I henhold til typen af ernæring er alle kendte levende organismer opdelt i to store typer: hetero- og autotrofer. Et karakteristisk træk ved sidstnævnte er deres evne til selvstændigt at bygge nye grundstoffer ud fra kuldioxid og andre uorganiske stoffer.
De energikilder, der understøtter deres vitale aktivitet, bestemmer deres opdeling i fotoaphtotrofer (kilden er lys) og kemoautotrofer (kilden er mineraler). Og afhængigt af navnet på det substrat, der oxideres af kemoauthortofytter, opdeles de i hydrogen og nitrificerende bakterier samt svovl- og jernbakterier.
Denne artikel vil blive viet til den mest almindelige gruppe blandt dem - nitrificerende bakterier.
Opdagelseshistorik
Selv i midten af det 19. århundrede beviste tyske videnskabsmænd, at processen med nitrifikation er biologisk. Empirisk viste de, at når chloroform blev tilsat spildevand, stoppede oxidationen af ammoniak. Men for at forklare, hvorfor det sker, gør de det ikkekunne.
Dette blev gjort et par år senere af den russiske videnskabsmand Vinogradsky. Han identificerede to grupper af bakterier, der gradvist deltog i nitrifikationsprocessen. Således sikrede den ene gruppe oxidationen af ammonium til salpetersyre, og den anden gruppe af bakterier var ansvarlig for dens omdannelse til salpetersyre. Alle nitrificerende bakterier involveret i denne proces er gramnegative.
Funktioner ved oxidationsprocessen
Nitritdannelsesprocessen ved ammoniumoxidation har flere stadier, hvor der dannes nitrogenholdige forbindelser med forskellige grader af oxidation af NH-gruppen.
Det første produkt af ammoniumoxidation er hydroxylamin. Det er højst sandsynligt dannet på grund af inklusion af molekylært oxygen i NH4-gruppen, selvom denne proces ikke er endeligt bevist og stadig kan diskuteres.
Dernæst omdannes hydroxylamin til nitrit. Formentlig udføres processen ved dannelse af NOH (hyponitrit) med frigivelse af lattergas. I dette tilfælde betragter videnskabsmænd produktionen af lattergas som blot et biprodukt af syntesen på grund af reduktionen af nitrit.
Ud over produktionen af kemiske grundstoffer frigives en stor mængde energi under denitrifikation. I lighed med hvad der sker i heterotrofe aerobe organismer, er syntesen af ATP-molekyler i dette tilfælde forbundet med redoxprocesser, som et resultat af hvilke elektroner overføres til oxygen.
Når nitrit oxideres, spiller processen med omvendt transport en vigtig rolleelektroner. Inklusionen af dets elektroner i kæden sker direkte i cytochromerne (C-type og/eller A-type), og dette kræver en ret stor mængde energi. Som et resultat er kemoautotrofe nitrificerende bakterier fuldt ud forsynet med den nødvendige energireserve, som bruges til processerne med at opbygge og assimilere kuldioxid.
Typer af nitrificerende bakterier
Fire slægter af nitrobakterier deltager i den første fase af nitrifikation:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Du kan i øvrigt se nitrificerende bakterier på det foreslåede billede (foto under et mikroskop).
Eksperimentelt, blandt dem er det ret svært og ofte helt umuligt at udskille en af kulturerne, så deres overvejelse er overvejende kompleks. Alle de listede mikroorganismer er op til 2-2,5 mikrometer store og er overvejende ovale eller runde i form (med undtagelse af nitrospira, som har form af en pind). De er i stand til binær fission og rettet bevægelse på grund af flageller.
Den anden fase af nitrifikation deltager:
- slægten Nitrobacter;
- nitrospin-type;
- nitrococus.
Den mest undersøgte bakteriestamme af slægten Nitrbacter, opkaldt efter dens opdager Vinogradsky. Disse nitrificerende bakterier har pæreformede celler, formerer sig ved knopskydning med dannelsen af en mobil (på grund af flagellen) dattercelle.
Bakteriestruktur
De undersøgte nitrificerende bakterier har en lignende cellulær struktur som andre gram-negative mikroorganismer. Nogle af dem har et ret udviklet system af indre membraner, der danner en stak i midten af cellen, mens de i andre er placeret mere i periferien eller danner en struktur i form af en kop, bestående af flere blade. Det er tilsyneladende med disse formationer, at enzymer er associeret, som er involveret i processen med oxidation af specifikke substrater ved hjælp af nitrifikatorer.
