Нитрифицирующие бактерии: предназначение, среда обитания и использование нитрификаторов в различных сферах

нитрифицирующие бактерии

Еще в 1870 г. Шлезинг и Мюнц (Schloesing, Miintz) доказали, что нитрификация имеет биологическую природу. Для этого они добавляли к сточным водам хлороформ. В результате окисление аммиака прекращалось. Однако специфические микроорганизмы, вызывающие этот процесс, были выделены лишь Виноградским. Им же было показано, что хемоавтотрофные нитрификаторы могут быть подразделены на бактерий, осуществляющих первую фазу этого процесса, а именно окисление аммония до азотистой кислоты (NH4+->N02-), и бактерий второй фазы нитрификации, переводящих азотистую кислоту в азотную (N02–>-N03-). И те и другие микроорганизмы являются грамотрицательными. Их относят к семейству Nitrobacteriaceae.

Бактерии первой фазы нитрификации представлены четырьмя родами: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus и Nitrosospira. Из них наиболее изучен вид Nitrosomonas euroраеа, хотя получение чистых культур этих микроорганизмов, как и других нитрифицирующих хемоавтотрофов, до сих пор остается достаточно сложным. Клетки N. europaea обычно овальные (0,6 —1,0 X 0,9—2,0 мкм), размножаются бинарным делением. В процессе развития культур в жидкой среде наблюдаются подвижные формы, имеющие один или несколько жгутиков, и неподвижные зооглеи.

У Nitrosocystis oceanus клетки округлые, диаметром 1,8—2,2 мкм, но бывают и крупнее (до 10 мкм). Способны к движению благодаря наличию одного жгутика или пучка жгутиков. Образуют зооглеи и цисты.

Размеры Nitrosolobus multiformis составляют 1,0—1,5 X 1,0—2,5 мкм. Форма этих бактерий не совсем правильная, так как клетки разделены на отсеки, дольки (-lobus, отсюда и название Nitrosolobus), которые образуются в результате разрастания внутрь цитоплазматической мембраны.

У Nitrosospira briensis клетки палочковидные и извитые (0,8—1,0 X 1,5—2,5 мкм), имеют от одного до шести жгутиков.

Среди бактерий второй фазы нитрификации различают три рода: Nitrobacter, Nitrospina и Nitrococcus.

Большая часть исследований проведена с разными штаммами Nitrobacter, многие из которых могут быть отнесены- к Nitrobacter winogradskyi, хотя описаны и другие виды. Бактерии имеют преимущественно грушевидную форму клеток. Как показано Г. А. Заварзиным, размножение Nitrobacter происходит путем почкования, причем дочерняя клетка бывает обычно подвижна, так как снабжена одним латерально расположенным жгутиком. Отмечают также сходство Nitrobacter с почкующимися бактериями рода Hyphomicrobium по составу жирных кислот, входящих в липиды.

Данные относительно таких нитрифицирующих бактерий, как Nitrospina gracilis и Nitrococcus mobilis, пока весьма ограниченны. По имеющимся описаниям, клетки N. gracilis палочковидные (0,3—0,4 X 2,7—6,5 мкм), но обнаружены и сферические формы. Бактерии неподвижны. Напротив, N. mobilis обладает подвижностью. Клетки его округлые, диаметром около 1,5 мкм, с одним-двумя жгутиками.

По строению клеток исследованные нитрифицирующие бактерии похожи на другие грамотрицательные микроорганизмы. У некоторых видов обнаружены развитые системы внутренних мембран, которые образуют стопку в центре клетки (Nitrosocystis oceanus), или располагаются по периферии параллельно цитоплазматической мембране (Nitrosomonas europaea), или образуют чашеподобную структуру из нескольких слоев (Nitrobacter winogradskyi). Видимо, с этими образованиями связаны ферменты, участвующие в окислении нитрификаторами специфических субстратов.

Нитрифицирующие бактерии растут на простых минеральных средах, содержащих окисляемый субстрат в виде аммония или нитритов и углекислоту. Источником азота в конструктивных процессах могут быть, кроме аммония, гидроксиламин и нитриты.

Показано также, что Nitrobacter и Nitrosomonas europaea восстанавливают нитриты с образованием аммония.

Такой микроорганизм, как Nitrosocystis oceanus, выделенный из Атлантического океана, относится к облигатным галофилам и растет на среде, содержащей морскую воду. Область значений рН, при которой наблюдается рост разных видов и штаммов нитрифицирующих бактерий, приходится на 6,0—8,6, а оптимальное значение рН чаще всего 7,0—7,5. Среди Nitrosomonas europaea известны штаммы, имеющие температурный оптимум при 26 или около 40 °С, и штаммы, довольно быстро растущие при 4 °С.

Все известные нитрифицирующие бактерии являются облигатными аэробами. Кислород необходим им как для окисления аммония в азотистую кислоту:

так и для окисления азотистой кислоты в азотную:

Но весь процесс превращения аммония в нитраты происходит в несколько этапов с образованием соединений, где азот имеет разную степень окисленности.

Первым продуктом окисления аммония является гидроксиламин, который, возможно, образуется в результате непосредственного включения в NH+4 молекулярного кислорода:

Однако окончательно механизм окисления аммония до гидроксиламина не выяснен. Превращение гидроксиламина в нитрит:

как предполагают, идет через образование гипонитрита NOH, а также окись азота (NO). Что касается закиси азота (N2O), обнаруживаемой при окислении Nitrosomonas europaea аммония и гидроксиламина, то большинство исследователей считает ее побочным продуктом, образующимся в основном в результате восстановления нитрита.

