logo
logo

В цикл превращений азота, вызываемых различными микроорганиз­мами, входят реакции синтеза сложных азотистых соединений (белков) и реакции минерализации их до солей азотной и азотистой кислоты или молекулярного азота. Этот цикл состоит из четырех этапов.

Первый этап— фиксация молекулярного азота, конечным продуктом кото­рого являются азотсодержащие органические вещества.

Второй этап — ми­нерализация азотсодержащих веществ, или гнилостные процессы. Конечным продуктом данных процессов является аммиак.

Третий этап — окисление аммиака до нитратов и нитритов, или нитрификация.

Четвертый этап — час­тичное усвоение нитратов корневой системой растений и частичное восста­новление их до аммиака и молекулярного азота, или денитрификация.

Фиксация молекулярного азота. Изучение природы биологической фик­сации азота было начато С. Н. Виноградским в 1893 г. и продолжено В. Л. Омелянским, СЛ. Костычевым, М. В. Федоровым и др. Способностью фиксировать молекулярный азот обладают многие микроорганизмы, принадлежащие к различным систематическим группам: бактерии, актиномицеты, грибы, цианобактерии.

Азотфиксирующие микроорганизмы можно разделить на две группы: свободноживущие и симбиотические, т. е. вступающие в сожительство с высшими растениями. Классическими представителями свободноживущих азотфиксаторов являются бактерии рода Azotobacter и анаэробная палоч­ка CI. pasteurianum.

Бактерии рода Azotobacter в молодой культуре - крупные палочки, с возрастом они постепенно уменьшаются в размерах и превращаются в кок­ки, покрытые толстой слизистой капсулой. Молодые клетки подвижны, пе­ритрихи. При старении и образовании капсул подвижность утрачивается. В зависимости от вида образуются на плотных питательных средах полупроз­рачные выпуклые колонии, окрашенные в желтый (Az. vinelandii), темно- коричневый (Az. chroococcum) или флюоресцирующий желто-зеленый цвет (Az. agile). Оптимальная температура развития 28 — 30 С, рН 7,2 - 8,0, аэробы.

Бактерии рода Azotobacter обладают способностью синтезировать био­логически активные вещества — витамины группы В, никотиновую и пантотеновую кислоты и фунгистатический (задерживающий рост грибов) анти­биотик группы анисомицииа. Они широко распространены в почвах, водо­емах, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию среды и содер­жащих легкодоступные органические вещества. Значительно улучшают рост растений и состояние кормовой базы водоема.

CI. pasteurianum - грамположительные облигатные анаэробы, предель­ное рН 5,5 — 8,0. Споры выдерживают температуру 96°С, а при 100°С поги­бают. Широко распространены во всех почвах, особенно в слежавшихся или залитых водой.

Связывать молекулярный азот воздуха могут и другие микроорганиз­мы: Azotomonasfluorescens, Azotomonasinsolita, микобактерии, фотосинтезирирующие бактерии, а также некоторые актиномицеты и циано- бактерии.

Наряду со свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами в почве обитают и симбиотические азотфиксаторы, открытые русским уче­ным М. С. Ворониным в 1866 г. на корнях люпина и ольхи в виде клубень­ков, поэтому их стали называть клубеньковыми бактериями. Клубенько­вые бактерии — грамотрицательные, не образующие спор подвижные палоч­ки. В клубеньках клетки имеют раздутую или ветвистую форму, напомина­ющую буквы V, L, X. Такие формы принято называть бактероидами. Они проникают в корни растений через корневые волоски, где образуют инфек­ционные нити.

Способность азотфиксирующих бактерий фиксировать азот воздуха и обогащать им почву нашла практическое применение в изготовлении бакте­риальных удобрений - нитрагина и азотобактерина.

Гнилостные процессы. Процесс минерализации белковых веществ мик­роорганизмами, протекающий с выделением аммиака или образованием ам­монийных солей, получил название гниения, или аммонификации белков. Расщепление белка начинается с процесса гидролиза, который осуществля­ется внеклеточными протеолитическими ферментами, выделяющимися гни­лостными микроорганизмами. В результате образуются более простые продукты:

Белок + nН20--- > Пептоны + nН20---> Полипептиды +nН20---> Аминокислоты.

