, svaku fazu obezbjeđuju različite vrste mikroorganizama.
Takozvani začarani krug
Kruženje energije i održavanje života na Zemlji moguće je zahvaljujući poštovanju određenih zakona postojanja svih živih bića. Na prvi pogled, teško je shvatiti o čemu se radi, ali u stvari je sve prilično jednostavno.
Zamislimo sljedeću sliku iz školskog udžbenika:
- Anorganske materije prerađuju mikroorganizmi i tako stvaraju povoljne uslove u zemljištu za rast i ishranu biljaka.
- Oni su, zauzvrat, nezamjenjiv izvor energije za većinu biljojeda.
- Sljedeći lanac ove životne karike su grabežljivci, čija je energija,respektivno, njihove biljojedne kolege.
- Ljudi su poznati kao grabežljivci, što znači da možemo dobiti energiju i iz biljnog i iz životinjskog svijeta.
- A već naši vlastiti životni ostaci, kao i te same biljke i životinje, služe kao hranjivi supstrat za mikroorganizme.
Tako se dobija začarani krug, koji kontinuirano funkcioniše i obezbeđuje život celom životu na Zemlji. Poznavajući ove principe, nije teško zamisliti koliko je mnogostruka i zapravo neograničena moć prirode i svih živih bića.
Zaključak
U ovom članku pokušali smo odgovoriti na pitanje šta su nitrificirajuće bakterije u biologiji. Kao što vidite, uprkos nepobitnim dokazima o vitalnoj aktivnosti, funkcionisanju i uticaju ovih mikroorganizama, još uvek postoje mnoga kontroverzna pitanja koja zahtevaju dalja eksperimentalna istraživanja.
Nitrifikujuće bakterije su klasifikovane kao hemotrofi. Kao izvor energije za njih služe razni minerali. Uprkos svojoj mikroskopskoj veličini, ovi živi organizmi imaju ogroman uticaj na svijet oko sebe.
Kao što znate, hemotrofi ne mogu apsorbirati organska jedinjenja koja se nalaze u supstratu (zemljište ili voda). Naprotiv, oni proizvode građevinski materijal za stvaranje žive i funkcionalne ćelije.
