Круговорот азота
В природе происходит постоянный круговорот азота, в котором участвуют растения, животные, микроорганизмы. Азот входит в состав белков и продуктов их разложения (пептиды, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания), а также в состав мочевины и мочевой кислоты, азотсодержащего полисахарида хитина, гумусовых кислот.
Аммонифицирующие микроорганизмы осуществляют разложение органических веществ, переводя азот органических соединений в минеральную форму (аммонийные соли, соли азотистой и азотной кислоты, молекулярный азот и аммиак), а также органические вещества своих клеток. Нитрифицирующие бактерии способны превращать аммиак в азотистую кислоту, а затем в азотную.
Затем в процессе денитрификации происходит выделение свободного азота в атмосферу. Зеленые растения при синтезе белков способны использовать только азот минеральных солей — нитратов и нитритов (в меньшей степени аммонийных солей), свободный азот воздуха и связанный в органических соединениях азот им недоступен.
Азот из атмосферного воздуха способны ассимилировать только специальные азотфиксирующие бактерии.
Аммонификация белка. Высокомолекулярные соединения, которыми являются белки, не могут непосредственно усваиваться микроорганизмами. Они должны быть расщеплены на составные части.
Процесс минерализации белковых веществ микроорганизмами с выделением аммиака или образованием аммонийных солей называется аммонификациейбелка, или гниением, а микроорганизмы, вызывающие этот процесс – аммонифицирующими, или гнилостными микроорганизмами.
Аммонификация белков начинается с их гидролиза под действием протеолитических экзоферментов микроорганизмов. Происходит последовательное образование пептонов, пептидов и аминокислот. Из полученных соединений наиболее доступными для микроорганизмов являются аминокислоты, которые растворимы в воде.
В таком виде они поступают внутрь микробной клетки, где подвергаются воздействию эндоферментов, в частности дезаминированию под воздействием ферментов дезаминаз. Существуют несколько типов дезаминирования (гидролитическое, окислительное, восстановительное и др.), которые приводят к образованию аммиака, оксикислот (гидрокислот), жирных кислот, кетокислот.
Во всех случаях при любом типе дезаминирования среди конечных продуктов всегда обнаруживается аммиак:
- +H2O
- Гидролитическоедезаминирование: R-CHNH2-COOH → R-CHOH-COOH +NH3
- гидрокислота
- +H2
- Восстановительноедезаминирование: R-CHNH2-COOH → R-CH2-COOH +NH3
- жирная кислота
- +O2
- Окислительноедезаминирование: R-CHNH2-COOH → R-C=O-COOH +NH3
- кетокислота
В аэробных условиях, кроме аммиака, образуется диоксид углерода, сероводород, в анаэробных — жирные и ароматические кислоты (бензойная и др.), спирты, индол, скатол, фенол, меркаптаны. В аэробных условиях происходит полное окисление жирных кислот с образованием СО2 и H2O.
- Кроме дезаминирования внутри микробной клетки возможны и другие превращения аминокислот – 1) декарбоксилирование, в результате которого появляются первичные амины (предшественники трупных ядов); 2) переаминирование, приводящее к появлению новых аминокислот; 3) синтез белка.
- Декарбоксилирование происходит под воздействием эндоферментов декарбоксилаз с образованием СО2 и первичных аминов:
- R-CHNH2-COOH → R- CH2 — NH2 + СО2
- Сероводород образуется из аминокислот, содержащих серу:
- +H2O
- SH-CH2CH-NH2-COOH → CH2OH-CHOH-COOH + H2S + NH3
- цистеин глицериновая кислота
В анаэробных условиях не происходит полного окисления жирных кислот, и они накапливаются в среде. Из ароматических аминокислот в анаэробных условия образуются неприятно пахнущие вещества – индол, скатол, фенол.
- тирозин крезол фенол
- триптофан скатол индол
- Из серусодержащих аминокислот образуются меркаптаны:
- SH-CH2CH-NH2-COOH → SH-CH2-CH3OH + СО2 + NH3
- цистеин этил меркаптан
Индол, скатол, крезол, меркаптаны являются ядовитыми веществами. Первичные амины (диамины и птомаины) называются также биогенными аминами. Они являются токсическими соединениями, предшественниками трупных ядов.
Аммонификацию белков вызывают микроорганизмы, обладающие протеолитическими ферментами (протеазами). К аэробным аммонификаторам относятся в основном спорообразующие палочки рода Bacillus (B.mesentericus, B.subtilis, B.mycoides, B.megaterium и др.
), неспорообразующие палочки рода Pseudomonas (например, P.fluorescens). Факультативно-анаэробные аммонификаторы — это в основном представители семейства Enterobacteriaceae (Proteus vulgaris, Escherichia coli).
Аммонифицирующие микроорганизмы встречаются среди актиномицетов, микроскопических грибов, (например, грибы родов Penicillium, Mucor, Apergillus, Trichoderma и др.).
Гнилостные анаэробные микроорганизмы – это спорообразующие бактерии рода Clostridium (C.perfringens, C.sporogenes, C.putrificum).
Аммонификация нуклеиновых кислот. Аммонификацию нуклеиновых кислот вызывают микроорганизмы, продуцирующие нуклеазы.
Нуклеазы (внеклеточные ДНК-азы и РНК-азы) найдены у многих микроорганизмов – представителей родов Bacillus, Mycobacterium, Nocardia и др. (например, B.megatherium).
