Prema vrsti ishrane svi poznati živi organizmi dijele se na dva velika tipa: hetero- i autotrofe. Posebnost potonjih je njihova sposobnost da samostalno grade nove elemente od ugljičnog dioksida i drugih anorganskih tvari.
Izvori energije koji podržavaju njihovu vitalnu aktivnost određuju njihovu podjelu na fotoaftotrofe (izvor je svjetlost) i kemoautotrofe (izvor su minerali). A ovisno o nazivu supstrata koji oksidiraju kemoatortofiti, dijele se na vodikove i nitrifikacijske bakterije, kao i na bakterije sumpora i željeza.
Ovaj članak će biti posvećen najčešćoj skupini među njima - nitrificirajućim bakterijama.
Povijest otkrića
Još sredinom 19. stoljeća njemački su znanstvenici dokazali da je proces nitrifikacije biološki. Empirijski su pokazali da kada se kloroform doda u kanalizacijsku vodu, prestaje oksidacija amonijaka. Ali ne objašnjavaju zašto se to događamogao.
To je nekoliko godina kasnije učinio ruski znanstvenik Vinogradsky. Identificirao je dvije skupine bakterija koje su postupno sudjelovale u procesu nitrifikacije. Tako je jedna skupina osiguravala oksidaciju amonija u dušičnu kiselinu, a druga skupina bakterija zaslužna je za njegovu pretvorbu u dušičnu kiselinu. Sve nitrificirajuće bakterije uključene u ovaj proces su gram-negativne.
Obilježja procesa oksidacije
Proces stvaranja nitrita oksidacijom amonija ima nekoliko faza, tijekom kojih nastaju spojevi koji sadrže dušik s različitim stupnjevima oksidacije NH grupe.
Prvi produkt oksidacije amonija je hidroksilamin. Najvjerojatnije nastaje zbog uključivanja molekularnog kisika u skupinu NH4, iako ovaj proces nije konačno dokazan i ostaje diskutabilan.
Dalje, hidroksilamin se pretvara u nitrit. Vjerojatno se proces odvija kroz stvaranje NOH (hiponitrit) uz oslobađanje dušikovog oksida. U ovom slučaju, znanstvenici smatraju proizvodnju dušikovog oksida samo nusproizvodom sinteze, zbog smanjenja nitrita.
Osim proizvodnje kemijskih elemenata, tijekom denitrifikacije oslobađa se velika količina energije. Slično onome što se događa u heterotrofnim aerobnim organizmima, u ovom slučaju sinteza molekula ATP-a povezana je s redoks procesima, uslijed kojih se elektroni prenose na kisik.
Kada se nitrit oksidira, proces obrnutog transporta igra važnu uloguelektrona. Uključivanje njegovih elektrona u lanac događa se izravno u citokromima (C-tip i/ili A-tip), a to zahtijeva prilično veliku količinu energije. Kao rezultat toga, kemoautotrofne nitrificirajuće bakterije u potpunosti dobivaju potrebnu rezervu energije koja se koristi za procese izgradnje i asimilacije ugljičnog dioksida.
Vrste nitrificirajućih bakterija
Četiri roda nitrobakterija sudjeluju u prvoj fazi nitrifikacije:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Usput, možete vidjeti nitrificirajuće bakterije na predloženoj slici (fotografija pod mikroskopom).
Eksperimentalno je među njima 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.
Najproučavaniji soj bakterija iz roda Nitrbacter, nazvan po svom otkriću Vinogradskom. Ove nitrificirajuće bakterije imaju stanice u obliku kruške, koje se razmnožavaju pupanjem, s formiranjem mobilne (zbog flagelluma) stanice kćeri.
