Фиксация азота свободноживущими микроорганизмами

До 1949 г. способность к фиксации молекулярного азота рассматривалась как свойство лишь Clostridium и Azotobacter. После начала применения радиоизопного метода (N¹⁵), а также реакции восстановления ацетилена до этилена, выяснилось, что к свободноживущим азотфиксаторам могут быть причислены: Bacillus polymyxa, цианобактерии, метилотрофные, сульфатредуцирующие, метанобразующие бактерии. Особенно эффективен Azotobacter: на 1 г сахара – 20 мг N₂.

Azotobacter – грамотрицательные, строгие аэробы, окисляют многие органические вещества, в определенных условиях передвигаются с помощью жгутиков. Обильно выделяют слизь, имеют темный пигмент – меланин. При недостатке питательных веществ образуют цисты с толстыми стенками. Многие развиваются в ризосфере растений. 30–50кг азота на 1 га в год.

Представители:

A. chroococcus (черный цвет колоний)

A. vinelandii

A. agilis (бесцветные).

40 видов цианобактерий: они первыми заселяют бедные (вулканические) почвы. Живут в экстремальных местах обитания: в Антарктиде, на севере в симбиозе с грибами лишайников. Во внутренних водоемах и в некоторых областях океана наблюдается развитие цианобактерий – «цветение воды».

Когда в почве есть азот, то используются нитраты, нитриты, аминокислоты. Для фиксации молекулярного азота необходим Mo, Fe, Co. Мо входит в состав нитрогеназы.

Нитрогеназа – фермент, осуществляющий фиксацию азота.

Связывание молекулярного азота – это восстановительный процесс, первым продуктом является аммиак. Восстановление идет в ферментативном комплексе – нитрогеназа, которая состоит из двух комплексов: Fe, Mo, S^2- и белка с Fe, S^2-.

Фермент и процесс очень чувствительны к молекулярному кислороду, т.е. нитрогеназа должна быть защищена от действия О₂. Для связывания необходима энергия, идущая от процессов – дыхания, брожения, фотосинтеза.

Защита от О₂

Так как образуется Н₂, то всегда с нитрогеназой сопряженно работает гидрогеназа, активирующая Н₂=НАД.

Нитрификация

Нитрификация – явление окисления аммиака, образующегося в почве, навозе, воде при разложении органических веществ до азотистой, а затем азотной кислоты.

До середины 19 века считали, что образование нитратов в почве – химический процесс. Луи Пастер предположил, что это микробиологический процесс.

1879 Г. – Мюнцер и Шлезинг – пропуская сточную воду через колону с СаСо3 и песок получали nо3 из nh3. После стерилизации колоны или дезинфекции этот процесс нарушался.

Однако выявить чистую культуру ниртификаторов не удавалось и лишь С. Н. Виноградский (1892) применил особую методику и выделил чистую культуру. Он предположил, что эти бактерии чувствительны к органическим веществам и стал выращивать на минеральных средах – хемолитоавтотрофы. Виноградский установил, что существует две группы нитрификаторов: одна ведет процесс до NH₄⁺ → NO₂^- – первая фаза; вторая фаза: азотистая в азотную NO₂^- →NO₃^-.

Бактерии обеих групп относят к семейству Nitrobacteriaceae: грамотрицательные палочки, эллипсовидные (l = 0,3–6,5 мкм), кокки, извитые, плеоморфные, подвижные и неподвижные, жгутики полярные и перитрихи. Размножаются делением, кроме Nitrobacter – почкованием. Внутри есть хорошо развитая сеть мембран цитоплазмы.

Бактерии первой фазы: 1) Nitrozomonas

2. Nitrozococcus

3. Nitrozolobus

4. Nirtozospira

5. Nitrozovibrio.

Единственный детально изученный представитель – Nitrozomonas europaea. Проходит ряд стадий: сначала овальные палочки, затем неподвижные зооглеи. Бактерии второй фазы:

1) Nitrospira

2) Nitrobacter

3) Nitrococcus.