При распаде нуклеиновых кислот и их производных (пуриновых и пиримидиновых оснований) тоже выделяется аммиак.
Аммонификация мочевины. Мочевина (карбамид) попадает во внешнюю среду в основном с мочой. Человек за сутки выделяет с мочой до 80 г мочевины. Азот в мочевине составляет 46%. За год люди и животные выделяют с мочой свыше 10 млн. т азота.
Азот мочевины может усваиваться растениями только после ее разложения.
Аммонификацию мочевины осуществляют микроорганизмы, продуцирующие фермент уреазу, под воздействием которого мочевина разлагается до углекислого аммония, который легко распадается на аммиак, углекислый газ и воду:
(NH2)2CO + H2O → (NH4)2СО3 → 2 NH3 + СО2 + H2O
Микроорганизмы, разлагающие мочевину, были открыты в 1862 г. Л.Пастером и названы уролитическими. Это аэробы бактерии, образующие споры. Среди них есть кокки (Micrococcus urea), сарцины (Planosarcina urea), бациллы (Bacillus probates, B.pasteurii).
Благодаря образованию углекислого аммония при развитии уробактерий происходит подщелачивание среды (до рН 9-10). Уробактерии относятся к наиболее щелочелюбивым микроорганизмам, оптимум их развития при рН 7,5-8,5. Уробактерии обитают в почве, в рубце жвачных животных, в сточных водах.
За счет разложения мочевины почва и водоемы обогащаются доступными для растений формами азота.
Аммонификация мочевой кислоты. Одним из конечных продуктов белкового обмена животных (птиц, пресмыкающихся, насекомых) является мочевая кислота. В помете птиц (гуано) она составляет 25%.
В мочек млекопитающих концентрация мочевой кислоты незначительна.
Разложение мочевой кислоты осуществляется рядом микроорганизмов (например, Clostridium acidiurici) с образованием мочевины и тартроновой кислоты (НООС-СНОН-СООН).
Аммонификация хитина. Хитин – очень стойкое соединение. Это сложный азотсодержащий полисахарид. Структурными элементами хитина являются остатки N-ацетилглюкозамина, соединенные 1,4-глико-зидными связями.
Хитин является основным компонентом клеточной стенки многих грибов (например, базидиомицетов, аскомицетов), а также панцирных покровов насекомых, ракообразных, некоторых беспозвоночных.
После отмирания этих микроорганизмов хитин попадает в почву, водоемы, где разлагается микроорганизмами, продуцирующими хитиназы. Хитиназы широко распространены у актиномицетов, мукоровых грибов, представителей рода Bacterium (B. chitino-vorum, B.chitinophilum).
В 1 г почвы содержится до 106 клеток микроорганизмов, использующих хитин. При разложении хитина образуется аммиак, глюкоза и уксусная кислота.
Аммонификация гумусовых веществ. Значительная часть связанного азота в почве содержится в форме перегнойных (гумусовых) веществ. Их разложение происходит медленно и осуществляется различными группами почвенных бактерий.
Экология СПРАВОЧНИК
В растительных и животных остатках, попадающих в почву и водоемы, всегда содержатся органические азотсодержащие вещества — белок и мочевина. Под действием микроорганизмов происходит минерализация этих веществ, сопровождающаяся накоплением аммиака.
Разложение белка связано с развитием гнилостных микроорганизмов. Это сложный, многоступенчатый процесс, начинающийся с расщепления белков на пептоны под действием микробных ферментов про-теиназ. Далее пептоны расщепляются до аминокислот при участии ферментов пептиназ.
Образующиеся в процессе распада белков различные аминокислоты в свою очередь подвергаются разложению.[ …]
Когда организмы умирают, гетеротрофные бактерии разлагают их органические структуры, обращая в свои элементарные компоненты.
Аминокислоты опять возвращаются в аммиачную форму, которая вновь усваивается другими организмами в процессах синтеза.
На этот процесс расходуется много кислорода, при этом он превращается в диоксид углерода; потери кислорода вызывают увеличение нитрифицирующего потребления кислорода.[ …]
Аммонификация — процесс разложения органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов и ведущий к образованию N43 или ЫН ¡.
Ион аммония может быть выщелочен или поглощен в почвенном комплексе или необменно фиксирован трехслойными глинистыми минералами с расширяющейся решеткой. Содержание фиксированного аммония в почвах меняется от 1—2 до 10—12 ммоль/100 г почвы.
Аммонификация — первая стадия минерализации азотсодержащих органических соединений.[ …]
АММОНИФИКАЦИЯ — процесс разложения микроорганизмами азотсодержащих органических соединений (белков, нуклеиновых кислот и др.) с выделением аммиака. АМПЛИТУДА ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ [лат. amplitude — величина] — пределы приспособляемости вида или сообщества к изменяющимся условиям среды.[ …]
Аммонификация осуществляется аэробными и анаэробными микроорганизмами, которые составляют обширные группы бактерий, актиноми-цетов и плесневых грибов. Из них типичными представителями бактерий являются: Bact. vulgare, Bact. putidum, Bact. subtilis, Bact. mesentericus, Bact.
niicoides; представителями плесневых грибов — Aspergillus, Pénicillium, Trichoderma koningi. Аммиак образуется во всех почвах при разной реакции среды, в присутствии воздуха и без него, но в анаэробных условиях при сильнокислой и щелочной реакции аммонификация сильно замедляется.