Исследование окисления Nitrobacter нитрита с использованием в опытах тяжелого изотопа кислорода (18O) показало, что образующиеся нитраты содержат значительно больше 18O, когда меченой является вода, а не молекулярный кислород. Поэтому предполагают, что сначала происходит образование комплекса NO2-H2O, который далее окисляется до NO2-. При этом происходит передача электронов через промежуточные акцепторы на кислород. Весь процесс нитрификации можно представить в виде следующей схемы (рис. 137), отдельные этапы которой требуют, однако, уточнения.

Кроме первой реакции, а именно образования из аммония гидроксиламина, последующие стадии обеспечивают организмы энергией в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Синтез АТФ сопряжен с функционированием окислительновосстановительных систем, передающих электроны на кислород, подобно тому как это имеет место у гетеротрофных аэробных организмов. Но поскольку окисляемые нитрификаторами субстраты имеют высокие окислительно-восстановительные потенциалы, они не могут взаимодействовать с никотинамидадениндинуклеотидами (НАД или НАДФ, E1/0 = —0,320 В), какэто бывает при окислении большинства органических соединений. Так, передача электронов в дыхательную цепь от гидроксиламина, видимо, происходит на уровне флавина:

Когда окисляется нитрит, то включение его электронов в цепь, вероятно, идет на уровне либо цитохрома типа с, либо цитохрома типа а. В связи с этой особенностью большое значение у нитрифицирующих бактерий имеет так называемый обратный, или обращенный, транспорт электронов, идущий с затратой энергии части АТФ или трансмембрапного потенциала, образуемых при передаче электронов на кислород (рис. 138).

Таким образом происходит обеспечение хемоавтотрофных нитрифицирующих бактерий не только АТФ, но и НАДН, необходимых для усвоения углекислоты и для других конструктивных процессов.

Согласно расчетам эффективность использования свободной энергии Nitrobacter может составлять 6,0—50,0%, a Nitrosomonas — и больше.

Ассимиляция углекислоты происходит в основном в результате функционирования пентоэофосфатного восстановительного цикла углерода, иначе называемого циклом Кальвина (см. рис. 134).

Итог его выражают следующим уравнением:

где (СН2О) означает образующиеся органические вещества, имеющие уровень восстановленности углеродов. Однако в действительности в результате ассимиляции углекислоты через цикл Кальвина и другие реакции, прежде всего путем карбоксилирования фосфоенолпирувата, образуются не только углеводы, но и все другие компоненты клеток — белки, нуклеиновые кислоты, липиды и т. д. Показано также, что Nitrococcus mobilis и Nitrobacter winogradskyi могут образовывать в качестве запасных продуктов поли-β-оксибутират и гликогеноподобный полисахарид. Такое же соединение обнаружено в клетках Nitrosolobus multiformis. Кроме углеродсодержащих запасных веществ, нитрифицирующие бактерии способны накапливать полифосфаты, входящие в состав метахроматиновых гранул.

Еще в первых работах с нитрификатором Виноградский отметил, что для их роста неблагоприятно присутствие в среде органических веществ, таких, как пептон, глюкоза, мочевина, глицерин и др. Отрицательное действие органических веществ на хемоавтотрофные нитрифицирующие бактерии неоднократно отмечалось и в дальнейшем. Сложилось даже мнение, что эти микроорганизмы вообще не способны использовать экзогенные органические соединения. Поэтому их стали называть «облигатными автотрофами». Однако в последнее время показано, что использовать некоторые органические соединения эти бактерии способны, но возможности их ограничены. Так, отмечено стимулирующее действие на рост Nitrobacter в присутствии нитрита дрожжевого автолизата, пиридоксина, глутамата и серина, если они в низкой концентрации вносятся в среду. Показано также включение в белки и другие компоненты клеток Nitrobacter 14С из пирувата, а-кетоглутарата, глутамата и аспартата. Известно, кроме того, что Nitrobacter медленно, но окисляет формиат. Включение 14С из ацетата, пирувата, сукцината и некоторых аминокислот, преимущественно в белковую фракцию, обнаружено при добавлении этих субстратов к суспензиям клеток Nitrosomonas europaea. Ограниченная ассимиляция глюкозы, пирувата, глутамата и аланина установлена для Nitrosocystis oceanus. Есть данные об использовании 14С-ацетата Nitrosolobus multiformis.

Недавно установлено также, что некоторые штаммы Nitrobacter растут на среде с ацетатом и дрожжевым автолизатом не только в присутствии, но и в отсутствие нитрита, хотя и медленно. При наличии нитрита окисление ацетата подавляется, но включение его углерода в разные аминокислоты, белок и другие компоненты клеток увеличивается. Имеются, наконец, данные, что возможен рост Nitrosomonas и Nitrobacter на среде с глюкозой в анализируемых условиях, которые обеспечивают удаление продуктов ее метаболизма, оказывающих ингибиторное действие на данные микроорганизмы. На основании этого делается вывод о способности нитрифицирующих бактерий переключаться на гетеротрофный образ жизни. Однако для окончательных выводов необходимо большее число экспериментов. Важно прежде всего выяснить, как долго нитрифицирующие бакте рии могут расти в гетеротрофных условиях при отсутствии специфических окисляемых субстратов.

Хемоавтотрофные нитрифицирующие бактерии имеют широкое распространение в природе и встречаются как в почве, так и в разных водоемах. Осуществляемые ими процессы могут происходить весьма в крупных масштабах и имеют существенное значение в круговороте азота в природе. Раньше считали, что деятельность нитрификаторов всегда способствует плодородию почвы, поскольку они переводят аммоний в нитраты, которые легко усваиваются растениями, а также повышают растворимость некоторых минералов. Сейчас, однако, взгляды на значение нитрификации несколько изменились. Во-первых, показано, что растения усваивают аммонийный азот и ионы аммония лучше удерживаются в почве, чем нитраты. Во-вторых, образование нитратов иногда приводит к нежелательному подкислению среды. В-третьих, нитраты могут восстанавливаться в результате денитрификации до N2, что приводит к обеднению почвы азотом.