Nitrificerende bakterier madtype
Nitrobakterier er obligatoriske autotrofer, da de ikke er i stand til at bruge eksogene organiske stoffer. Men nogle stammer af nitrificerende bakteriers evne til at bruge nogle organiske forbindelser er eksperimentelt blevet vist.
Det blev fundet, at substratet indeholdende gærautolysater, serin og glutamat i lave koncentrationer, stimulerede væksten af nitrobakterier. Dette sker både i nærvær af nitrit og i fravær af det i næringsmediet, selvom processen er meget langsommere. Omvendt, i nærvær af nitrit, undertrykkes oxidationen af acetat, men inkorporeringen af dets kulstof i protein, forskellige aminosyrer og andre cellulære komponenter øges betydeligt.
Som et resultat af adskillige eksperimenter blev der opnået data om, at nitrificerende bakterier stadig kan skifte til heterotrofisk ernæring, men hvor produktivt og hvor længe de kan eksistere under sådanne forhold, er endnu uvist. Så længe dataene er tilstrækkeligeinkonsekvent til at drage endelige konklusioner om denne sag.
Habitat og vigtigheden af nitrificerende bakterier
Nitrificerende bakterier er kemoautotrofer og er vidt udbredt i naturen. De findes over alt: i jorden, forskellige substrater såvel som vandområder. Processen med deres vitale aktivitet yder et stort bidrag til det overordnede nitrogenkredsløb i naturen og kan faktisk nå enorme proportioner.
For eksempel hører en sådan mikroorganisme som nitrocystis oceanus, isoleret fra Atlanterhavet, til obligatoriske halofiler. Det kan kun eksistere i havvand eller substrater, der indeholder det. For sådanne mikroorganismer er ikke kun levestedet vigtigt, men også sådanne konstanter som pH og temperatur.
Alle kendte nitrificerende bakterier er klassificeret som obligatoriske aerobe. De har brug for ilt for at oxidere ammonium til salpetersyrling og salpetersyrling til salpetersyre.
Habitatforhold
En anden vigtig pointe, som videnskabsmænd har identificeret, er, at det sted, hvor nitrificerende bakterier lever, ikke bør indeholde organisk materiale. Teorien blev fremført, at disse mikroorganismer i princippet ikke kan bruge organiske forbindelser udefra. De er endda blevet kaldt obligatoriske autotrofer.
Derefter blev den skadelige virkning af glucose, urinstof, pepton, glycerin og andre organiske stoffer på nitrificerende bakterier bevist gentagne gange, men eksperimenter stopper ikke.
Vigtigheden af at nitrificere bakterier forjord
Indtil for nylig troede man, at nitrifikatorer har en gavnlig effekt på jorden, idet de øger dens frugtbarhed ved at nedbryde ammonium til nitrater. Sidstnævnte absorberes ikke kun godt af planter, men øger også i sig selv opløseligheden af visse mineraler.
I de senere år har videnskabelige synspunkter dog ændret sig. Den negative effekt af de beskrevne mikroorganismer på jordens frugtbarhed blev afsløret. Nitrifierende bakterier, danner nitrater, forsurer miljøet, hvilket ikke altid er positivt, og fremkalder også mætning af jorden med ammoniumioner i højere grad end nitrater. Desuden har nitrater evnen til at blive reduceret til N2 (under denitrifikation), hvilket igen fører til jordudtømning af nitrogen.
Hvad er faren ved at nitrificere bakterier?
Nogle stammer af nitrobakterier i nærværelse af et organisk substrat kan oxidere ammonium og danne hydroxylamin og efterfølgende nitritter og nitrater. Som et resultat af sådanne reaktioner kan hydroxamsyrer også forekomme. Desuden udfører en række bakterier processen med nitrifikation af forskellige forbindelser, der indeholder nitrogen (oximer, aminer, amider, hydroxamater og andre nitroforbindelser).
Omfanget af heterotrofisk nitrifikation under visse forhold kan ikke kun være enormt, men også meget skadeligt. Faren ligger i, at der i løbet af sådanne transformationer opstår dannelse af giftige stoffer, mutagener og kræftfremkaldende stoffer. Derfor er videnskabsmænd tæt påarbejder på at studere dette emne.