На скорость аммонификации оказывают действие также температура почвы, влажность и другие факторы.[ …]
Аммонификация — это образование из аминокислот солей аммония .[ …]
Аммонификация — это переход азота органических веществ в аммиачную форму. Дальше под влиянием других микроорганизмов — нитрификаторов происходит так называемая нитрификация — окисление аммиака в азотную кислоту.
Процесс нитрификации протекает также в двух стадиях: первой — в окислении аммиака до азотистой кислоты, второй — в переходе азотистой кислоты в азотную кислоту. Далее азотная кислота соединяется с основаниями почзы и образует соли — нитраты.
Динамика нитратов в почве зависит от погодных условий, от почвенной реакции, от обработки и сильно меняется во времени.[ …]
Тормозит аммонификацию и нитрификацию разведенных сточных вод в концентрации I мг/л [I].[ …]
Это процесс аммонификации, то есть разложения (минерализации) органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов и ведущий к образованию аммиака ЫН3 или иона аммония ЫН4+.[ …]
Рис; 2. Влияние титана на аммонификацию и нитрификацию.[ …]
Белковый азот в результате аммонификации разлагается до аммонийного, который и используется при очистке сточных вод в качестве источника азота. Под БПК здесь понимается наличие в воде источника углеродного питания клеток.
Наиболее интенсивно азот используется в период логарифмической фазы роста клеток, а в период окисления клеток азот высвобождается вновь в виде аммиака. Выделившийся аммонийный азот может окисляться до нитритов и нитратов либо повторно использоваться для нового цикла синтеза.
Таким образом, для цикла превращений азота справедливы реакции (4.141) — (4.143).[ …]
| Влияние ДХНХ на процессы аммонификации. |  |
| Интенсивность процессов аммонификации в зависимости от дозы торфа и минеральных удобрений |  |
Поглощает кислород из воды. Задерживает аммонификацию разведенных сточных вод при 10—100 мг/л.[ …]
Результаты наблюдений за ходом процессов аммонификации и нитрификации в воде показали, что только при снижении концентрации норсульфазола до 0,1 мг/л процессы аммонификации и нитрификации практически близки к, контрольному опыту. Но и в этом случае переход нитритов в высшую форму окисления — в нитраты— задерживается до 10 суток.[ …]
При минерализации фито- и зоомассы образуется аммиак (аммонификация), который поглощается почвой в виде катионов аммония (ЫЩ) или окисляется в ней. При окислении аммония, поглощенного почвой, и аммиачных солей образуются нитраты и нитриты (нитрификация).
Аммонификация и нитрификация — составные элементы биотического и геологического круговоротов азота. Одна часть продуктов нитрификации усваивается растениями, другая превращается в молекулярный азот (динитрификация). Азот, усвоенный растениями, вовлекается в биотический цикл.
Молекулярный азот, поступающий в атмосферу, участвует в геологическом круговороте.[ …]
Концентрация 1 мг/л не влияет на санитарный режим водоемов, аммонификацию, а 10 мг/л повышает БПК воды [1].[ …]
В процессе брожения белковоподобных веществ происходит их аммонификация и переход аммонийного азота в раствор. Наличие большого количества аммонийного азота (до 500—800 мг/л) — показатель нормально протекающего процесса брожения.[ …]
Азотсодержащие вещества (белки, например) подвергаются процессу аммонификации, связанному с образованием аммиака, а далее — солей аммония, доступных в ионной форме для ассимиляции растениями. Однако часть аммиака под воздействием нитрифицирующих бактерий подвергается нитрификации, т. е.
окислению сначала до азотистой, далее — азотной кислоты, а далее — при взаимодействии последней с основаниями почвы — происходит образование солей азотной кислоты. В каждом процессе участвует особая группа бактерий.