Следует также отметить, что наряду с нитрифицирующими хемоавтотрофными бактериями известны гетеротрофные микроорганизмы, способные вести близкие процессы. К гетеротрофным нитрификаторам относятся некоторые грибы из рода Fusarium и бактерии таких родов, как Alcaligenes, Corynebacterium, Achromobacter, Pseudomonas, Arthrobacter, Nocardia.

Показано, что Arthrobacter sp. окисляет в присутствии органических субстратов аммоний с образованием гидроксиламина и далее нитритов и нитратов. Кроме того, может образовываться гидроксамовая кислота. У ряда бактерий выявлена способность осуществлять нитрификацию органических азотсодержащих соединений: амидов, аминов, оксимов, гидроксаматов, нитросоединений и др. Пути их превращения представляют следующим образом:

Размеры гетеротрофной нитрификации в некоторых случаях бывают довольно большие. Кроме того, при этом образуются некоторые продукты, обладающие токсичным, канцерогенным, мутагенным действием и соединения с химиотерапевтическим эффектом. Поэтому исследованию данного процесса и выяснению его значения для гетеротрофных микроорганизмов сейчас уделяют значительное внимание.

Нитрифицирующие бактерии: предназначение, среда обитания и использование нитрификаторов в различных сферах

Нитрифицирующие бактерии

Еще в 1870 г. Шлезинг и Мюнц (Schloesing, Miintz) доказали, что нитрификация имеет биологическую природу. Для этого они добавляли к сточным водам хлороформ. В результате окисление аммиака прекращалось. Однако специфические микроорганизмы, вызывающие этот процесс, были выделены лишь Виноградским. Им же было показано, что хемоавтотрофные нитрификаторы могут быть подразделены на бактерий, осуществляющих первую фазу этого процесса, а именно окисление аммония до азотистой кислоты (NH₄ + → N0₂ – ), и бактерий второй фазы нитрификации, переводящих азотистую кислоту в азотную (NO₂ – → NO₃ – ). И те и другие микроорганизмы являются грамотрицательными. Их относят к семейству Nitrobacteriaceae.

Бактерии первой фазы нитрификации представлены четырьмя родами: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus и Nitrosospira. Из них наиболее изучен вид Nitrosomonas euroраеа, хотя получение чистых культур этих микроорганизмов, как и других нитрифицирующих хемоавтотрофов, до сих пор остается достаточно сложным. Клетки N. europaea обычно овальные (0,6 – 1,0 X 0,9 – 2,0 мкм), размножаются бинарным делением. В процессе развития культур в жидкой среде наблюдаются подвижные формы, имеющие один или несколько жгутиков, и неподвижные зооглеи.

У Nitrosocystis oceanus клетки округлые, диаметром 1,8 – 2,2 мкм, но бывают и крупнее (до 10 мкм). Способны к движению благодаря наличию одного жгутика или пучка жгутиков. Образуют зооглеи и цисты.

Размеры Nitrosolobus multiformis составляют 1,0 – 1,5 X 1,0 – 2,5 мкм. Форма этих бактерий не совсем правильная, так как клетки разделены на отсеки, дольки (-lobus, отсюда и название Nitrosolobus), которые образуются в результате разрастания внутрь цитоплазматической мембраны.

У Nitrosospira briensis клетки палочковидные и извитые (0,8 – 1,0 + 1,5 – 2,5 мкм), имеют от одного до шести жгутиков.

Среди бактерий второй фазы нитрификации различают три рода: Nitrobacter, Nitrospina и Nitrococcus.

Большая часть исследований проведена с разными штаммами Nitrobacter, многие из которых могут быть отнесены к Nitrobacter winogradskyi, хотя описаны и другие виды. Бактерии имеют преимущественно грушевидную форму клеток. Как показано Г. А. Заварзиным, размножение Nitrobacter происходит путем почкования, причем дочерняя клетка бывает обычно подвижна, так как снабжена одним латерально расположенным жгутиком. Отмечают также сходство Nitrobacter с почкующимися бактериями рода Hyphoirricrobium по составу жирных кислот, входящих в липиды.

Данные относительно таких нитрифицирующих бактерий, как Nitrospina gracilis и Nitrococcus mobilis, пока весьма ограниченны. По имеющимся описаниям, клетки N. gracilis палочковидные (0,3 – 0,4 X 2,7 – 6,5 мкм), но обнаружены и сферические формы. Бактерии неподвижны. Напротив, N. mobilis обладает подвижностью. Клетки его округлые, диаметром около 1,5 мкм, с одним-двумя жгутиками.

По строению клеток исследованные нитрифицирующие бактерии похожи на другие грамотрицательные микроорганизмы. У некоторых видов обнаружены развитые системы внутренних мембран, которые образуют стопку в центре клетки (Nitrosocystis oceanus), или располагаются по периферии параллельно цитоплазматической мембране (Nitrosomonas europaea), или образуют чашеподобную структуру из нескольких слоев (Nitrobacter winogradskyi). Видимо, с этими образованиями связаны ферменты, участвующие в окислении нитрификаторами специфических субстратов.

Нитрифицирующие бактерии растут на простых минеральных средах, содержащих окисляемый субстрат в виде аммония или нитритов и углекислоту. Источником азота в конструктивных процессах могут быть, кроме аммония, гидроксиламин и нитриты.

Показано также, что Nitrobacter и Nitrosomonas europaea восстанавливают нитриты с образованием аммония.

