A táplálkozás típusa szerint minden ismert élő szervezet két nagy típusra osztható: hetero- és autotrófokra. Ez utóbbiak megkülönböztető jellemzője, hogy képesek önállóan új elemeket felépíteni szén-dioxidból és más szervetlen anyagokból.
A létfontosságú tevékenységüket támogató energiaforrások meghatározzák fotoaftotrófokra (a fényforrás) és kemoautotrófokra (forrásuk ásványi anyagok) való felosztásukat. És a kemoauthortofiták által oxidált szubsztrát nevétől függően hidrogén- és nitrifikáló baktériumokra, valamint kén- és vasbaktériumokra osztják.
Ezt a cikket ezek közül a leggyakoribb csoportnak, a nitrifikáló baktériumoknak szenteljük.
Felfedezési előzmények
Német tudósok még a 19. század közepén bebizonyították, hogy a nitrifikációs folyamat biológiai eredetű. Empirikusan kimutatták, hogy amikor kloroformot adnak a szennyvízhez, az ammónia oxidációja megállt. De hogy megmagyarázzák, miért történik ez, nem teszik meglehetne.
Ezt néhány évvel később Vinogradszkij orosz tudós tette meg. Két baktériumcsoportot azonosított, amelyek fokozatosan részt vettek a nitrifikációs folyamatban. Így az egyik csoport az ammónium salétromsavvá történő oxidációját biztosította, a baktériumok második csoportja pedig annak salétromsavvá történő átalakulásáért volt felelős. A folyamatban részt vevő összes nitrifikáló baktérium Gram-negatív.
Az oxidációs folyamat jellemzői
Az ammóniumoxidációval történő nitritképződés folyamata több szakaszból áll, amelyek során az NH-csoport eltérő oxidációs fokával rendelkező nitrogéntartalmú vegyületek keletkeznek.
Az ammónium oxidációjának első terméke a hidroxil-amin. Valószínűleg a molekuláris oxigénnek az NH4 csoportba való bekerülése miatt jön létre, bár ez a folyamat még nem bizonyított véglegesen, és továbbra is vitatható.
Ezután a hidroxil-amin nitritté alakul. A folyamat feltehetően NOH (hiponitrit) képződésén keresztül megy végbe, dinitrogén-oxid felszabadulásával. Ebben az esetben a tudósok a dinitrogén-oxid képződését csak a szintézis melléktermékének tekintik, a nitrit redukciója miatt.
A denitrifikáció során a kémiai elemek előállítása mellett nagy mennyiségű energia szabadul fel. Hasonlóan a heterotróf aerob szervezetekhez, ebben az esetben is az ATP molekulák szintézise redox folyamatokhoz kapcsolódik, amelyek eredményeként az elektronok oxigénbe kerülnek.
A nitrit oxidációja során a fordított transzport folyamata fontos szerepet játszikelektronok. Elektronjainak láncba foglalása közvetlenül a citokrómokban (C-típusú és/vagy A-típusú) történik, és ez meglehetősen nagy mennyiségű energiát igényel. Ennek eredményeként a kemoautotróf nitrifikáló baktériumok teljes mértékben el vannak látva a szükséges energiatartalékkal, amelyet a szén-dioxid felépítéséhez és asszimilálásához használnak fel.
A nitrifikáló baktériumok típusai
Négy nitrobaktérium nemzetség vesz részt a nitrifikáció első fázisában:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
A javasolt képen egyébként nitrifikáló baktériumok láthatók (mikroszkóp alatti fénykép).
Kísérletileg meglehetősen nehéz, sőt sokszor teljesen lehetetlen egy-egy kultúrát kiemelni közülük, ezért mérlegelésük túlnyomórészt összetett. A felsorolt mikroorganizmusok mindegyike legfeljebb 2-2,5 mikron méretű, és túlnyomórészt ovális vagy kerek alakú (kivéve a nitrospirákat, amelyek rúd alakúak). Képesek kettes hasadásra és irányított mozgásra a flagellák miatt.
A nitrifikáció második fázisa részt vesz:
- Nitrobacter nemzetség;
- nitrospin típus;
- nitrococus.
A Nitrbacter nemzetség leggyakrabban tanulmányozott baktériumtörzse, amelyet felfedezőjéről, Vinogradskyról neveztek el. Ezek a nitrifikáló baktériumok körte alakú sejtekkel rendelkeznek, amelyek bimbózással szaporodnak, és mobil (a flagellum miatt) leánysejtet képeznek.