Biologisk filter, der altid er ved hånden
Nitrificerende bakterier er ikke et abstrakt begreb, men en meget almindelig livsform. Desuden bruges de ofte af mennesker.
For eksempel er disse bakterier en del af de biologiske filtre til akvarier. Denne type rengøring er billigere og ikke så besværlig som mekanisk rengøring, men den kræver samtidig overholdelse af visse betingelser for at sikre vækst og vital aktivitet af nitrificerende bakterier.
Det mest gunstige mikroklima for dem er omgivelsestemperaturen (i dette tilfælde vand) i størrelsesordenen 25-26 grader Celsius, en konstant tilførsel af ilt og tilstedeværelsen af vandplanter.
Nitrificerende bakterier i landbruget
For at øge udbyttet bruger landmænd forskellige gødningsstoffer, der indeholder nitrificerende bakterier.
Ernæring af jorden i dette tilfælde leveres af nitrobakterier og azotobakterier. Disse bakterier udvinder de nødvendige stoffer fra jorden og vandet, som danner en tilstrækkelig stor mængde energi under oxidationsprocessen. Dette er den såkaldte kemosynteseproces, når den modtagne energi bruges til at danne komplekse molekyler af organisk oprindelse ud fra kuldioxid og vand.
Disse mikroorganismer kræver ikke næringsstoffer fra deres miljø – de kan selv producere dem. Så hvis grønne planter, som også er autotrofer, har brug forsollys, så er det ikke nødvendigt for at nitrificere bakterier.
Selvrensende jord
Jord er et ideelt substrat til vækst og reproduktion af ikke kun planter, men også mange levende organismer. Derfor er dens normale tilstand og afbalancerede sammensætning ekstremt vigtige.
Det skal huskes, at nitrificerende bakterier også sørger for biologisk rensning af jorden. De, der er i jorden, reservoirer eller humus, omdanner ammoniak, som frigives af andre mikroorganismer og affaldsorganiske materialer, til nitrater (for at være mere præcis, til s alte af salpetersyre). Hele processen består af to trin:
- Oxidation af ammoniak til nitrit.
- Oxidation af nitrit til nitrat.
Samtidig leveres hvert stadie af separate typer mikroorganismer.
Den såkaldte onde cirkel
Cirkulation af energi og opretholdelse af liv på Jorden er mulig på grund af overholdelse af visse love om eksistensen af alt levende. Ved første øjekast er det svært at forstå, hvad der er på spil, men i virkeligheden er alt ganske enkelt.
Lad os forestille os følgende billede fra en skolebog:
- Uorganiske stoffer behandles af mikroorganismer og skaber dermed gunstige betingelser i jorden for planters vækst og næring.
- De er til gengæld en uundværlig energikilde for de fleste planteædere.
- Den næste kæde i dette livsled er rovdyr, hvis energi er,deres planteædende modstykker.
- Folk er kendt for at være apex-rovdyr, hvilket betyder, at vi kan få energi fra både planteverdenen og dyreverdenen.
- Og allerede vores eget liv er tilbage, såvel som netop disse planter og dyr, tjener som et næringssubstrat for mikroorganismer.
Dermed opnås en ond cirkel, som kontinuerligt fungerer og giver liv til alt liv på Jorden. Når man kender disse principper, er det ikke svært at forestille sig, hvor mangefacetteret og faktisk grænseløs naturens og alle levende tings kraft.
Konklusion
I denne artikel forsøgte vi at besvare spørgsmålet om, hvad nitrificerende bakterier er i biologien. Som du kan se, er der på trods af de uigendrivelige beviser for disse mikroorganismers vitale aktivitet, funktion og indflydelse stadig mange kontroversielle spørgsmål, der kræver yderligere eksperimentel forskning.
Nitrificerende bakterier er klassificeret som kemotrofer. Forskellige mineraler tjener som energikilde for dem. På trods af deres mikroskopiske størrelse har disse levende organismer en enorm indflydelse på verden omkring dem.
Som du ved, kan kemotrofer ikke absorbere organiske forbindelser, der er i substratet (jord eller vand). Tværtimod producerer de byggematerialet til at skabe en levende og fungerende celle.