Такой микроорганизм, как Nitrosocystis oceanus, выделенный из Атлантического океана, относится к облигатным галофилам и растет на среде, содержащей морскую воду. Область значений рН, при которой наблюдается рост разных видов и штаммов нитрифицирующих бактерий, приходится на 6,0 – 8,6, а оптимальное значение рН чаще всего 7,0 – 7,5. Среди Nitrosomonas europaea известны штаммы, имеющие температурный оптимум при 26 или около 40 °С, и штаммы, довольно быстро растущие при 4 °С.

Все известные нитрифицирующие бактерии являются облигатными аэробами. Кислород необходим им как для окисления аммония в азотистую кислоту:

так и для окисления азотистой кислоты в азотную:

Но весь процесс превращения аммония в нитраты происходит в несколько этапов с образованием соединении, где азот имеет разную степень окисленности.

Первым продуктом окисления аммония является гидроксиламин, который, возможно, образуется в результате непосредственного включения в NH + ₄ молекулярного кислорода:

Однако окончательно механизм окисления аммония до гидроксиламина не выяснен. Превращение гидроксиламина в нитрит:

как предполагают, идет через образование гипонитрита NOH, а также окись азота (NO). Что касается закиси азота (N₂O), обнаруживаемой при окислении Nitrosomonas europaea аммония и гидроксиламина, то большинство исследователей считает ее побочным продуктом, образующимся в основном в результате восстановления нитрита.

Исследование окисления Nitrobacter нитрита с использованием в опытах тяжелого изотопа кислорода ( 18 O) показало, что образующиеся нитраты содержат значительно больше 18 0, когда меченой является вода, а не молекулярный кислород. Поэтому предполагают, что сначала происходит образование комплекса NO₂ – H₂O, который далее окисляется до NO₃ – . При этом происходит передача электронов через промежуточные акцепторы на кислород. Весь процесс нитрификации можно представить в виде следующей схемы (рис. 137), отдельные этапы которой требуют, однако, уточнения.

Рис. 137. Пути окисления аммония и нитрита нитрифицирующими бактериями

Кроме первой реакции, а именно образования из аммония гидроксиламина, последующие стадии обеспечивают организмы энергией в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Синтез АТФ сопряжен с функционированием окислительно-восстановительных систем, передающих электроны на кислород, подобно тому как это имеет место у гетеротрофных аэробных организмов. Но поскольку окисляемые нитрификаторами субстраты имеют высокие окислительно-восстановительные потенциалы, они не могут взаимодействовать с никотинамидадениндинуклеотидами (НАД или НАДФ, E 1 = -0,320 В), как это бывает при окислении большинства органических соединений. Так, передача электронов в дыхательную цепь от гидроксиламина, видимо, происходит на уровне флавина:

Когда окисляется нитрит, то включение его электронов в цепь, вероятно, идет на уровне либо цитохрома типа с, либо цитохрома типа а. В связи с этой особенностью большое значение у нитрифицирующих бактерий имеет так называемый обратный, или обращенный, транспорт электронов, идущий с затратой энергии части АТФ или трансмембранного потенциала, образуемых при передаче электронов на кислород (рис. 138).

Рис. 138. Цепь переноса электрона при окислении нитрита у Nitrobacter winogradskyi

Таким образом происходит обеспечение хемоавтотрофных нитрифицирующих бактерий не только АТФ, но и НАДН, необходимых для усвоения углекислоты и для других конструктивных процессов.

Согласно расчетам эффективность использования свободной энергии Nitrobacter может составлять 6,0 – 50,0%, a Nitrosomonas – и больше.

Ассимиляция углекислоты происходит в основном в результате функционирования пентозофосфатного восстановительного цикла углерода, иначе называемого циклом Кальвина (см. рис. 134). Итог его выражают следующим уравнением:

где [СH₂О] означает образующиеся органические вещества, имеющие уровень восстановленноети углеродов. Однако в действительности в результате ассимиляции углекислоты через цикл Кальвина и другие реакции, прежде всего путем карбоксилирования фосфоенолпирувата, образуются не только углеводы, но и все другие компоненты клеток – белки, нуклеиновые кислоты, липиды и т. д. Показано также, что Nitrococcus mobilis и Nitrobacter winogradskyi могут образовывать в качестве запасных продуктов поли-β-оксибутират и гликогеноподобный полисахарид. Такое же соединение обнаружено в клетках Nitrosolobus multiformis. Кроме углеродсодержащих запасных веществ, нитрифицирующие бактерии способны накапливать полифосфаты, входящие в состав метахроматиновых гранул.

Еще в первых работах с нитрификатором Ви-ноградский отметил, что для их роста неблагоприятно присутствие в среде органических веществ, таких, как пептон, глюкоза, мочевина, глицерин и др. Отрицательное действие органических веществ на хемоавтотрофные нитрифицирующие бактерии неоднократно отмечалось и в дальнейшем. Сложилось даже мнение, что эти микроорганизмы вообще не способны использовать экзогенные органические соединения. Поэтому их стали называть “облигатными автотрофами”. Однако в последнее время показано, что использовать некоторые органические соединения эти бактерии способны, но возможности их ограничены. Так, отмечено стимулирующее действие на рост Nitrobacter в присутствии нитрита дрожжевого автолизата, пиридоксина, глутамата и серина, если они в низкой концентрации вносятся в среду. Показано также включение в белки и другие компоненты клеток Nitrobacter 14 C из пирувата, а-кетоглутарата, глутамата и аспартата. Известно, кроме того, что Nitrobacter медленно, по окисляет формиат. Включение 14 С из ацетата, пирувата, сукцината и некоторых аминокислот, преимущественно в белковую фракцию, обнаружено при добавлении этих субстратов к суспензиям клеток Nitrosomonas europaea. Ограниченная ассимиляция глюкозы, пирувата, глутамата и аланина установлена для Nitrosocystis oceanus. Есть данные об использовании 14 С-ацетата Nitrosolobus multiformis.