A baktériumok szerkezete
A vizsgált nitrifikáló baktériumok hasonló sejtszerkezettel rendelkeznek, mint más Gram-negatív mikroorganizmusok. Némelyikük meglehetősen fejlett belső membránrendszerrel rendelkezik, amelyek a sejt közepén halmot alkotnak, míg mások inkább a periférián helyezkednek el, vagy több levélből álló csésze formájú szerkezetet alkotnak. Nyilvánvalóan ezekhez a képződményekhez kapcsolódnak azok az enzimek, amelyek részt vesznek a specifikus szubsztrátok nitrifikátorok általi oxidációjában.
Nitrifikáló baktériumok tápláléktípusa
A nitrobaktériumok kötelező autotrófok, mivel nem képesek exogén szerves anyagok felhasználására. Azonban kísérletileg kimutatták, hogy egyes nitrifikáló baktériumtörzsek képesek bizonyos szerves vegyületeket felhasználni.
Azt találták, hogy az élesztő autolizátumokat, szerint és glutamátot alacsony koncentrációban tartalmazó szubsztrát serkentette a nitrobaktériumok növekedését. Ez nitrit jelenlétében és tápközegben való hiányában is előfordul, bár a folyamat sokkal lassabb. Ezzel szemben nitrit jelenlétében az acetát oxidációja elnyomódik, de szénjének fehérjébe, különböző aminosavakba és más sejtkomponensekbe való beépülése jelentősen megnő.
Többszöri kísérlet eredményeként olyan adatok születtek, hogy a nitrifikáló baktériumok még át tudnak térni heterotróf táplálkozásra, de hogy ilyen körülmények között milyen produktívan és mennyi ideig tudnak létezni, az még nem kérdés. Amíg az adatok elegendőekkövetkezetlen a végső következtetések levonásához ebben a kérdésben.
A nitrifikáló baktériumok élőhelye és jelentősége
A nitrifikáló baktériumok kemoautotrófok, és a természetben széles körben elterjedtek. Mindenhol megtalálhatók: a talajban, a különféle szubsztrátumokban, valamint a víztestekben. Létfontosságú tevékenységük folyamata nagymértékben hozzájárul a természetben zajló teljes nitrogénciklushoz, és valójában hatalmas méreteket is elérhet.
Például egy olyan mikroorganizmus, mint a nitrocystis oceanus, amelyet az Atlanti-óceánból izolálnak, az obligát halofilek közé tartozik. Csak tengervízben vagy azt tartalmazó szubsztrátumban létezhet. Az ilyen mikroorganizmusok számára nem csak az élőhely fontos, hanem olyan állandók is, mint a pH és a hőmérséklet.
Minden ismert nitrifikáló baktérium kötelező aerobnak minősül. Oxigénre van szükségük ahhoz, hogy az ammóniumot salétromsavvá, a salétromsavat salétromsavvá oxidálják.
Élőhelyi feltételek
A tudósok egy másik fontos pontja, hogy a nitrifikáló baktériumok élőhelye nem tartalmazhat szerves anyagokat. Azt az elméletet terjesztették elő, hogy ezek a mikroorganizmusok elvileg nem tudnak kívülről származó szerves vegyületeket felhasználni. Még kötelező autotrófoknak is nevezték őket.
Ezt követően a glükóz, karbamid, pepton, glicerin és más szerves anyagok nitrifikáló baktériumokra gyakorolt káros hatása többször is bebizonyosodott, de a kísérletek nem állnak meg.
A nitrifikáló baktériumok fontossága atalaj
A közelmúltig azt hitték, hogy a nitrifikátorok jótékony hatással vannak a talajra, növelik annak termékenységét az ammónium nitrátokká történő lebontásával. Ez utóbbiakat nemcsak a növények jól felszívják, hanem önmagukban is növelik bizonyos ásványi anyagok oldhatóságát.
Az elmúlt években azonban a tudományos nézetek megváltoztak. Feltárták a leírt mikroorganizmusok negatív hatását a talaj termékenységére. A nitrifikáló baktériumok, amelyek nitrátokat képeznek, savanyítják a környezetet, ami nem mindig pozitív, és a talaj ammóniumionokkal való telítését is nagyobb mértékben provokálják, mint a nitrátok. Ezenkívül a nitrátok N2-ra redukálódnak (a denitrifikáció során), ami viszont a talaj nitrogéntartalmának kimerüléséhez vezet.
Mi a veszélye a nitrifikáló baktériumoknak?
