Аммонификация белков (минерализация азота)
Процесс выделения азота из аминокислот и превращение его в аммиачную форму называется аммонификацией. Микроорганизмы, вызывающие этот процесс, выделяют в окружающую среду протеолитические ферменты, под действием которых белки гидролизуются до аминокислот» Последние поступают в клетку и в ней дезаминируются с образованием аммиака, органических кислот и других продуктов.
Возбудителями процесса аммонификации являются аммонифицирующие или гнилостные бактерии. Их можно разделить на три группы по отношению к источникам кислорода:
1.Аэробы: Bacillus mycoides, Bacillus subtilis, Bacillus megatherium, Bacillus mesentericus.
Bacillus Mycoides – палочки 5-10 х 1,0-1,5 мкм, перитрихи, соединяются в цепочки, образуя жирные пленки на поверхности жидкой среды. Споры овальные, расположены эксцентрально (рис.33А).
Bacillus Subtilis - палочки короткие и тонкие, 3-5 х 0,6 мкм, нередко соединены в длинные нити. Споры овальные, расположены без строгой локализации (рис.33Г).
Bacillus Mesentericus -палочки тонкие, длинные и короткие, 3-10 х 0,5-0,6 мкм, одиночные или соединены в длинные нити. Споры овальные и продолговатые, бациллярного типа.
Bacillus Megatherium -клетки толстые до 2 мкм в диаметре, длина от 3 до 12 мкм. Содержимое клеток грубозернистое с большим количеством питательных веществ (жир, гликоген) (рис.33Б).
2. Анаэробы факультативные:
Proteus Vulgaris -палочки длиной от 1 до 20 мкм, перитрихи, спор не образуют, грамотрицательны (рис.33В) .
Escherichia СOli - кишечная палочка. Небольшие грамотри-цательные палочки, перитрихи, спор не образуют.
3.Анаэробы облигатные:
Bacillus Cadaveris, ВасIllus Putrificus - небольшие палочки до 5 мкм, образуют споры плектридиального типа. Выделяют трупные яды (кадаверин, путресцин)Рис. 33. Аммонификаторы белка (гнилостные бактерии)
Химизм процесса аммонификации:
1 этап - протеолиз белка – Проходит по схеме: NH2
Протеаза
Белок + N H2O аминокислоты (АК) : R—CH—COOH
2 этап – дезаминирование. -Бывает трех видов:
А)простое дезаминирование: NH2
R—CH—COOH R ═ CH—COOH + NH3
Б)окислительное дезаминирование: NH2
R—CH—COOH + ½ O2 R—CO—COOH + NH3
В)восстановительное дезаминирование:NH2
R—CH—COOH + H2 R—CH 2—COOH + NH3
Основные ферменты: протеазы, дезаминазы, трансаминазы.
Все аммонификаторы - гетеротрофы, аминогетеротрофы.
Значение процесса: перевод соединений азота в доступную для растений форму, подщелачивание кислых почв, порча пищевых продуктов. Многие аммонификаторы выделяют токсичные вещества (трупные яды – путресцин и кадаверин, а также ботулин – самый сильный пищевой яд).
13)Микробиологическая денитрификация в почве вызывает потерю минерального азота. Это достаточно широко распространенный в природе процесс, в результате которого в атмосферу ежегодно поступает из почв и водоемов 270—330 млн. т азота. Особенно существенную роль может играть этот процесс в переувлажненных почвах, а также в случаях, когда минеральные азотные удобрения вносят в форме нитратов совместно с навозом или другими органическими удобрениями. Анализ условий протекания денитрификации в почве приводится в специальной части учебника.Потери азота из почвы могут происходить и в результате различных химических реакций (косвенная денитрификация). Так, в кислых почвах при pH среды ниже 5,5 не исключается следующая химическая реакция с потерей N0:
3HN02 →2N0↑ +HNO3 + H 2O
Молекулярный азот образуется химическим путем при реакции между азотистой кислотой и аминокислотами или солями аммония, протекающей также при pH ниже 5,5:
R — NH2+НNO2→ N2↑ + R — ОН + H2О
ХИМИЧЕСКАЯ ДЕНИТРИФИКАЦИЯ — денитрификация, происходящая в результате взаимодействия нитратов с аминным или амидным азотом.