Недавно установлено также, что некоторые штаммы Nitrobacter растут на среде с ацетатом и дрожжевым автолизатом не только в присутствии, но и в отсутствие нитрита, хотя и медленно. При наличии нитрита окисление ацетата подавляется, но включение его углерода в разные аминокислоты, белок и другие компоненты клеток увеличивается. Имеются, наконец, данные, что возможен рост Nitrosomonas и Nitrobacter на среде с глюкозой в диализируемых условиях, которые обеспечивают удаление продуктов ее метаболизма, оказывающих ингибиторное действие на данные микроорганизмы. На основании этого делается вывод о способности нитрифицирующих бактерий переключаться на гетеротрофный образ жизни. Однако для окончательных выводов необходимо большее число экспериментов. Важно прежде всего выяснить, как долго нитрифицирующие бактерии могут расти в гетеротрофных условиях при отсутствии специфических окисляемых субстратов.

Хемоавтотрофные нитрифицирующие бактерии имеют широкое распространение в природе и встречаются как в почве, так и в разных водоемах. Осуществляемые ими процессы могут происходить весьма в крупных масштабах и имеют существенное значение в круговороте азота в природе. Раньше считали, что деятельность нитрификаторов всегда способствует плодородию почвы, поскольку они переводят аммоний в нитраты, которые легко усваиваются растениями, а также повышают растворимость некоторых минералов. Сейчас, однако, взгляды на значение нитрификации несколько изменились. Во-первых, показано, что растения усваивают аммонийный азот и ионы аммония лучше удерживаются в почве, чем нитраты. Во-вторых, образование нитратов иногда приводит к нежелательному подкислению среды. В-третьих, нитраты могут восстанавливаться в результате денитрификации до N2, что приводит к обеднению почвы азотом.

Следует также отметить, что наряду с нитрифицирующими хемоавтотрофными бактериями известны гетеротрофные микроорганизмы, способные вести близкие процессы. К гетеротрофным нитрификаторам относятся некоторые грибы из рода Fusarium и бактерии таких родов, как Alcaligenes, Corynebacterium, Achromobacter, Pseudomonas, Arthrobacter, Nocardia.

Показано, что Arthrobacter sp. окисляет в присутствии органических субстратов аммоний с образованием гидроксиламина и далее нитритов и нитратов. Кроме того, может образовываться гидроксамовая кислота. У ряда бактерий выявлена способность осуществлять нитрификацию органических азотсодержащих соединений: амидов, аминов, оксимов, гидроксаматов, нитросоединений и др. Пути их превращения представляют следующим образом:

Размеры гетеротрофной нитрификации в некоторых случаях бывают довольно большие. Кроме того, при этом образуются некоторые продукты, обладающие токсичным, канцерогенным, мутагенным действием и соединения с химиотерапевтическим эффектом. Поэтому исследованию данного процесса и выяснению его значения для гетеротрофных микроорганизмов сейчас уделяют значительное внимание.

Азотный цикл в аквариуме

Часть вторая

Нитрификация

Гетеротрофные микробы (организмы, которым необходимы органический субстрат для извлечения углерода в процессе жизни и развития) потребляют органические соединения разлагающейся ткани как источник углерода. Аммиак (NH3) является при этом побочным продуктом.

Обнаружено, что в аквариумах протекает еще 3 динамических процесса, и конкретно для морского аквариума:
* Окисление аммония группой микроорганизмов archaeabacteria. Группа включает в себя также и Nitrosopumilus maritimus, которые, между прочим, не контактируют с водой непосредственно. Это хемотрофные бактерии, зависящие от бикарбонатов как от единственного источника углерода, ибо органический углерод тормозит их рост. Эти бактерии преобразуют NH4+ в NO2- (зеленая линия на диаграмме).
* Анаэробное разложение нитратов до аммония Эта реакция протекает в бескислородных донных отложениях. В реакции участвуют бактерии Thioploca и Thiomargarita . Они способны разложить нитрат до нитрита (как промежуточный продукт, синяя линяя на диаграмме) и далее до аммония.
* Анаэробное окисление аммония (Anammox). Бактерии Anammox способны окислять аммоний до газообразного азота (N2), используя нитрит как акцептор электронов, вместо кислорода (красная линия на диаграмме).

Стоит отметить, что без кислорода (нитрификация – это процесс окисления), процессы нитрификации происходить не будут.

Кто же это – нитрифицирующие бактерии?

Даже продукция известных компаний с качественной герметичной упаковкой (кстати, исключительно для более длительного срока хранения на полках магазинов) содержит культуры факультативных бактерий, выживающих как в бескислородной, так и в кислородной средах.

Аутотрофные бактерии

В качестве энергии им требуются кислород и неорганические (безуглеродные) соединения. В случае с Нитробактер такие источники энергии извлекаются во время химического превращения аммиака в нитрит или нитрита в нитрат.

Требуется некоторое время для того, чтобы рассеянная в воздушной среде популяция нитрифицирующих бактерий заселила пруд или аквариум, так что не ждите, что они просто заселят ваш водоем за одну ночь, и даже в просто перезапускаемом аквариуме (будет разъяснено далее) потребуется некоторое время для заселения его бактериями.

Я также обнаружил, что тетрациклин гидрохлорид тоже подавляет нитрифицирующие бактерии.