В анаэробных условиях соли азотной кислоты подвергаются денитрификации с образованием свободного азота.[ …]
На ВПК воды не влияет концентрация 0,1 мг/л; 2,5 мг/л тормозит процесс аммонификации и первую фазу нитрификации сточных вод.[ …]
Файфер [16] указывает, что 10 мг/л метилового спирта тормозит процесс аммонификации.[ …]
Перспективен ряд новых комбинированных удобрений, получаемых путем аммонификации, смешивания, добавления фосфорной кислоты, гранулирования, придания водоотталкивающих свойств концентрированным простым удобрениям. Так могут быть получены нитроаммофоски и диаммонитро-фоски, содержащие 50% и более питательных веществ в сумме.[ …]
Проведенные исследования показали, что гликолевая кислота тормозит процессы аммонификации и нитрифи кации (1 фаза), начиная с концентрации 200 мг/л.[ …]
Концентрация 0,5 мг/л не влияет на динамику изменения БПК воды, до 1 мг/л не влияет на аммонификацию и нитрификацию сточных вод. Концентрация 1—25 мг/л тормозит рост сапрофитной флоры в разведенных сточных водах и окисление органических веществ на 30—50% [11, 12].[ …]
Пороговая концентрация по влиянию на минерализацию сточных вод составляет 2,5 мг/л; 5 мг/л тормозит процессы аммонификации и первую фазу нитрификации. Максимальная концентрация, не влияющая на сооружения биологической очистки, 600 мг/л.[ …]
Запах: 1 балл — 3,9 мг/л, 2 балла — 7,3 мг/л; привкус: 1 балл — 0,5 мг/л, 2 балла — 1,0 мг/л [1]. В концентрации до 10 мг/л не изменяет pH, не тормозит аммонификацию и нитрификацию разведенных сточных вод.[ …]
Для выяснения воздействия норсульфазола на общий санитарный режим водоемов проводились исследования влияния норсульфазола на процессы ВПК, аммонификации и нитрификации органических веществ в воде, а также изучался кислородный режим экспериментальных водоемов. Опыты велись с различными концентрациями норсульфазола (табл. 1).[ …]
Большой прирост аммонийного азота, наблюдаемый в дальнейшем в опытных растворах, опережающий его количество в контроле, является следствием процесса аммонификации (см. рис. 6).[ …]
Не влияет на БПК разведенных сточных вод концентрация 1 мг/л, но потребление кислорода увеличивается при концентрации 0,5 мг/л на 5% и при 5 мг/л — на 28%; недействующая концентрация по влиянию на нитрификацию и аммонификацию составляет 0,5 мг/л [1].[ …]
Основным природным резервом, поставляющим растениям минеральный азот, является органическое вещество почвы. В результате жизнедеятельности микроорганизмов, использующих органическое вещество почвы как источник энергии, происходит аммонификация азотсодержащих органических веществ. Значительная часть освободившегося при этом аммония подвергается нитрификации.[ …]
Содержится в сточных водах производств красителей, лаков, красок и др. При концентрации 0,5 мг/л привкус не ощущается, горьковатый металлический привкус появляется при 1 мг/л, желтоватый оттенок — при 1 мг/л. Концентрация 10 мг/л тормозит в водоемах аммонификацию и нитрификацию, снижает ВПК [1].[ …]
В обоих случаях, как при тлении, так и при гниении, образуется аммиак. Этот аммиак подвергается затем при помощи других аэробных бактерий окислению и переходит сперва в азотистую, а затем в азотную кислоты. Соответственно процессы эти называются аммонификацией и нитрификацией.[ …]
В процессе минерализации азота почвы образуются разнообразные аминокислоты, которые усваиваются микроорганизмами. В результате ферментативной деятельности почвенных микроорганизмов аминокислоты, расщепляясь, выделяют аммиак.
Процесс образования аммиака из органических веществ называется аммонификацией. Интенсивность аммонификации зависит от реакции среды, аэрации почвы и других условий. Наиболее интенсивно выделяется аммиак в аэробных условиях (при доступе кислорода).
При недостатке кислорода этот процесс замедляется.[ …]
В хлопковых районах Средней Азии аммиачные соли интенсивно нитрифицируются, азот всех форм азотных удобрений становится одинаково подвижным.
Для уменьшения подвижности и локализации азота в корнеобитаемом слое почвы практикуют совместное внесение органических и минеральных удобрений. Процессы аммонификации и нитрификации в этом случае растягиваются на более длительный срок.
Для культуры с длинным периодом вегетации и с растянутым периодом потребления питательных веществ, какой является хлопчатник, это имеет существенное значение.[ …]
С целью выяснения возможно вредного влияния про-пилбензола на общий санитарный режим водоемов и протекающие в нем процессы естественного самоочищения нами в экспериментальных условиях проводились наблюдения за динамикой процессов минерализации органических веществ по величине БПК, развитием процессов аммонификации и нитрификации, развитием сапрофитной микрофлоры. Кроме того, определялись содержание растворенного в воде кислорода, ее активная реакция.[ …]
В анаэробных условиях не произойдет полного окисления продуктов распада аминокислот. Их превращение пойдет по типу брожения и, кроме углекислого газа и воды, будут накапливаться различные органические Бешенства,-Но и в этом и в другом случае образуется аммиак. Поэтому процесс разложения белков часто называю? аммонификацией.
Возбудителями аммонификации белков, наиболее часто встречающимися в почве и водоёмах, являются аэробные споровые палочки Bact. subtHis (сенная палочка), Bact. mesentericus (картофельная палочка), Вас. megatherium, Вас. mycoides (mycoides — грибовидный, так как колонии ее имеют внешнее сходство с колониями плесеней).[ …
]
В производственных сточных водах встречается до 30 видов Bacterium. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения. Видовое название бактерий отражает характер усваиваемых соединений: Bact. aliphaticum, Bact. naphtalinicus, Bact. benzoli, Bact. cyrloclastes и др.
Из аммонификаторов в сточных водах встречаются Bact. mycoides. Процессы аммонификации белковых соединений — важнейшая составная часть процессов очистки сточных вод. Высвобождающийся аммиак является источником азота, часть его окисляется до нитритов и нитратов.
Из групп серобактерий в илах развиваются Thio-bacterium и Thiotrix, окисляющие сульфиды, гипосульфиты, сероводород.[ …]
Азотобактер в кислых почвах не живет и быстро погибает при высеве бактеризованных им семян. Реакция почвы отражается и на тарификаторах.
Как было выяснено опытами автора этого раздела (1932), нитрифицирующие бактерии, подобно растениям, страдают и от повышенной концентрации ионов водорода в почвенном растворе, но еще опаснее для них увеличение подвижности алюминия.
Аммонификация же, благодаря тому что в ней принимают участие множество различных микробов, сравнительно слабо изменяется под влиянием почвенной кислотности.[ …]
Если азота и фосфора меньше, чем требуется для очистки воды определенного состава, то их добавляют в виде фосфатов и хлористого аммония. Добавление солей для биологической очистки необходимо только при обработке производственных сточных вод.