ДенитрификацияВ почве совершается ряд процессов, в результате которых окисленные формы азота (нитраты, нитриты) восстанавливаются в окислы азота или молекулярный азот. Это приводит к существенным потерям из почвы ценных для растений соединений. Восстановление нитратов и нитритов до газообразных азотных соединений происходит в результате процессов прямой и косвенной денитрификации. Под прямой денитрификацией подразумевают биологическое восстановление нитратов, а под косвенной — химическое восстановление нитратов. Прямая, или биологическая, денитрификация, в свою очередь, расчленяемся на процессы двух типов — ассимиляторную и диссимиляторную денитрификации. При ассимиляторной денитрификации нитраты восстанавливаются до NH3, который служит источником азота для построения клеточных веществ. К указанной денитрификации способны растения и многие микроорганизмы. В процессах диссимиляторной денитрификации нитраты используются в качестве окислителя органических веществ вместо молекулярного кислорода, что обеспечивает микроорганизмы необходимой энергией. Эти энергетические процессы называются процессами нитратного дыхания.Способностью диссимиляторной денитрификации обладают только специфические аэробные бактерии. Преобладающими родами денитрификаторов в почве являются Pseudomonas, Paracoccus.Помимо отмеченных мезофильных микроорганизмов, денитрификацию могут вызывать и термофильные бактерии, развивающиеся при температуре 55—65° С. Это спорообразующие бактерии, относящиеся, к роду Bacillus.Денитрифицирующие бактерии используют нитраты, в качестве акцептора водорода при отсутствии О2 для окисления органических веществ. При нитратном дыхании органические вещества полностью окисляются до СО2 и Н2О. Таким образом, денитрификаторы растут аэробно без нитратов или анаэробно в их присутствии. Большинство органических субстратов, использующихся в аэробном окислении, может быть потреблено при отсутствии О2, но с нитратами в среде. Существование денитрификаторов в анаэробных условиях обеспечивают не только нитраты, но и нитриты.В зависимости от вида микроорганизма, осуществляющего диссимиляторную денитрификацию нитратов или нитритов, конечными продуктами этих процессов являются N2, N2O, NO.Начальный этап восстановления нитратов при диссимиляторной денитрификации катализируется ферментом нитратредуктазой. Образование этого фермента в клетках микроорганизмов происходит под воздействием нитрата только в анаэробных условиях. В присутствии кислорода воздуха синтез нитратредуктазы не происходит.Восстанавливать нитраты могут некоторые хемолитоавтотрофы.
Денитрификация, осуществляемая микроорганизмами в почве, вызывает потерю минерального азота. Особенно существенную роль может играть этот процесс в переувлажненных почвах, а также в тех случаях, когда минеральные и азотные удобрения вносятся в почву в форме нитратов совместно с навозом или другими органическими удобрениями.
11. Аммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении органических веществ, довольно быстро окисляется до азотистой, а затем азотной кислоты. Этот процесс получил название нитрификация. Нитрификация — микробиологический процесс окисления аммиака до азотистой кислоты или её самой далее до азотной кислоты, что связано либо с получением энергии (хемосинтез, автотрофная нитрификация), либо с защитой от активных форм кислорода, образующихся при разложении пероксида водорода (гетеротрофная нитрификация).Автотрофные бактерии — это бактерии, которые могут синтезировать органические вещества из неорганических в результате фотосинтеза (фототрофные) и хемосинтеза (хемотрофные). К фототрофным относятся пурпурные и зеленые серобактерии, которые синтезируют составные части своего тела из минеральных веществ и углекислого газа, а энергию используют за счет света. Хемотрофные, или хемосинтетики, питаются за счет хемосинтеза, так как органические вещества синтезируются из неорганических за счет энергии, полученной при химических реакциях. К ним относятся нитрифицирующие, железо- и серобактерии. Явление хемосинтеза у бактерий открыл в 1887 г. С. Н. Виноградский. Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соли и аммиак в нитраты, усваиваемые растениями. Эти бактерии распространены в водоемах и почвах. Деятельность железобактерий состоит в том, что они окисляют закисные соединения железа в окисные. Они обитают в соленых и пресных водоемах, участвуя в круговороте железа в природе. Серобактерии также обитают в соленых и пресных водоемах. Они окисляют сероводород и другие соединения серы.