«Несмотря на то, что инструкция к препарату утверждает, что марацин не оказывает воздействия на бактерии Нитрозомонас и Нитробактер, был сразу же замечен всплеск уровня аммиака. Об уменьшении количества нитрифицирующих бактерий после применения эритромицина также докладывалось ранее на форуме».

Несмотря на некоторые анекдотичные комментарии, часто применяемые при лечении ихтиофтириоза малахитовый зеленый и медный купорос НЕ оказывают воздействия на нитрифицирующие бактерии.

Морские нитрифицирующие бактерии отличаются от живущих в пресной воде, но при этом они имеют родство.

Гетеротрофные бактерии

При этом стоит отметить, что добавление в здоровый аквариум грунта «Eco-complete» наверняка не окажет влияния на биофильтр, но если вдруг после добавления такого грунта в аквариуме также была увеличена и бионагрузка, то это наверняка вызовет помутнение воды и скачок содержания аммиака.

Низкий рН и нитрификация (Важно!)

Важно: темп нитрификации быстро снижается с повышением рН от уровней ниже 6.0 до 7.0 и более, до определенного момента, после которого происходит как бы перезапуск/самовосстановление темпов нитрификации, но уже при повышенном значении рН. Механизмы взаимосвязи темпов нитрификации от рН еще до конца не изучены.

Привожу краткую цитату из статьи «Высокие темпы нитрификации при низком рН в биомасс-реакторах разного типа» (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC525248/): «кормовая добавка содержала только неорганические соли без какого-либо непосредственного органического субстрата для поддержания существенного гетеротрофного роста».

Стоит отметить, что дольше всего лекарству «сопротивлялись» песочный, канистровый и просто губковый фильтры, и они же быстрее остальных восстановили свою работу (под губковым, или sponge filter, возможно, имеется в виду эрлифтный фильтр).

Несколько ключевых моментов по аммиаку

* Аммиак в форме токсичного NH3 присутствует в аквариумах благодаря загрязнениям (животного или растительного происхождения) и сам же превращается в менее токсичный NH4 при рН около 6.4 или ниже.

Лечение, как и добавление лекарств, не учитывающее этого, может не принести результата или даже усугубить положение дел (применение средств, снижающих уровень аммиака оправдано как временная и срочная мера).

Также не следует проводить аналогии с системами охлаждения, в которых безводный аммиак нагревается для испарения и конденсируется для охлаждения.

* Токсичный аммиак NH3 может быть удален из аквариума или переведен в нетоксичную форму с помощью таких средств, как Prime, Ammo lock, Amquel, но только как срочное и временное средство.

* Уровень аммиака 0.25 ррм и до 0.05 ррм НОРМАЛЕН для здорового аквариума с запущенным азотным циклом в связи с естественными колебаниями бионагрузки аквариума. Это связано с тем, что аутотрофные бактерии не мгновенно реагируют на изменения в содержании загрязнений в столбе воды.

Микробы

Микроорганизмы:

Лактобактерии

Лактобактерии (лат. Lactobacillus) — род грамположительных анаэробных неспорообразующих молочнокислых бактерий. Также .

Дрожжи

Дрожжи — это похожие на бактерии простейшие одноклеточные растения, но они принадлежат семейству грибов. Их клетки бол.

Популярные статьи

Исследования

Разделы

Вирусы:

Вирусы под микроскопом

Типы бактериофагов

Живая часть вируса

Открытие мелких микроорганизмов

Основы вирусологии:

Основы медицинской паразитологии. Паразитология

Наука, изучающая паразитов и вызываемые ими заболевания, называется медицинской паразитологией. Организмы, живущие за .

Санитарно-микробиопогическое исследование молока и молочных продуктов

Отбор продуктов (ГОСТ 9225—84) Объединенную пробу молока объемом 500 см3 составляют из точечных проб, отобранных из.

Основные виды простейших, вызывающих заболевания у человека. Кл. Жгутиконосцы

Основное отличие простейших этого класса — наличие на одной из стадий развития жгутика — одного или нескольких. Наибол.

Авторизация

Нитрификация

Процесс последовательного окисления аммиака до азотистой и азотной кислот называется нитрификацией, а вызывающие его бактерии — нит­рифицирующими. Сущность этого процесса была раскрыта и изучена С. Н. Виноградским.

Работами С. Н. Виноградского установлено, что процесс нитрификации происходит в две фазы, каждая из которых обусловлена деятельностью спе­цифических аэробных бактерий. Возбудители первой фазы — нитрозные бактерии — окисляют аммиак до солей азотистой кислоты (нитритов). Возбудители второй фазы — нитратные бактерии — окисляют соли азотистой кислоты в соли азотной кислоты (нитраты

Процесс нитрификации представляет собой яркий пример метабиоза, когда одни микроорганизмы начинают развиваться после других на продук­тах жизнедеятельности первых.

Нитрифицирующие бактерии относятся к типичным хемосинтезирующим автотрофам; они очень чувствительны к наличию в среде органических соеди­нений. Эти бактерии живут в почве, природных водах.

Очень важное значение имеют нитрификаторы в сельском хозяйстве. Образующийся в почве при разложении белков аммиак, хотя и усваивается растениями в виде аммонийных солей, но лучшим источником азотистого пи­тания для растений являются нитраты, которые и накапливаются в почве в результате деятельности нитрифицирующих бактерий. Часто эти бактерии встречаются в условиях, где жизнь на первый взгляд кажется невозможной, например на гранитах и голых скалах. Здесь они участвуют в выветривании горных пород благодаря разрушающему действию образуемой ими азотной кислоты. Развиваясь на кирпичных стенах зданий, нитрифицирующие бакте­рии могут разрушать кирпичную кладку. Немалая роль принадлежит им, по-видимому, и в разрушении подводных частей бетонных сооружений.

