Podľa typu výživy sa všetky známe živé organizmy delia na dva veľké typy: hetero- a autotrofy. Charakteristickou črtou týchto látok je ich schopnosť nezávisle vytvárať nové prvky z oxidu uhličitého a iných anorganických látok.
Zdroje energie, ktoré podporujú ich životnú aktivitu, určujú ich rozdelenie na fotoaftotrofy (zdrojom je svetlo) a chemoautotrofy (zdrojom minerály). A v závislosti od názvu substrátu oxidovaného chemoauthortofytmi sa delia na vodíkové a nitrifikačné baktérie, ako aj baktérie síry a železa.
Tento článok bude venovaný najbežnejšej skupine z nich – nitrifikačným baktériám.
História objavov
Už v polovici 19. storočia nemeckí vedci dokázali, že proces nitrifikácie je biologický. Empiricky ukázali, že keď sa do splaškovej vody pridal chloroform, oxidácia čpavku sa zastavila. Ale na vysvetlenie, prečo sa to deje, niemohol.
Urobil to o niekoľko rokov neskôr ruský vedec Vinogradsky. Identifikoval dve skupiny baktérií, ktoré sa postupne podieľali na procese nitrifikácie. Jedna skupina teda zabezpečovala oxidáciu amónia na kyselinu dusičnú a druhá skupina baktérií bola zodpovedná za jej premenu na kyselinu dusičnú. Všetky nitrifikačné baktérie zapojené do tohto procesu sú gramnegatívne.
Funkcie oxidačného procesu
Proces tvorby dusitanov oxidáciou amónneho má niekoľko stupňov, počas ktorých vznikajú zlúčeniny obsahujúce dusík s rôznym stupňom oxidácie skupiny NH.
Prvým produktom oxidácie amónia je hydroxylamín. S najväčšou pravdepodobnosťou vzniká v dôsledku zahrnutia molekulárneho kyslíka do skupiny NH4, hoci tento proces nebol nakoniec dokázaný a zostáva diskutabilný.
Potom sa hydroxylamín premení na dusitany. Pravdepodobne sa proces uskutočňuje tvorbou NOH (hyponitritu) s uvoľňovaním oxidu dusného. V tomto prípade vedci považujú produkciu oxidu dusného len za vedľajší produkt syntézy, kvôli redukcii dusitanov.
Okrem výroby chemických prvkov sa pri denitrifikácii uvoľňuje veľké množstvo energie. Podobne ako v heterotrofných aeróbnych organizmoch je v tomto prípade syntéza molekúl ATP spojená s redoxnými procesmi, v dôsledku ktorých sa elektróny prenášajú na kyslík.
Pri oxidácii dusitanov zohráva dôležitú úlohu proces spätného transportuelektróny. K začleneniu jeho elektrónov do reťazca dochádza priamo v cytochrómoch (typ C a / alebo typ A), čo si vyžaduje pomerne veľké množstvo energie. Výsledkom je, že chemoautotrofné nitrifikačné baktérie sú plne vybavené potrebnou energetickou rezervou, ktorá sa využíva na procesy budovania a asimilácie oxidu uhličitého.
Typy nitrifikačných baktérií
V prvej fáze nitrifikácie sa zúčastňujú štyri rody nitrobaktérií:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Mimochodom, na navrhovanom obrázku (fotke pod mikroskopom) môžete vidieť nitrifikačné baktérie.
Experimentálne je medzi nimi dosť ťažké a často úplne nemožné vyčleniť jednu z kultúr, takže ich posudzovanie je prevažne zložité. Všetky uvedené mikroorganizmy majú veľkosť do 2-2,5 mikrónu a majú prevažne oválny alebo okrúhly tvar (s výnimkou nitrospir, ktoré majú tvar tyčinky). Sú schopné binárneho štiepenia a riadeného pohybu v dôsledku bičíkov.
Druhá fáza nitrifikácie prebieha:
- rod Nitrobacter;
- typ nitrospinu;
- nitrococus.
Najviac študovaný kmeň baktérií rodu Nitrbacter, pomenovaný po svojom objaviteľovi Vinogradskom. Tieto nitrifikačné baktérie majú bunky hruškovitého tvaru, množia sa pučaním, pričom vytvárajú pohyblivú (v dôsledku bičíka) dcérske bunky.
Štruktúra baktérií
Študované nitrifikačné baktérie majú podobnú bunkovú štruktúru ako iné gramnegatívne mikroorganizmy. Niektoré z nich majú pomerne vyvinutý systém vnútorných membrán, ktoré tvoria stoh v strede bunky, zatiaľ čo iné sú umiestnené viac na okraji alebo tvoria štruktúru vo forme pohára pozostávajúceho z niekoľkých listov. Zrejme práve s týmito formáciami sú spojené enzýmy, ktoré sa podieľajú na procese oxidácie špecifických substrátov nitrifikátormi.