Nitrobacter winogradskii – клиновидная, грушевидная форма, размножение почкованием, сначала подвижные формы, затем наступает неподвижная фаза. Аэробы.

Среды: NH₄⁺, NO₂, CO₂;

рН 6–6,8 – 8,6; оптимальная рН 7,5;

оптимальная температура 25–30°С.

Предполагаемый путь окисления аммиака:

Некоторые гетеротрофные микроорганизмы способны осуществлять нитрификацию: p. Pseudomonas

p. Arthrobacter

p. Nocardia

Образование нитратов в почве обедняет ее. Метабиоз – этапность трофических связей.

ДенитрификацияВосстановление нитратов и нитритов до газообразных азотных соединений происходит в результате процессов прямой и косвенной денитрификации.

Прямая денитрификация – биологическая – разделяется на ассимиляторную и диссимиляторную.

В процессе диссимиляторной денитрификации нитраты используются в качестве окислителя органических веществ вместо молекулярного кислорода, что обеспечивает микроорганизмы необходимой энергией. Это нитратное дыхание. Восстановление происходит до молекулярного азота.

При ассимиляторной денитрификации нитраты восстанавливаются до аммиака, который служит источником азота для построения клеточных веществ. К этой денитрификации способны многие растения и микроорганизмы.

Способностью диссимиляторной денитрификации обладают ф-анаэробные бактерии, живущие в основном в почве и воде.

Мезофилы: Paracoccus

Pseudomonas denitrificans

Ps. fluorescens

Ps. aeruginosa.

Есть и термофилы – Bacillus (55 – 65°C).

Органика окисляется при денитрифицирующем дыхании до СO₂ и Н₂O.

В зависимости от микроорганизмов, осуществляющих диссимиляторную денитрификацию, конечными продуктами могут быть:

Ассимиляторная денитрификация:

NH₃

NO₂^–

В результате денитрификации почва обедняется.

Круговорот азота

Круговорот включает ряд взаимосвязанных процессов: аммонификацию, нитрификацию, денитрификацию, фиксацию молекулярного азота.

Аммонификация – процесс минерализации органических веществ, сопровождающийся выделением аммиака.

Нитрификация – окисление аммиака до нитритов и нитратов.

Денитрификация – процесс восстановления нитратов и нитритов до свободного азота.

азотфиксация

денитри-фикация

иммобилизация

микроорганизмы, растения, животные

ассимиляция

аммонификация

нитри-фикация

ЛЕКЦИЯ № 13

Участие микроорганизмов в круговоротах серы и железа

Сульфатредукция

Сульфатредукция – процесс восстановления соединений серы до сероводорода. Осуществляется строгими анаэробами – сульфатредуцирующими бактериями. Сульфатредукция – сульфатдыхание.

Бактерии, вызывающие этот процесс разделяются на два рода: неспорообразующие Desulfovibrio

спорообразующие Desulfotomaculum.

Среда обитания: лиманы, моря, затопляемые почвы без доступа кислорода.

Род Desulfovibrio: грамотрицательные, изогнутые палочки или S-образные, имеющие полярные жгутики. Облигатные анаэробы. Мезофилы – 30 °С. Desulfovibrio desulfuricans.

Род Desulfotomaculum: образуют споры, грамотрицательные, прямые или изогнутые, перитрихи. Облигатные анаэробы. Обитают в геотермальных водах, кишечнике насекомых, рубце жвачных. D. nigrificans растет при 55 °С. SO4^2–→ SH. SO4^2– – конечный акцептор электронов. Источник С – соль молочной кислоты. H₂S вызывает коррозию металлического оборудования. H₂S – гибель растений (Черное море).

При окислении H₂S серобактериями, появляются залежи серы промышленного значения. Участвуют в образовании сульфидных руд.