Процесс восстановления нитратов до молекулярного азота называется денитрификацией, а бактерии, осуществляющие его, — денитри­фицирующими.

Эти бактерии являются факультативными анаэробами. Нитраты они вос­станавливают в анаэробных условиях, когда в процессе дыхания при окис­лении органических веществ используют кислород нитратов в качестве акцеп­тора водорода. В аэробных условиях денитрификаторы обычно не восстанав­ливают нитраты, так как в процессе дыхания используют свободный кисло­род. Большинство денитрифицирующих бактерий имеют палочковидную форму, спор не образуют, но есть и спороносные палочки, а также микро­кокки.

Денитрифицирующие бактерии широко распространены в природе, они встречаются в почве, природных водах, навозе и т. д. Деятельность денитри­фицирующих бактерий может нанести большой ущерб плодородию почвы, особенно при плохой аэрации, так как под их влиянием азот нитратов, ус­ваиваемый растениями, переходит в неиспользуемый ими свободный азот.

Известны и другие процессы восстановления нитратов. Многие сапрофит­ные микроорганизмы (различные бактерии и грибы) обладают способностью восстанавливать нитраты лишь до нитритов.

В пищевой промышленности восстановление микробами нитратов до нит­ритов может происходить при изготовлении колбас, сосисок, ветчины. Розовая окраска таких продуктов получается вследствие соединения нитрита с крася­щим веществом мяса миоглобином. Для придания продукту розово-красного цвета в рассол добавляют нитриты или нитраты. Нитраты сначала восста­навливаются находящимися в продукте бактериями в нитриты, а последние вступают во взаимодействие с миоглобином мясопродуктов.

3.4. Нитрифицирующие бактерии

Эти бактерии отнесены к группе аэробных хемолитотрофных бактерий и родственных им организмов (группа 12 по “Определителю бактерий Берджи”). Все нитрифицирующие бактерииразделены на две секции – А (бактерии, окисляющие нитрит) и В (бактерии, окисляющие аммиак). Это грамотрицательные бактерии, очень разнообразные по форме (палочковидные, кокковидные, извитые), могут быть подвижны за счет налачия жгутиков или неподвижны.

Нитрификация – это процесс превращения аммония в нитрат, протекающий в две стадии. Нитрифицирующие бактерии используют ион аммония (нитрозобактерии) или нитрит (нитробактерии) в качестве донора электронов для протекания окислительно-восстановительных реакций, в том числе и процесса дыхания (табл.1).

Микроорганизмы, участвующие в процессах нитрификации

участвующих в процессе

Каждая из стадий требует участия строго определенных нитрифицирующих бактерий. Ни один из нитрификаторов не способен осуществлять обе стадии процесса.

Нитрифицирующие бактерии широко распространены в почвах, морской и пресной воде; играют важную роль в процессах переработки сточных вод.

3.5. Архебактерии

Архебактерии (группы 31-35 по “Определителю бактерий Берджи”) – самые древние бактерии, часто живущие в экстремальных условиях (в горячих серных источниках, соленых озерах, засоленных или щелочных почвах и т.п.). Некоторые архебактерии являются симбионтами в пищеварительном тракте животных .

Эти микроорганизмы имеют своеобразное строение генетического материала, клеточной стенки, цитоплазматической мембраны и выделены в отдельную категорию Mendosicutes. Они отличаются от эубактерий:

 по составу клеточной стенки (не содержит пептидогликана; вместо него в состав клеточной стенки входит псевдомуреин или только белки или полисахариды);

 по составу ДНК-зависимой РНК-полимеразы;

 по нуклеотидным последовательностям рибосомальных РНК;

 по составу молекул т-РНК (содержат псевдоуридин);

 имеют специфический состав мембранных липидов;

 некоторые гены архебактерий содержат интроны, что для остальных бактерий не характерно.

Архебактерии подразделяются на следующие группы:

Метаногенные архебактерии – в результате жизнедеятельности образуют метан, в качестве донора электронов используют Н₂. Метанобразующие бактерии разнообразны по форме; среди них встречаются кокки (Methanococcus sp.), палочки (Methanobacterium sp.), спириллы и другие формы. Представители этой группы – строгие анаэробы, грамвариабельны. Среди них встречаются мезофилы и термофилы. Например, для представителей рода Methanothermus оптимальная температура роста – 83-88 о C.

Сульфатредуцирующие архебактерии (например, представители рода Archaeoglobus) – грамотрицательные бактерии, кокковидные, могут быть неправильной формы. Строгие анаэробы. В процессе метаболизма восстанавливают SO₄ 2- до H₂S.

Экстремально галофильные бактерии (галобактерии) – растут при высоких концентрациях солей. Представлены кокками или палочками неправильной формы; грамвариабельные. Аэробы. Растут при концентрации NaCl не менее 1,5 М (оптимальная – 2-4 М). Встречаются в природе в соленых озерах, засоленных почвах (Halobacterium sp., Halococcus sp.). Среди этой группы бактерий встречаются алкалофилы, растущие при рН > 8,5 (Natronobacterium sp., Natronococcus sp.; обитают в щелочных озерах и почвах).

Архебактерии, лишенные клеточной стенки (представители рода Thermoplasma) – полиморфные грамотрицательные бактерии, факультативные анаэробы. Являются облигатными термофилами (оптимальная температура роста 45-67 о С) и ацидофилами (растут при рН 0,5-4,5).