Typ potravy s nitrifikačnými baktériami
Nitrobaktérie sú povinné autotrofy, pretože nie sú schopné využívať exogénne organické látky. Experimentálne však bola preukázaná schopnosť niektorých kmeňov nitrifikačných baktérií využívať niektoré organické zlúčeniny.
Zistilo sa, že substrát obsahujúci kvasinkové autolyzáty, serín a glutamát v nízkych koncentráciách stimuluje rast nitrobaktérií. K tomu dochádza v prítomnosti dusitanov aj v ich neprítomnosti v živnom médiu, hoci proces je oveľa pomalší. Naopak, v prítomnosti dusitanov je oxidácia acetátu potlačená, ale výrazne sa zvyšuje inkorporácia jeho uhlíka do bielkovín, rôznych aminokyselín a iných bunkových zložiek.
V dôsledku viacerých experimentov boli získané údaje, že nitrifikačné baktérie môžu stále prejsť na heterotrofnú výživu, ale ako produktívne a ako dlho môžu existovať v takýchto podmienkach, sa ešte len uvidí. Pokiaľ sú údaje dostatočnénekonzistentné na vyvodenie konečných záverov v tejto veci.
Bytop a význam nitrifikačných baktérií
Nitrifikačné baktérie sú chemoautotrofy a sú v prírode široko rozšírené. Nachádzajú sa všade: v pôde, rôznych substrátoch, ako aj vo vodných útvaroch. Proces ich životne dôležitej činnosti výrazne prispieva k celkovému cyklu dusíka v prírode av skutočnosti môže dosiahnuť obrovské rozmery.
Napríklad taký mikroorganizmus ako nitrocystis oceanus, izolovaný z Atlantického oceánu, patrí k obligátnym halofilom. Môže existovať iba v morskej vode alebo substrátoch, ktoré ju obsahujú. Pre takéto mikroorganizmy je dôležitý nielen biotop, ale aj také konštanty ako pH a teplota.
Všetky známe nitrifikačné baktérie sú klasifikované ako obligátne aeróby. Potrebujú kyslík na oxidáciu amónia na kyselinu dusičnú a kyselinu dusičnú na kyselinu dusičnú.
Podmienky biotopu
Ďalším dôležitým bodom, ktorý vedci identifikovali, je, že miesto, kde žijú nitrifikačné baktérie, by nemalo obsahovať organickú hmotu. Bola predložená teória, že tieto mikroorganizmy v zásade nemôžu využívať organické zlúčeniny zvonku. Boli dokonca nazývané obligátnymi autotrofmi.
Následne bol opakovane dokázaný škodlivý účinok glukózy, močoviny, peptónu, glycerínu a iných organických látok na nitrifikačné baktérie, ale experimenty nekončia.
Význam nitrifikačných baktérií prepôda
Donedávna sa verilo, že nitrifikátory majú priaznivý vplyv na pôdu, zvyšujú jej úrodnosť rozkladom amónia na dusičnany. Tie sú nielen dobre absorbované rastlinami, ale aj samotné zvyšujú rozpustnosť určitých minerálov.
V posledných rokoch sa však vedecké názory menia. Bol odhalený negatívny vplyv opísaných mikroorganizmov na úrodnosť pôdy. Nitrifikačné baktérie, tvoriace dusičnany, okysľujú prostredie, čo nie je vždy pozitívne, a tiež vyvolávajú saturáciu pôdy amónnymi iónmi vo väčšej miere ako dusičnany. Navyše, dusičnany majú schopnosť redukovať sa na N2 (počas denitrifikácie), čo následne vedie k vyčerpaniu pôdy o dusík.
Aké je nebezpečenstvo nitrifikačných baktérií?
Niektoré kmene nitrobaktérií v prítomnosti organického substrátu môžu oxidovať amónium, vytvárať hydroxylamín a následne dusitany a dusičnany. V dôsledku takýchto reakcií sa môžu vyskytnúť aj hydroxámové kyseliny. Okrem toho množstvo baktérií vykonáva proces nitrifikácie rôznych zlúčenín, ktoré obsahujú dusík (oxímy, amíny, amidy, hydroxamáty a iné nitrozlúčeniny).
Rozsah heterotrofnej nitrifikácie za určitých podmienok môže byť nielen obrovský, ale aj veľmi škodlivý. Nebezpečenstvo spočíva v tom, že pri takýchto premenách dochádza k tvorbe toxických látok, mutagénov a karcinogénov. Preto sú vedci blízkopracujú na štúdiu tejto témy.