Из этих органических соединений наиболее доступны для микроорга­низмов аминокислоты. Часть из них микроорганизмы используют для пи­тания и получения энергии. Сами по себе аминокислоты не являются макроэргическими соединениями, но окисление некоторых из них сопровождает­ся синтезом АТФ или образованием пировиноградной кислоты, входящей в цикл трикарбоновых кислот. Определенные микроорганизмы обладают специальными механизмами для получения энергии за счет окисления аминокислот. Конечный продукт гидролиза белка - аминокислоты диф­фундируют внутрь клеток микроорганизмов. Внутри клетки происходит расщепление аминокислот под действием эндоферментов — дезаминаз и декарбоксилаз. В результате этого может отщепляться или аминная NH2 (процесс дезаминирования), или карбоксильная С02 (процесс декарбоксилирования) группы.

При свободном доступе кислорода происходит глубокое расщепление белков, продукты гидролиза подвергаются полному окислению и образу­ют аммиак, углекислый газ, воду, сероводород, соли фосфорной кислоты.

Гниение белков в анаэробных условиях не сопровождается полным окислением промежуточных продуктов расщепления аминокислот. При дезаминировании аминокислот жирного ряда конечными продуктами мо­гут быть аммиак и жирные кислоты (муравьиная, уксусная, масляная и др.), спирты, метан.

Аминокислоты, содержащие серу, расщепляются с выделением серо­водорода, меркаптанов, обладающих неприятным запахом. При расщеп­лении аминокислот ароматического ряда промежуточными продуктами являются фенол, индол, скатол — вещества, тоже обладающие неприятным запахом. При декарбоксилировании диаминокислот с отщеплением угле­кислого газа из карбоксильной группы, но без отщепления аммиака обра­зуются диамины (лизин, орнитин). Лизин превращается в кадаверин, орнитин — в путресцин. Органические соединения типа кадаверина и путрес- цина относятся к птомаинам, которые считались трупными ядами. В нас­тоящее время установлено, что ядами являются не сами птомаины, а их производные (нейрин, мускарин, сепсин, гадинин и др.) .

В гниении принимают участие микроорганизмы, широко распространен­ные в воде, воздухе, почве. В настоящее время установлено, что в развитии процесса гниения наблюдается определенная закономерность и идет он в строгой последовательности: на разлагающейся массе первоначально доминируют бактерии, которые сменяются бациллами; в период максимального выделения аммиака к бациллам примыкают актиномицеты и микроско­пические грибы.

Основными возбудителями гниения являются: аэробные, факульта­тивно-анаэробные и анаэробные микроорганизмы.

К аэробным микроорганизмам, вызывающим гниение, принадлежат Baccillussubtilis, Bacillusmycoides, Bacilluscereus, Bacillusmegaterium, бактерии рода Pseudomonas.

Bacillussubtilis — очень подвижная, с перитрихиальным жгутикова- нием, грамположительная, спорообразующая аэробная палочка. Споры овальные, располагаются без строгой локализации (но чаще ближе к центру клетки). Обладает высокой протеолитической способностью, выделяет большое количество аммиака. Оптимальный рН 7,5 — 8,5. Развивается в широком диапазоне температур (от 5 до 60 С), оптимальная темпера­тура развития 35 — 40°С. Споры Вас. subtilis термоустойчивы и нередко сохраняются в консервах, стерилизованных при 120 С.

Bacillus mvcoides — подвижная грамположительная спорообразующая аэробная палочка, активный аммонификатор, при расщеплении белка, серо­водорода не образует. На плотных питательных средах образует пушистые, стелющиеся по поверхности колонии, как грибной мицелий.

Бактерии рода Pseudomonas - аэробные подвижные палочки с поляр­ным жгутикованием, неспорообразующие, грамотрицательные, многие ви­ды холодоустойчивы, активно способствующие расщеплению белка. При рН ниже 5,5 и 5 — 6%-ном содержании соли в среде их биологическая актив­ность снижается. Среди них есть антагонисты некоторых бактерий и грибов. Обитают в воде, почве, часто встречаются на рыбе.

К факультативно-анаэробным гнилостным микроорганизмам принадле­жит Bact. Proteusvulgaris, который отличается большой полиморфностью: молодые культуры представляют собой мелкие палочки, при дальнейшем культивировании — длины нити. Обладает большой подвижностью (перитрихи), грамотрицательные. Колонии на агаре стелются по поверхности прозрачным налетом, так называемым роением. Отдельные клетки скользят по поверхности среды, дают начало росту новых клеток. Хорошо развиваются на белковых средах. При расщеплении белков выделяют амминый рН 6,5. Обнаруживаются в воде, почве, гниющих субстратах.