В бытовых же водах, доступных бактериям, азота и фосфора всегда достаточно. Аммонийный азот образуется в большом количестве при гидролизе мочевины; кроме того, азот белковый в результате процесса аммонификации также переходит в аммонийную форму.[ ..
.]
При концентрации меди 0,01 мг/л тормозятся процессы самоочищения водоемов.
При концентрации 0,4-0,5 мг/л медь губительно действует на микрофлору и тормозит биологические процессы очистки сточных вод, задерживает размножение микроорганизмов, аммонификацию и нитрификацию сточных вод; при концентрации меди 1,0 мг/л заметно тормозятся процессы аэробной очистки сточных вод активным илом, уменьшается количество окисленного азота в сточных водах, задерживается образование активного ила.[ …]
Некоторые авторы полагают, что присутствие этой бактерии — плохой показатель для лесных почв, так как свидетельствует о недостатке кислорода. Другие добавляют к этому, что рассчитывать лесоводу на обогащение почвы усвояемым азотом при помощи этой бактерии вряд ли можно.
Но надо заметить, что микробиологических исследований в лесу сделано слишком мало для того, чтобы можно было окончательно принять оба эти заключения.
Возможно, что в тех случаях, когда нитрификация, аммонификация азота и микоризы отсутствуют, возрастает полезное значение анаэробных фиксаторов азота, в особенности если недостаток кислорода воздуха для корней будет наблюдаться кратковременно.[ …]
Исследованиями установлено, что в зависимости от нагрузки на ил, или от так называемого трофического уровня (уровня питания), в активном иле можно наблюдать постепенную смену микрофлоры и микрофауны и изменение характера отношений между микроорганизмами ила.
Когда на единицу массы микроорганизмов приходится большое количество загрязнений — более 300 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества в сутки, что соответствует первому трофическому уровню, то в иле конкурируют гетеротрофные бактерии и сапрозой-ные простейшие, которые усваивают лишь растворенные примеси. Свободно плавающих ресничных очень мало.
Разнообразие видов простейших мало, и при этом наблюдается количественное преобладание какого-либо одного из них. Хищниками» в этом сообществе являются голозойные ресничные простейшие, а «жертвой» — гетеротрофные бактерии. В таком иле отмечается большое разнообразие видов простейших без преобладания какого-либо одного вида; ил хорошо флокулирует и оседает.
При третьем трофическом уровне — с наименьшим количеством питания (менее 100 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества в сутки) — имеют место отношения метабиоза между гетеротрофными и нитрифицирующими бактериями.
Так, например, нитрифицирующие бактерии окисляют азот аммиака, который появляется в больших количествах вследствие аммонификации белковых соединений, проводимой гетеротрофными бактериями. Из простейших в таком иле максимальное развитие получают «хищники» и прикрепленные инфузории, коловратки, черви, использующие в качестве питания бактерии, голозойные инфузории, иловые частицы.[ …]
Использование неорганического азота
В природе атомы минерального азота существуют в различной степени окисленности: от N5+ (N2O5, азотный ангидрид) до N3– (NH3, аммиак).
Степень усвояемости минеральных соединений азота бактериями определяется лёгкостью их превращения в аммиак, так как он является самым простым предшественником высокомолекулярных азоторганических соединений.
В этой группе бактерий возможны два разнонаправленных процесса: ассимиляция (связывания минеральных форм азота в органический материал) и диссимиляция (выделения газообразных форм азота).
• Ассимиляционные процессы. Связывание минеральных форм азота происходит в ходе азотфиксации, ассимиляции аммиака и ассимиляционной нитратредукции.
Азотфиксация. Азотфиксирующие бактерии (например, Rhizobium, Azotobacter, Clostridium, Klebsiella и др.) способны утилизировать азот из атмосферного воздуха, восстанавливая его до аммония с помощью специального фермента (нитрогеназа) в процессе, называемом азотфиксация.
Ассимиляция аммиака. Большинство бактерий усваивает аммоний в ходе ассимиляции аммиака. Бактерии, растущие на средах с аммонием, могут непосредственно включать его в органические соединения.
Следует помнить, что после потребления неорганических аммонийных солей в среде накапливаются анионы (SO42–, Cl–, H3PO43– и др.), снижающие рН среды, что замедляет рост культур.
Аммонийные соли органических кислот менее подкисляют среду и более благоприятны для роста бактерий.
…
Ассимиляционная нитратредукция. Подавляющее большинство бактерий и грибов, как и растения, усваивают нитрат в процессе ассимиляционной нитратредукции.
На первом этапе нитраты восстанавливаются до нитритов, цикл этих превращений катализирует специфический фермент — ассимиляционная нитратредуктаза В.
Второй этап представляет комплекс восстановительных реакций, катализируемых нитритредуктазой, что приводит к образованию аммиака, который используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих компонентов клетки.
• Диссимиляционные процессы. Выделение газообразных форм азота происходит при помощи нитрификации, диссимиляционной нитратредукции и аммонификации нитрата.
Нитрификация. Нитрифицирующие бактерии (Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrosomonas и др.) окисляют соли аммония и нитриты до нитратов в процессе, называемом нитрификация.