12.Роль процессов нитрификации в почве. В хорошо аэрируемой почве ионы NH4, освобождающиеся при минерализации азотсодержащих веществ, подвергаются быстрому окислению. Перевод катиона в анион ведет к подкислению почвы и тем самым к повышению растворимости минералов (солей калия, магния, кальция и фосфорной кислоты). Поэтому в нитрифицирующих микроорганизмах видели ранее важный фактор плодородия почв. Однако теперь эти представления изменились. Выяснилось, что ионы аммония задерживаются в почве гораздо лучше нитрата, особенно если они адсорбируются на глинистых минералах и более или менее прочно связываются с частицами гумуса; нитрат же легко вымывается. В связи с этим появилась тенденция к ограничению нитрификации в почвах сельскохозяйственных угодий. Ведутся поиски веществ, способных специфически подавлять рост нитрифицирующих бактерйй и служить своего рода «стабилизаторами» почвенного азота [к таким веществам относится, например, 2-хлор-6-(трихлорметил)-пири-дин].Следует учесть, что рост и метаболизм автотрофных нитрифицирующих бактерий протекает оптимально лишь в области рН от 7 до 8. Диапазон рН, в котором происходит полная нитрификация от аммиака до нитрата, очень узок, поскольку и свободный аммиак (при высоких значениях рН), и азотная кислота (при низких значениях рН) оказывают токсическое действие на Nitrobacter. Известно, что концентрации свободного NH3 и свободной HN02 зависят от рН среды. Нитрифицирующие бактерии косвенно участвуют в разрушении разного рода сооружений, для которых строительным материалом служат известь и цемент (т. е. различных зданий, автострад и т. п.). Это связано с тем, что нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, присутствую щий в атмосфере или выделяющийся из фекалий животных, до азотной кислоты.Восстановление нитратов до молекулярного азота наблюдается в анаэробных условиях в уплотненных и заболоченных почвах при содержании О2 ниже 0,2%. В водных средах наиболее важным, а часто и единственным продуктом денитрификации является молекулярный азот, который переходит в атмосферу.
14) Азотобактерии— группа аэробных свободноживущих бактерий (азотобактер и другие), способных фиксировать азот из воздуха и тем самым обогащать им почву. При расширенном понимании термина к группе азотобактерий иногда относят все микроорганизмы почвы, способные самостоятельно или в симбиозе (например, клубеньковые бактерии на бобовых) фиксировать атмосферный азот. Азотобактерии входят в состав бактериального препарата азотобактерина (иначе — азотогена), применяемого для удобрения полей.(способны фиксировать азот из воздуха)
Маслянокислые бактерии — крупные, подвижные грамположительные палочки, образующие устойчивые споры, облигатные (строгие) анаэробы, характеризующихся способностью сбраживать сахара с образованием масляной кислоты.Процесс сбраживания маслянокислыми бактериями называют маслянокислым брожением. Наряду с масляной кислотой, эти бактерии могут образовывать также уксусную, молочную, капроновую, каприловую и др. кислоты, этиловый и бутиловый спирты.Представители маслянокислых бактерий обычно условно объединяют в род Клостридии (Clostridium, типичные виды — Clostridium pasteurianum, С. bиtyricum), близкие виды — ацетонобутиловые бактерии (С. acetobutylicum), способные к ацетонобутиловому брожению.Маслянокислые бактерии широко распространены в почве и илах, разлагают огромные количества органики. Некоторые виды фиксируют азот. Эти бактерии способны усваивать белковый, аминокислотный и аммонийный азот, а некоторые даже азот воздуха. Они чувствительны к кислой реакции среды.Оптимальная температура для роста маслянокислых бактерий = 30-40 °С, при рН ниже 4,9 они не развиваются. Споры выносят кипячение в течение 1—2 мин и не погибают при пастеризации.Маслянокислые бактерии вызывают порчу продуктов. При развитии этих бактерий в молочнокислых продуктах появляется неприятный острый запах масляной кислоты, наблюдается бурное выделение газа, что обусловливает прогоркание продукта. Маслянокислые бактерии часто являются причиной порчи мясных, рыбных, овощных и пр. консервов, и длительно хранящихся молочных продуктах (сыр, творог, сливки и др.).Выявлены штаммы маслянокислых бактерий, способных образовывать токсины.Эти бактерии опасны для спиртового производства, так как вырабатываемая ими масляная кислота даже в очень малых концентрациях (0,0005%) подавляет развитие дрожжей[1].