Экстремальные термофилы и гипертермофилы, метаболизирующие серу имеют клетки различной формы. Среди них встречаются как аэробы, так и анаэробы. В анаэробных условиях восстанавливают S до H₂S, в аэробных – окисляют H₂S или S до SO₄ 2- . Оптимальная температура роста для этих бактерий – 70-105 0 С. Обитают в серных горячих источниках, зонах вокруг подводных вулканов. Наиболее известны представители родов Sulfolobus (аэробы), Thermofilum, Desulfurococcus, Pyrococcus (строгие анаэробы). Особо следует отметить бактерий рода Pyrodictium, которые способны расти в диапазоне температур 80-110 о С, причем оптимальной для них является температура 105 о С.

Нитрифицирующие бактерии

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 22 Марта 2012 в 16:15, реферат

Описание

Аммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении органических веществ, довольно быстро окисляется до азотистой, а затем азотной кислоты. Этот процесс получил название нитрификации.

Работа состоит из 1 файл

Микробиология.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Поволжская государственная социально-гуманитарная академия»

на тему: «Нитрифицирующие бактерии»

Выполнила Лутина М. В.

студентка 3 курса ЕГФ

Аммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении органических веществ, довольно быстро окисляется до азотистой, а затем азотной кислоты. Этот процесс получил название нитрификации.

До середины XIX в., точнее, до работ Л. Пастера явление образования нитратов объяснялось как химическая реакция окисления аммиака атмосферным кислородом, причем предполагалось, что почва играет роль химического катализатора. Л. Пастер предположил, что образование нитратов – микробиологический процесс. Первые экспериментальные доказательства этого предположения были получены Т. Шлезингом и А. Мюнцем в 1879 г. Эти исследователи пропускали сточные воды через длинную колонку с песком и CaCO3. При фильтрации аммиак постепенно исчезал и появлялись нитраты. Нагревание колонки или внесение антисептиков прекращало окисление аммиака.

Однако выделить культуры возбудителей нитрификации не удалось ни упомянутым исследователям, ни микробиологам, продолжавшим изучение нитрификации. Лишь в 1890 – 1892 гг. С.Н. Виноградский, применив особую методику, изолировал чистые культуры нитрификаторов. С. Н. Виноградский сделал допущение, что нитрифицирующие бактерии не растут на обычных питательных средах, содержащих органические вещества. Это было вполне правильным и объяснило неудачи его предшественников. Нитрификаторы оказались хемолитоавтотрофами, очень чувствительными к наличию в среде органических соединений. Эти микроорганизмы удалось выделить, используя минеральные питательные среды (Мишустин Е. Н., Емцев В. Т., 1987).

С. Н. Виноградский установил, что существуют две группы нитрификаторов. Одна группа осуществляет окисление аммиака до азотистой кислоты – первая фаза нитрификации (Лукомская К. А., 1987):

2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + 658 кДж

Однако это уравнение дает представление только о конечном результате процесса, который на самом деле значительно сложнее, и идет через образование ряда промежуточных продуктов. Схематический ход этого процесса окисления можно представить следующим циклом (Мишустин Е. Н., Емцев В. Т., 1987):

NH3 → NH2OH → HNO → HN(OH)2 → HNO2.

Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной – вторая фаза нитрификации (Лукомская К. А., 1987):

2HNO2 + O2→ 2HNO3 + 180 кДж

Этапность процесса нитрификации – характерный пример метабиоза, то есть такого рода трофических связей микробов, когда один микроорганизм развивается после другого на продуктах его жизнедеятельности. Аммиак – продукт жизнедеятельности аммонифицирующих бактерий используется Nitrosomonas, а нитриты, образующиеся последними, служат источником жизни для Nitrobacter.

Характеристика нитрифицирующих бактерий.

Бактерии обеих групп относят к семейству Nitrobacteriaceae. Это одноклеточные грамотрицательные бактерии. Среди нитрифицирующих бактерий имеются виды с весьма различающейся морфологией – палочковидные, эллипсоидные, сферические, извитые и дольчатые, плеоморфные. Размеры клеток разных видов Nitrobacteriaceae колеблются от 0,3 до 1 мкм в ширину и от 1 до 6,5 мкм в длину. Имеются подвижные и неподвижные формы с полярным, субполярным и перитрихиальным жгутикованием. Размножаются в основном делением, за исключением Nitrobacter, который размножается почкованием. Почти у всех нитрификаторов имеется хорошо развитая система внутрицитоплазматических мембран, значительно различающихся по форме и расположению в клетках разных видов (Гусев М. В., Минеева Л. А., 1985).

Бактерии первой фазы нитрификации представлены пятью родами: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus и Nitrosovibrio. Наиболее подробно изучен вид Nitrosomonas europaea.

Nitrosomonas представляет собой короткие овальные палочки размером 0,8-1×1-2 мкм. В жидкой культуре Nitrosomonas проходят ряд стадий развития. Две основные из них представлены подвижной формы и неподвижными зооглеями. Подвижная форма обладает субполярным жгутиком или пучком жгутиков (Авраменко И. Ф., 1979).

Вторую фазу нитрификации осуществляют представители родов Nitrobacter, Nitrospira и Nitrococcus. Наибольшее число исследований проведено с Nitrobacter winogradskii, однако описаны и другие виды (Nitrobacter agilis и др.).

Нитрифицирующие бактерии развиваются при pH 6-8,6, оптимум pH составляет 7,5-8. При pH ниже 6 и выше 9,2 эти бактерии не развиваются. Оптимальная температура развития нитрификаторов – 25-30°С. Изучение отношения различных штаммов Nitrosomonas europaea к температуре показало, что некоторые из них имеют оптимум развития при 26°С или около 40°С, а другие могут довольно быстро расти при 4°С (Мишустин Е. Н., Емцев В. Т., 1987).

Характеристика нитрифицирующих бактерий (по Watson, Valois, Waterbury, 1981)[1]