Диссимиляционная нитратредукция (денитрификация). Ряд бактерий (Pseudomonas fluorescens, Bacillus licheniformis, Thiobacillus denitrificans и др.) ведёт восстановление нитратов и нитритов с образованием молекулярного азота в процессе диссимиляционной нитратредукции с участием фермента нитратредуктазы А.
Аммонификация нитрата. Бактерии кишечной группы способны выделять аммиак в процессе аммонификации нитрата, когда диссимиляционная нитратредуктаза А проводит только первый этап — восстанавливает нитрат до нитрита, а далее нитрит переходит в аммиак в процессе ассимиляции.
Выявление продуктов превращения исходных форм азота в среде культивирования может быть использовано для идентификации микроорганизмов. Например, денитрифицирующие бактерии выявляют на 5–6-е сутки культивирования по присутствию газа в поплавке (CO2, N2) и отрицательной реакции на нитриты (используют реактив ГрЋсса) и нитраты (реакция с дифениламином).
Использование органического азота
При утилизации азота из органических субстратов он включается в биомассу бактерий в виде аминогрупп. Минерализация органических соединений происходит с выделением аммиака — аммонификация органических соединений.
Выделение аммиака в ходе этого процесса используют на практике для идентификации отдельных бактерий. Выделяющийся в атмосферу аммиак меняет цвет подвешенной над средой культивирования красной лакмусовой бумажки на синий. Накопление аммиака в среде определяют реактивом НЌсслера.
Первая реакция характерна для многих гнилостных бактерий, вторая — для бактерий кишечной группы. Аммонификацию органических соединений можно рассматривать как промежуточный процесс между диссимиляцией (высвобождение аммиака) и ассимиляцией, поскольку часть органического азота при этом усваивают аммонифицирующие бактерии.
Основной источник азота для аминогетеротрофов — аминокислоты, менее значимы пурины и пиримидины. Потребность в азотсодержащих субстратах у бактерий варьирует.
• Cреди представителей рода Spirillum вид S. graniferum может утилизировать азот мочевины, а S. annulus — нет.
• Отдельные виды (например, Agrobacterium radiobacter) могут расти на среде, содержащей одну аминокислоту (в данном примере аспарагиновую), используя её как единственный источник углерода и азота.
Другие способны расти лишь при наличии всех необходимых субстратов, используемых для биосинтеза белка (например, Agrobacterium rubi).
Способность разлагать определённые аминокислоты (например, фенилаланин) применяют для идентификации различных бактерий.
• Высокомолекулярные соединения не способны проходить через клеточную стенку бактерий, поэтому утилизировать белковый азот способны лишь бактерии, выделяющие экзоферменты (протеазы), расщепляющие белки до низкомолекулярных пептидов и аминокислот.
Наиболее часто о протеолитической активности бактерий судят по способности гидролизовать (разжижать) желатину. При выращивании бактерий in vitro часто в качестве источников азота используют пептоны — препараты неполного гидролиза белков.
Лучше усваиваются пептоны со свободными аминокислотами и низкомолекулярными пептидами.
Широкое распространение получили также белковые гидролизаты, не подкисляющие среду (в отличие от неорганических аммонийных солей) и удовлетворяющие потребность в аминокислотах у видов, не способных к их синтезу.
Фосфор
В клетках бактерий фосфор присутствует в виде фосфатов (преимущественно фосфатов сахаров) в составе нуклеотидов и нуклеозидов. Фосфор также входит в состав фосфолипидов различных мембран. Фосфаты играют особую роль в энергетическом обмене, расщеплении углеводов и в мембранном транспорте.
Ферментативный синтез ряда биополимеров может начаться только после образования фосфорных эфиров исходных соединений (то есть после их фосфорилирования). Основной природный источник фосфора для бактерий — неорганические фосфаты и нуклеиновые кислоты.
Они присутствуют в составе бульонов, в синтетические питательные среды их вносят дополнительно.
Сера
Сера входит в состав некоторых аминокислот (цистеин, метионин), витаминов (биотин, тиамин), пептидов (глутатион) и белков; участвует в синтетических процессах в восстановленном состоянии — в виде R–SH-групп, обладающих высокой реакционной способностью и легко дегидрирующих в R–S–S–R’-группы.
Последние используются для образования более сложных соединений, соединённых дисульфидными (S–S) мостиками. Гидратирование этих соединений восстанавливает их и разрывает мостики. Подобные реакции имеют важное значение для регуляции окислительно-восстановительного потенциала в цитоплазме бактерий.
Основной серосодержащий компонент бактериальной клетки — цистеин, в состав которого сера входит в виде тиоловой (–SH) группы. Так, сера в составе метионина, биотина, тиамина и глутатиона происходит из тиоловой группы цистеина.
Хотя сера входит в состав аминокислот и белков в восстановленной форме, большинство бактерий утилизирует серу в форме сульфатов. Перевод окисленной серы из сульфат-иона в восстановленную форму в тиоловой группе известен как ассимиляционная сульфатредукция.
У значительно меньшего числа бактерий (например, анаэробных бактерий рода Desulfovibrio) происходит диссимиляционная сульфатредукция, при которой сульфаты, сульфиты или тиосульфаты используются как терминальные акцепторы электронов. При этом образуется сероводород (H2S), как продукт восстановления.
Способность бактерий выделять сероводород применяют на практике как дифференциально—диагностический признак. Отдельные группы бактерий (например, серобактерии родов Beggiatoa, Thiothrix) могут окислять сероводород и элементную серу до сульфатов.