Biologický filter, ktorý je vždy po ruke
Nitrifikačné baktérie nie sú abstraktný pojem, ale veľmi bežná forma života. Navyše ich často používajú ľudia.
Tieto baktérie sú napríklad súčasťou biologických filtrov pre akváriá. Tento typ čistenia je menej nákladný a nie je taký prácny ako mechanické čistenie, no zároveň si vyžaduje dodržanie určitých podmienok, aby bol zabezpečený rast a životne dôležitá aktivita nitrifikačných baktérií.
Najpriaznivejšou mikroklímou je pre nich teplota okolia (v tomto prípade vody) rádovo 25-26 stupňov Celzia, stály prísun kyslíka a prítomnosť vodných rastlín.
Nitrifikačné baktérie v poľnohospodárstve
Na zvýšenie výnosov používajú farmári rôzne hnojivá obsahujúce nitrifikačné baktérie.
Výživu pôdy v tomto prípade zabezpečujú nitrobaktérie a azotobaktérie. Tieto baktérie extrahujú z pôdy a vody potrebné látky, ktoré pri oxidačnom procese tvoria dostatočne veľké množstvo energie. Ide o takzvaný proces chemosyntézy, kedy sa prijatá energia využíva na vytvorenie zložitých molekúl organického pôvodu z oxidu uhličitého a vody.
Tieto mikroorganizmy nevyžadujú živiny zo svojho prostredia – dokážu si ich vyrobiť samy. Takže, ak zelené rastliny, ktoré sú tiež autotrofy, potrebujúslnečné svetlo, potom nie je potrebné pre nitrifikačné baktérie.
Samočistiaca pôda
Pôda je ideálny substrát pre rast a rozmnožovanie nielen rastlín, ale aj mnohých živých organizmov. Preto je mimoriadne dôležitý jeho normálny stav a vyvážené zloženie.
Treba si uvedomiť, že nitrifikačné baktérie zabezpečujú aj biologické čistenie pôdy. V pôde, nádržiach alebo humuse premieňajú amoniak, ktorý uvoľňujú iné mikroorganizmy a odpadové organické látky, na dusičnany (presnejšie na soli kyseliny dusičnej). Celý proces pozostáva z dvoch krokov:
- Oxidácia amoniaku na dusitany.
- Oxidácia dusitanov na dusičnany.
Zároveň každé štádium zabezpečujú samostatné typy mikroorganizmov.
Takzvaný začarovaný kruh
Obeh energie a udržiavanie života na Zemi je možné vďaka dodržiavaniu určitých zákonov existencie všetkého živého. Na prvý pohľad je ťažké pochopiť, čo je v stávke, ale v skutočnosti je všetko celkom jednoduché.
Predstavme si nasledujúci obrázok zo školskej učebnice:
- Anorganické látky spracovávajú mikroorganizmy a vytvárajú tak v pôde priaznivé podmienky pre rast a výživu rastlín.
- Sú zase nenahraditeľným zdrojom energie pre väčšinu bylinožravcov.
- Ďalším reťazcom tohto životného spojenia sú predátori, ktorých energia je,respektíve ich bylinožravé náprotivky.
- O ľuďoch je známe, že sú vrcholovými predátormi, čo znamená, že môžeme získať energiu zo sveta rastlín aj zvierat.
- A už zostáva náš vlastný život, ako aj práve tie rastliny a živočíchy, ktoré slúžia ako živný substrát pre mikroorganizmy.
Dostáva sa tak začarovaného kruhu, ktorý nepretržite funguje a poskytuje život všetkému životu na Zemi. Keď poznáme tieto princípy, nie je ťažké si predstaviť, aká mnohostranná a vlastne neobmedzená je sila prírody a všetkého živého.
Záver
V tomto článku sme sa pokúsili odpovedať na otázku, čo sú nitrifikačné baktérie v biológii. Ako vidíte, napriek nezvratným dôkazom o životne dôležitej aktivite, fungovaní a vplyve týchto mikroorganizmov, stále existuje veľa kontroverzných otázok, ktoré si vyžadujú ďalší experimentálny výskum.
Nitrifikačné baktérie sú klasifikované ako chemotrofy. Ako zdroj energie im slúžia rôzne minerály. Napriek svojej mikroskopickej veľkosti majú tieto živé organizmy obrovský vplyv na svet okolo nich.
Ako viete, chemotrofy nedokážu absorbovať organické zlúčeniny, ktoré sú v substráte (pôda alebo voda). Naopak, vyrábajú stavebný materiál na vytvorenie živej a fungujúcej bunky.