Struktura bakterija
Proučavane nitrificirajuće bakterije imaju sličnu staničnu strukturu s drugim gram-negativnim mikroorganizmima. Neki od njih imaju prilično razvijen sustav unutarnjih membrana koje tvore hrpu u središtu stanice, dok su u drugima smještene više na periferiji ili tvore strukturu u obliku čašice koja se sastoji od nekoliko listova. Očigledno, upravo s tim formacijama su povezani enzimi koji sudjeluju u procesu oksidacije specifičnih supstrata nitrifikatorima.
vrsta hrane za nitrifikacijske bakterije
Nitrobakterije su obvezni autotrofi, jer ne mogu koristiti egzogene organske tvari. Međutim, eksperimentalno je dokazana sposobnost nekih sojeva nitrificirajućih bakterija da koriste neke organske spojeve.
Ustanovljeno je da supstrat koji sadrži autolizate kvasca, serin i glutamat u niskim koncentracijama, stimulira rast nitrobakterija. To se događa i u prisutnosti nitrita i u njegovoj odsutnosti u hranjivom mediju, iako je proces mnogo sporiji. Suprotno tome, u prisutnosti nitrita, oksidacija acetata je potisnuta, ali se značajno povećava ugradnja njegovog ugljika u proteine, razne aminokiseline i druge stanične komponente.
Kao rezultat višestrukih eksperimenata, dobiveni su podaci da se nitrificirajuće bakterije još uvijek mogu prebaciti na heterotrofnu prehranu, ali koliko produktivno i koliko dugo mogu postojati u takvim uvjetima ostaje za vidjeti. Sve dok su podaci dovoljninedosljedno donositi konačne zaključke o ovom pitanju.
Stanište i važnost nitrificirajućih bakterija
Nitrificirajuće bakterije su kemoautotrofi 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 cjelokupnom ciklusu dušika u prirodi i zapravo može doseći ogromne razmjere.
Na primjer, takav mikroorganizam kao nitrocystis oceanus, izoliran iz Atlantskog oceana, pripada obveznim 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 nitrificirajuće bakterije klasificirane su kao obvezni aerobi. Potreban im je kisik da oksidiraju amonij u dušičnu kiselinu i dušičnu kiselinu u dušičnu kiselinu.
Uvjeti staništa
Još jedna važna točka koju su znanstvenici identificirali je da mjesto gdje žive nitrificirajuće bakterije ne smije sadržavati organsku tvar. Iznesena je teorija da ti mikroorganizmi u principu ne mogu koristiti organske spojeve izvana. Zvali su ih čak i obvezni 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 amonij u nitrate. Potonje biljke ne samo da dobro apsorbiraju, već i same po sebi povećavaju topljivost određenih minerala.
Međutim, posljednjih godina znanstveni stavovi se mijenjaju. Otkriveno je negativno djelovanje opisanih mikroorganizama na plodnost tla. Nitrifikacijske bakterije, tvoreći nitrate, zakiseljuju okoliš, što nije uvijek pozitivno, a također izazivaju zasićenje tla amonijevim ionima u većoj mjeri nego nitrati. Štoviše, nitrati se mogu reducirati na N2 (tijekom denitrifikacije), što zauzvrat dovodi do iscrpljivanja tla dušikom.
Koja je opasnost od nitrificirajućih bakterija?
Neki sojevi nitrobakterija u prisutnosti organskog supstrata mogu oksidirati amonij, stvarajući hidroksilamin, a potom nitrite i nitrate. Također, kao rezultat takvih reakcija može nastati hidroksamska kiselina. Štoviše, brojne bakterije provode proces nitrifikacije različitih spojeva koji sadrže dušik (oksimi, amini, amidi, hidroksamati i drugi nitro spojevi).
Rasmjer heterotrofne nitrifikacije pod određenim uvjetima može biti ne samo ogroman, već i vrlo štetan. Opasnost leži u činjenici da tijekom takvih transformacija dolazi do stvaranja otrovnih tvari, mutagena i kancerogena. Stoga su znanstvenici blizurade na proučavanju ove teme.
Biološki filter koji je uvijek pri ruci
Nitrificirajuće bakterije nisu apstraktni koncept, već vrlo čest oblik života. Štoviše, ljudi ih često koriste.