К анаэробным гнилостным микроорганизмам относятся CI. putrificum и CI. sporogenes. CI. putrificum - подвижная палочка (перитрих), споры шаровидные, расположены на конце в форме барабанной палочки, термо­устойчивы. Белки расщепляют с образованием большого количества амми­ака и сероводорода. Оптимальная температура развития 37 — 43°С, мини­мальная 5°С. Обнаруживаются в почве, воде, гниющих субстратах.

CI. sporogenes — подвижная палочка с перитрихиальным жгутиковани­ем, споры овальные, расположены центрально, образуются быстро. Опти­мальная температура 30 — 40°С, могут расти и при 50°С; минимальная — около 5 С. При расщеплении белков наблюдается обильное выделение се­роводорода. Оба названных вида известны как возбудители порчи баноч­ных консервов — бомбажа.

В гнилостном расщеплении белков принимают участие и различные ак- тинсмицеты и микроскопические грибы родов Penicillium, Mucor, Botritis, Aspergillus, Trichoderma и др.

В рыбообрабатывающей промышленности гниение является нежела­тельным процессом и наносит большой материальный ущерб. Порча рыбы, рыбопродуктов, консервов (если хранить их в условиях, благоприятных для развития гнилостных микроорганизмов) наступает быстро и про­текает очень энергично. Лишь в отдельных случаях, например при созрева­нии сельди, расщепление белков является необходимым процессом.

Разложение, или аммонификация, мочевины. Мочевина является ко­нечным продуктом белкового обмена у большинства позвоночных живот­ных и человека и выводится из организма с мочой. Количество мочевины, выделямой во внешнюю среду, очень велико.

Микробиологическую природу разложения мочевины впервые устано­вил Луи Пастер. В настоящее время известна значительная группа уробак­терий, вызывающих этот процесс. Многие из них вызывают гидролитичес­кое разложение мочевины при участии фермента уреазы:

(NH2)2СО + 2H2О ----------> (NH4)2СО3.

Мочевина                       Углекислый аммоний

Аминная форма азота превращается в более легко усваиваемую ам­миачную:

(NH4)2 С03------------> 2NH3 + С02 + Н20.

Разложение мочевины происходит преимущественно в аэробных усло­виях под действием таких микроорганизмов, как Micrococcusureae, Sarcinaureae, неспороносные палочки Urobacillpasteurii и спороносные палочки Urobacillusmiquelii и др. Перечисленные микроорганизмы довольно актив­ны в слабокислой, нейтральной и щелочной среде (рН до 10). За счет раз­ложения мочевины почва и водоемы обогащаются доступными для расте­ний формами азота.

Нитрификация. Аммонийные соли, образующиеся в процессах аммони­фикации, подвергаются в почве окислению и переходят в соли азотистой и затем азотной кислоты. Процесс окисления аммиака и аммиачных солей до азотной кислоты называется нитрификацией, а бактерии, вызывающие его — нитрифицирующими. Сущность нитрификации была выяснена рус­ским ученым С.Н. Виноградским в 1988 г. Нитрификация протекает в две фазы. В первой фазе аммиак окисляется до нитритов:

2NH3 + 302 --------- >-2HN02 + 2Н20 + х кДж.

Возбудителями первой фазы являются нитрозные бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus.

Для второй фазы характерно окисление нитритов до нитратов:

2HN02 + 02 ---------- ?2HN03 +х кДж.

Возбудителями второй фазы нитрификации являются нитратные бак­терии родов Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina.

Нитрифицирующие бактерии являются типичными хемоавтотрофами, которые развиваются на чисто минеральных средах, а для синтеза орга­нических соединений используют углерод из С02. Нитрифицирующие бактерии являются аэробами, оптимальная температура развития 28 — 30°С, грамотрицательны, спор не образуют, энергию получают при окислении неорганических веществ. Нитрифицирующие бактерии широко распрос­транены в природе: в почве, воде. Они обогащают почву и водоемы нит­ратами, которые являются основными источниками азотистого питания для растений.

Денитрификации. Денитрификацией называется процесс восстановле­ния бактериями солей азотной кислоты до молекулярного азота:

KNO3 --------> KN02 -----------> KNO -------->N2.

Микроорганизмы, вызывающие денитрификацию, называются денит­рифицирующими. Это в основном палочковидные бактерии Pseudomonasdenitrificans, Bact. stutzeri, факультативные анаэробы. Восстановление нитратов происходит в анаэробных условиях. Денитрифицирующие бак­терии широко распространены в природе, встречаются в почве, воде. Де­нитрифицирующие микроорганизмы способствуют обеднению водоемов и почв, так как образующийся свободный азот улетучивается в атмос­феру.

krendel