Сине –зеленые водоросли В названии отдела (от греч. cyanos– синий) отражена характерная особенность этих водорослей – окраска таллома, связанная с относительно высоким содержанием синего пигмента фикоцианина. Цианофиты обычно имеют специфический сине-зеленый цвет. Однако их окраска может сильно варьировать в зависимости от комбинации пигментов – быть почти зеленой, оливковой, желтовато-зеленой, красной и др. В последние годы для синезеленых водорослей все чаще используют другое название – "цианобактерии". Это название лучше отражает две важнейшие характерные черты этих организмов – прокариотическую природу клеток и тесную связь с эубактериями. С другой стороны, традиционное название указывает на такие черты, как способность к оксигенному фотосинтезу и сходство между структурой синезеленых водорослей и структурой хлоропластов эукарио
Известно около 2 тысяч видов цианофит, широко распространенных в морских и пресных водах и в наземных местообитаниях.Клетка синезеленых водорослей прокариотная. Она состоит из клеточных покровов (клеточной стенки) и внутреннего содержимого – протопласта, к которому относятся плазмалемма и цитоплазма с различными структурами: фотосинтетический аппарат, ядерный эквивалент, рибосомы, гранулы и др. У синезеленых водорослей отсутствуют органоиды, окруженные мембранами: ядро, хлоропласты и т.д., а также немембранные структуры: микротрубочки, центриоли, микрофиламенты.Наиболее характерными чертами строения клетки синезеленых водорослей являются:Отсутствие типичных ядер, окруженных ядерными мембранами; ДНК лежит в центре клетки свободно.Локализация фотосинтетических пигментов в тилакоидах при отсутствии хлоропластов; тилакоиды содержат хлорофилл а.Маскировка зеленых хлорофиллов красным – фикоэритрином и синими пигментами – фикоцианином и аллофикоцианином.ДНК расположена в фибриллярно-зернистой нуклеоплазматической области, не окружена мембраной.
Азотфиксирующие микроорганизмы азотфиксаторы, микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот воздуха. К А. м. относятся бактерии из рода Rhisobium (см. Клубеньковые бактерии), живущие в симбиозе с бобовыми растениями (горох, лупин, клевер, люцерна и др.). На 1 га почвы, занятой бобовыми растениями, на корнях которых образуются клубеньки, связывается 100 — 250 кг и более атмосферного азота в год. А. м. являются также некоторые Актиномицеты и др. микроорганизмы, образующие клубеньки на корнях небобовых растений (например, ольхи, лоха и др.). Азотфиксирующие бактерии образуют узелки в тканях листьев ряда тропических растений, которые без таких узелков нормально развиваться не могут. Активные азотфиксаторы — свободно живущие микроорганизмы, обитающие в почве и водоёмах. Это — анаэробная спороносная бактерия клостридиум, открыта С. Н. Виноградским (См. Виноградский); аэробный микроорганизм — Азотобактер, занимающий по азотфиксирующей активности первое место (до 25 г азота на 1 кг использованного сахара), однако распространённый в почве менее, чем клостридиум; к А. м. относятся и т. н. олигонитрофилы (бактерии, хорошо растущие на безазотистых питательных средах) и некоторые виды Pseudomonas. Способность усваивать атмосферный азот установлена у микобактерий и у ряда ацетоноэтиловых бактерий (Bacillus polymyxa, Вас. macerans). Активными азотфиксаторами являются и многие виды сине-зелёных водорослей (Nostoc, Апаbaena и др.), некоторые пурпурные серобактерии и зелёные бактерии. Участвуют в фиксации атмосферного азота некоторые виды грибов, дрожжей и спирохет. А. м. имеют очень важное значение в круговороте азота в природе и, в частности, в снабжении доступными формами азота растений, которые не способны усваивать его из воздуха, а получают азот после минерализации белка