В цикл превращений азота, вызываемых различными микроорганиами, 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 котого являются азотсодержащие органические вещества.

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

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

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

Фиксация молекулярного азота. Изучение природы биологической фиации 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 палоа CI. pasteurianum.

Бактерии рода Azotobacter в молодой культуре - крупные палочки, с возрастом они постепенно уменьшаются в размерах и превращаются в кои, покрытые толстой слизистой капсулой. Молодые клетки подвижны, питрихи. При старении и образовании капсул подвижность утрачивается. В зависимости от вида образуются на плотных питательных средах полупроачные 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 биогически активные вещества — витамины группы В, никотиновую и пантотеновую кислоты и фунгистатический (задерживающий рост грибов) антиотик группы анисомицииа. Они широко распространены в почвах, водмах, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию среды и содеащих легкодоступные органические вещества. Значительно улучшают рост растений и состояние кормовой базы водоема.

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

Связывать молекулярный азот воздуха могут и другие микроорганиы: 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 учым М. С. Ворониным в 1866 г. на корнях люпина и ольхи в виде клубенов, поэтому их стали называть клубеньковыми бактериями. Клубенькые бактерии — грамотрицательные, не образующие спор подвижные палои. В клубеньках клетки имеют раздутую или ветвистую форму, напоминщую буквы V, L, X. Такие формы принято называть бактероидами. Они проникают в корни растений через корневые волоски, где образуют инфеионные нити.

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

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

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

Из этих органических соединений наиболее доступны для микрооргизмов аминокислоты. Часть из них микроорганизмы используют для пания и получения энергии. Сами по себе аминокислоты не являются макроэргическими соединениями, но окисление некоторых из них сопровождаея 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 диундируют 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 образт 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 мут быть аммиак и жирные кислоты (муравьиная, уксусная, масляная и др.), спирты, метан.

Аминокислоты, содержащие серу, расщепляются с выделением серодорода, меркаптанов, обладающих неприятным запахом. При расщеении аминокислот ароматического ряда промежуточными продуктами являются фенол, индол, скатол — вещества, тоже обладающие неприятным запахом. При декарбоксилировании диаминокислот с отщеплением углислого газа из карбоксильной группы, но без отщепления аммиака обруются 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 наоящее время установлено, что ядами являются не сами птомаины, а их производные (нейрин, мускарин, сепсин, гадинин и др.) .

В гниении принимают участие микроорганизмы, широко распространеые 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 микроскические грибы.

Основными возбудителями гниения являются: аэробные, факультивно-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 темперура 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, серодорода не образует. На плотных питательных средах образует пушистые, стелющиеся по поверхности колонии, как грибной мицелий.

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

К факультативно-анаэробным гнилостным микроорганизмам принадлит 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, термстойчивы. Белки расщепляют с образованием большого количества аммка и сероводорода. Оптимальная температура развития 37 — 43°С, минальная 5°С. Обнаруживаются в почве, воде, гниющих субстратах.

CI. sporogenes — подвижная палочка с перитрихиальным жгутикованм, споры овальные, расположены центрально, образуются быстро. Оптальная температура 30 — 40°С, могут расти и при 50°С; минимальная — около 5 С. При расщеплении белков наблюдается обильное выделение соводорода. Оба названных вида известны как возбудители порчи баноых 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 нежелельным процессом и наносит большой материальный ущерб. Порча рыбы, рыбопродуктов, консервов (если хранить их в условиях, благоприятных для развития гнилостных микроорганизмов) наступает быстро и прекает очень энергично. Лишь в отдельных случаях, например при созревии сельди, расщепление белков является необходимым процессом.

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

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

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

Мочевина                       Углекислый аммоний

Аминная форма азота превращается в более легко усваиваемую аиачную:

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

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

Нитрификация. Аммонийные соли, образующиеся в процессах аммоникации, 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 руким 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 баерии родов Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina.

Нитрифицирующие бактерии являются типичными хемоавтотрофами, которые развиваются на чисто минеральных средах, а для синтеза оргических 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 распроранены в природе: в почве, воде. Они обогащают почву и водоемы ниатами, которые являются основными источниками азотистого питания для растений.

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

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

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