Na primjer, ove bakterije su dio bioloških filtera za akvarije. Ova vrsta čišćenja je jeftinija i nije tako naporna kao mehaničko čišćenje, ali u isto vrijeme zahtijeva poštivanje određenih uvjeta 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 stupnjeva Celzija, stalna opskrba kisikom i prisutnost vodenih biljaka.
Nitrifikacijske bakterije u poljoprivredi
Kako bi povećali prinose, poljoprivrednici koriste razna gnojiva koja sadrže nitrifikacijske bakterije.
Prehranu tla u ovom slučaju osiguravaju nitrobakterije i azotobakterije. Te bakterije iz tla i vode izvlače potrebne tvari koje tijekom procesa oksidacije stvaraju dovoljno veliku količinu energije. Ovo je takozvani proces kemosinteze, kada se primljena energija koristi za stvaranje složenih molekula organskog porijekla iz ugljičnog dioksida i vode.
Ovi mikroorganizmi ne zahtijevaju hranjive tvari iz svog okoliša - mogu ih sami proizvesti. Dakle, ako zelene biljke, koje su također autotrofi, trebajusunčeva svjetlost, tada nije potrebna za nitrificirajuće bakterije.
Samočisteće tlo
Tlo je idealan supstrat za rast i razmnožavanje ne samo biljaka, već i mnogih živih organizama. Stoga su njegovo normalno stanje i uravnotežen sastav izuzetno važni.
Treba imati na umu da nitrifikacijske bakterije također osiguravaju biološko čišćenje tla. Oni, nalazeći se u tlu, rezervoarima ili humusu, pretvaraju amonijak, koji oslobađaju drugi mikroorganizmi i otpadni organski materijali, u nitrate (točnije, u soli dušične kiseline). Cijeli se proces sastoji od dva koraka:
- Oksidacija amonijaka u nitrit.
- Oksidacija nitrita u nitrate.
U isto vrijeme, svaki stadij osiguravaju odvojene vrste mikroorganizama.
Takozvani začarani krug
Kruženje energije i održavanje života na Zemlji moguće je zahvaljujući poštivanju određenih zakona postojanja svih živih bića. Na prvi pogled teško je razumjeti o čemu je riječ, ali zapravo je sve prilično jednostavno.
Zamislimo sljedeću sliku iz školskog udžbenika:
- Anorganske tvari prerađuju mikroorganizmi i tako stvaraju u tlu povoljne uvjete za rast i ishranu biljaka.
- Oni su, pak, nezamjenjiv izvor energije za većinu biljojeda.
- Sljedeći lanac ove životne karike su grabežljivci, čija je energija,odnosno njihove biljojede.
- 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 same te biljke i životinje, služe kao hranjivi supstrat za mikroorganizme.
Tako se dobiva začarani krug koji kontinuirano funkcionira i osigurava život cijelom životu na Zemlji. Poznavajući ova načela, nije teško zamisliti koliko je višestruka i zapravo neograničena moć prirode i svih živih bića.
Zaključak
U ovom članku pokušali smo odgovoriti na pitanje što su nitrificirajuće bakterije u biologiji. Kao što možete vidjeti, unatoč nepobitnim dokazima o vitalnoj aktivnosti, funkcioniranju i utjecaju ovih mikroorganizama, još uvijek postoje mnoga kontroverzna pitanja koja zahtijevaju daljnja eksperimentalna istraživanja.
Nitrificirajuće bakterije klasificirane su kao kemotrofi. Kao izvor energije za njih služe razni minerali. Unatoč svojoj mikroskopskoj veličini, ti živi organizmi imaju ogroman utjecaj na svijet oko sebe.
Kao što znate, kemotrofi ne mogu apsorbirati organske spojeve koji se nalaze u supstratu (tlo ili voda). Naprotiv, oni proizvode građevinski materijal za stvaranje žive i funkcionalne ćelije.