Кислород
Кислород, входящий в состав органических веществ бактерий, включается в них двояким путём: опосредованно (из молекул воды либо из СО2) и непосредственно. Специальные ферменты — оксигеназы — включают кислород (О2–) в органические соединения непосредственно из молекулярного кислорода (О2).
Оксигеназы необходимы для разложения многих веществ (например, ароматических углеводородов), трудно поддающихся действию других ферментов. Многие бактерии удовлетворяют свои энергетические потребности за счёт дыхания, в процессе которого кислород выступает в качестве терминального акцептора электронов и протонов в дыхательной цепи.
В соответствии с потребностями в молекулярном кислороде бактерии разделяют на пять основных групп.
Облигатные (строгие) аэробы способны получать энергию только путём дыхания и поэтому обязательно нуждаются в молекулярном кислороде. К строгим аэробам относят, например, представителей рода Pseudomonas.
Облигатные (строгие) анаэробы. Рост таких бактерий может быть остановлен даже при низком pО2 (например, при 10–5 атм), поскольку у них отсутствуют ферменты, расщепляющие токсические соединения кислорода (каталазы, супероксид дисмутазы). К облигатным анаэробам относят роды Bacteroides, Desulfovibrio.
Факультативные анаэробы растут как в присутствии, так и в отсутствии О2. К факультативным анаэробам относят энтеробактерии и многие дрожжи, способные переключаться с дыхания в присутствии О2 на брожение в отсутствии О2.
Аэротолерантные бактерии способны расти в присутствии атмосферного кислорода, но не использовать его в качестве источника энергии. Энергию аэротолерантные бактерии получают исключительно с помощью брожения (например, молочнокислые бактерии).
Микроаэрофильные бактерии хотя и нуждаются в кислороде для получения энергии, лучше растут при повышенном содержании СО2, поэтому они также известны как «капнофильные микроорганизмы» [от греч. kapnos, дым, + philos, любовь]. К микроаэрофилам относят большинство аэробных бактерий (например, бактерии родов Campylobacter и Helicobacter).
Бактерии могут существовать в среде, содержащей кислород только при наличии толерантности к кислороду, которая связана со способностью бактериальных ферментов нейтрализовать токсичные соединения кислорода.
В зависимости от количества электронов, одновременно переносимых на молекулу О2, образуются: ион пероксида О22– (образуется флавиновыми оксидазами при переносе 2е–), супероксид-радикал (могут образовать ксантин оксидаза, альдегид оксидаза, НАДФH-оксидаза при переносе 1е–), и гидроксил-радикал (продукт реакции супероксид-радикала с перекисью водорода). В детоксикации реактивных кислородных радикалов участвуют супероксид дисмутаза, пероксидаза и каталаза.
Супероксид дисмутаза конвертирует супероксид-радикал (наиболее токсичный метаболит) в Н2О2. Фермент присутствует в аэробных и аэротолерантных бактериях.
Каталаза превращает Н2О2 в Н2О и О2. Фермент имеется у всех аэробных бактерий, но отсутствует у аэротолерантных организмов. Строгие анаэробы обычно каталаза— и супероксиддисмутаза—отрицательны.
Пероксидаза. Из всех каталазоотрицательных микроорганизмов лишь молочнокислые бактерии способны расти в присутствии воздуха. Их аэротолерантность связана со способностью накапливать пероксидазу. Фермент нейтрализует Н2О2 в реакции с глутатионом; при этом перекись водорода превращается в воду.
Ростовые факторы
Некоторые бактерии (особенно прихотливые [см. главу 20] или мутанты с наследственными дефектами) могут расти только в среде, дополненной определёнными компонентами, которые сами микроорганизмы синтезировать не могут. Эти компоненты известны как ростовые факторы, а подобные бактерии называют ауксотрофами [от лат.
auxilium, помощь, + греч. trophЈ, питание]. Если ауксотрофия возникает в результате мутации, то «дикий», или основной тип, не нуждающийся в определённом факторе роста, называют прототрофным. Основные ростовые факторы — витамины, пурины и пиримидины.
Наиболее важны для бактерий водорастворимые витамины, принимающие участие в функционировании большого количества ферментов в качестве коэнзимов.
Потребность бактерий в этих продуктах очень мала (например, рост стафилококков обеспечивает внесение 0,003 мг тиамина и 0,2 мг никотиновой кислоты на 1 л среды), то есть факторы роста не используются в качестве пластического или энергетического материала, но обеспечивают регуляцию метаболизма.
Классификация. Факторы, стимулирующие рост бактерий, разделяют на три категории.
• Вещества, присутствие которых обязательно для роста бактерий. Это может быть определённая аминокислота, например гистидин, для штамма Salmonella thyphimurium his– (гистидинотрицательный), ауксотрофного по гистидину, либо набор витаминов (лактофлавин, тиамин, биотин, фолиевая и пантотеновая кислота) и аминокислот, без которых нельзя вырастить молочнокислые бактерии.
• Факторы, отсутствие которых не вызывает полной остановки роста культуры. Обычно это определённые витамины, входящие в состав простетических групп ферментов и необходимые в очень малых количествах.
• Факторы, синтезируемые самими микроорганизмами и добавление которых в среду ускоряет рост, но это условие не обязательно (например, в синтетическую среду культивирования Escherichia coli можно добавить дрожжевой автолизат для интенсификации роста, но и на простой минеральной среде с глюкозой бактерия будет расти).
Пусковые факторы роста выделяют в особую категорию. Они имеют существенное значение для начала роста культуры. Позднее клетки культуры синтезируют все необходимые для их роста продукты самостоятельно.
В качестве примера можно привести необходимость следовых количеств гистидина для роста ревертантов Salmonella his– и их обратной мутации в his+ (гистидин-положительный).
Хотя прототрофы his+ не нуждаются в факторах роста, деление исходного ауксотрофа his–, необходимое для закрепления обратной мутации, может протекать только в присутствии гистидина.
Аммонификация белковых веществ и других органических азотсодержащих соединений
АММОНИФИКАЦИЯ разложение микроорганизмами азотсодержащих органич. соединений (белков, мочевины, нуклеиновых кислот и др.
) с образованием свободного аммиака; один из важнейших этапов круговорота азота в природе, приводящий к обогащению почвы усвояемыми формами азота. В результате жизнедеятельности и гибели организмов в почву и водоёмы попадает много азотсодержащих органич.
веществ, к-рые благодаря А. минерализуются и могут быть вновь использованы растениями и разл. микроорганизмами. При А. соединения вначале гидролизу-ются при участии соответствующих ферментов до более простых соединений, используемых клеткой в процессах метаболизма.
Микроорганизмы, участвующие в А. белков, наз. Гнилостными, мочевины — уробактериями. Нек-рые бактерии в процессе нитратного дыхания восстанавливают до аммиака нитраты.
Гние́ние (аммонификация) — процесс разложения азотсодержащих органических соединений (белков, аминокислот), в результате их ферментативного гидролиза под действием аммонифицирующих микроорганизмов с образованием токсичных для человека конечных продуктов — аммиака, сероводорода, а также первичных и вторичных аминов при неполной минерализации продуктов разложения:
Трупных ядов (например путресцин и кадаверин)
Ароматические соединения (например скатол, индол- образуются в результате дезаминирования и декарбоксилирования аминокислоты триптофана)
Гниение серосодержащих аминокислот (цистеина, цистина и метионина) приводит к выделению сероводорода, меркаптанов, диметилсульфоксида.
Аммонифицирующие микроорганизмы (иначе гнилостные микроорганизмы, гнилостная микрофлора) широко распространены в почве, воздухе, воде, животных и растительных организмах. Поэтому любой подходящий субстрат быстро подвергается гниению.
Наиболее глубокий распад белка с образованием безазотистых и азотистых соединений (индол, скатол, NH3,H2S) идет при участии спорообразующих бактерий рода Bacillus (например Bacillus subtilis, Bacillus mycoides), Clostridium (Clostridium perfringens, Clostridium tetani, Clostridium histolyticum),и семейства Enterobacteriaceae(например Proteus, Escherichia).
Умеренное, контролируемое иммунитетом организма бактериальное гниение белков также является необходимой частью пищеварения и происходит в толстом кишечнике человека и животных. Их активаторами являются Proteus, Escherichia, Morganella, Klebsiella, Pseudomonas. По мнению И.И.
Мечникова, постоянно образующиеся в кишечнике продукты гниения (скатол, индол и др.), вызывают хроническую интоксикацию и являются одной из причин преждевременного старения.
Чрезмерно интенсивное гниение в толстом кишечнике является причиной гнилостной диспепсии, диареи и дисбактериоза толстого кишечника.
Первой стадией разложения белков является их гидролиз как микробными протеазами, так и протеазами клеток погибшего организма, высвобождаемыми из лизосом в результате смерти клеток (аутолиз).
Протеолиз происходит в несколько стадий- в начале белки расщепляются до всё ещё крупных полипептидов, затем образовавшиеся полипептиды расщепляются до олигопептидов, которые в свою очередь расщепляются до дипептидов и свободных аминокислот.
Образовавшиеся свободные аминокислоты затем подвергаются ряду превращений, приводящих к выделению характерных для гниения продуктов.
Первыми стадиями является дезаминирование аминокислот, в результате которого аминогруппа аминокислоты отщепляется и высвобождается свободный ион аммония и декарбоксилирование, в результате которого карбоксильная группа отщепляется с высвобождением двуокиси углерода (реакция декарбоксилирования чаще всего происходит в условиях пониженного pH). В результате декарбоксилирования высвобождаются также первичные амины:
H2N-(CH2)4-CHNH2-COOH (лизин) → H2N-(CH2)4-CH2NH2 (кадаверин) + CO2
- Выделяют так называемое окислительное дезаминирование (наиболее распространённый вид дезаминирования, в результате которого NAD(P) восстанавливается до NAD(P)H2) и гидролитическое дезаминирование, при котором аминогруппа аминокислоты заменяется на гидроксильную.
- Также некоторые аминокислоты трансаминируются путём перемещения аминогруппы аминокислоты на 2-оксикислоту (в результате этого процесса также происходит дезаминирование аминокислот, кроме этого синтезируются те аминокислоты, которые бактерии не могут синтезировать путём аминирования ионами аммония).
- Образовавшиеся в результате дезаминирования и декарбоксилирования продукты могут как окисляться микроорганизмами с целью получения энергии в виде АТФ, так и участвовать в реакциях промежуточного обмена.
Загрузка...