Egyes nitrobaktériumok szerves szubsztrát jelenlétében oxidálhatják az ammóniumot, hidroxil-amint, majd nitriteket és nitrátokat képezve. Az ilyen reakciók eredményeként hidroxámsavak is előfordulhatnak. Ezenkívül számos baktérium hajtja végre a nitrogént tartalmazó különféle vegyületek (oximok, aminok, amidok, hidroxamátok és egyéb nitrovegyületek) nitrifikálását.
A heterotróf nitrifikáció mértéke bizonyos körülmények között nemcsak hatalmas, hanem nagyon káros is lehet. A veszély abban rejlik, hogy az ilyen átalakulások során mérgező anyagok, mutagének és rákkeltő anyagok képződnek. Ezért a tudósok szorosana téma tanulmányozásán dolgoznak.
Biológiai szűrő, amely mindig kéznél van
A nitrifikáló baktériumok nem egy elvont fogalom, hanem egy nagyon gyakori életforma. Ráadásul az emberek gyakran használják őket.
Például ezek a baktériumok az akváriumok biológiai szűrőinek részét képezik. Ez a fajta tisztítás olcsóbb és nem olyan fáradságos, mint a mechanikus tisztítás, ugyanakkor bizonyos feltételek betartását igényli a nitrifikáló baktériumok szaporodásának és élettevékenységének biztosítása érdekében.
A számukra legkedvezőbb mikroklíma a 25-26 Celsius-fok körüli környezeti hőmérséklet (jelen esetben a víz), az állandó oxigénellátás és a vízinövények jelenléte.
Nitrifikáló baktériumok a mezőgazdaságban
A termésnövelés érdekében a gazdálkodók különféle nitrifikáló baktériumokat tartalmazó műtrágyákat használnak.
A talaj táplálását ebben az esetben a nitro- és azotobaktériumok biztosítják. Ezek a baktériumok a talajból és a vízből vonják ki a szükséges anyagokat, amelyek az oxidációs folyamat során kellően nagy mennyiségű energiát képeznek. Ez az úgynevezett kemoszintézis folyamat, amikor a kapott energiát szerves eredetű komplex molekulák kialakítására használják fel szén-dioxidból és vízből.
Ezek a mikroorganizmusok nem igényelnek tápanyagokat a környezetükből – maguk is elő tudják termelni. Tehát, ha szükségük van zöld növényekre, amelyek szintén autotrófoknapfény, akkor nem szükséges a nitrifikáló baktériumok számára.
Öntisztító szennyeződés
A talaj ideális szubsztrát nemcsak növények, hanem számos élő szervezet növekedéséhez és szaporodásához. Ezért rendkívül fontos normál állapota és kiegyensúlyozott összetétele.
Ne feledje, hogy a nitrifikáló baktériumok a talaj biológiai tisztítását is biztosítják. A talajban, tározókban vagy humuszban lévő ammóniát, amelyet más mikroorganizmusok és hulladék szerves anyagok bocsátanak ki, nitrátokká (pontosabban salétromsav sóivá) alakítják. Az egész folyamat két lépésből áll:
- Az ammónia oxidációja nitritté.
- A nitrit oxidációja nitráttá.
Ugyanakkor az egyes szakaszokat különböző típusú mikroorganizmusok biztosítják.
Az úgynevezett ördögi kör
Az energia keringése és az élet fenntartása a Földön az összes élőlény létezésére vonatkozó bizonyos törvények betartása révén lehetséges. Első pillantásra nehéz megérteni, mi forog kockán, de valójában minden nagyon egyszerű.
Képzeljük el a következő képet egy iskolai tankönyvből:
- A szervetlen anyagokat mikroorganizmusok dolgozzák fel, és így kedvező feltételeket teremtenek a talajban a növények növekedéséhez és táplálkozásához.
- Ezek viszont a legtöbb növényevő számára nélkülözhetetlen energiaforrást jelentenek.
- Ennek az életláncnak a következő lánca a ragadozók, amelyek energiájailletve növényevő társaik.
- Az emberekről ismert, hogy csúcsragadozók, ami azt jelenti, hogy energiát nyerhetünk a növény- és állatvilágból egyaránt.
- És már a saját életünk maradványai, valamint azok a növények és állatok tápanyagként szolgálnak a mikroorganizmusok számára.
Így létrejön egy ördögi kör, amely folyamatosan működik, és életet biztosít a Föld minden életének. Ezen alapelvek ismeretében nem nehéz elképzelni, milyen sokrétű és valójában határtalan a természet és minden élőlény ereje.
Következtetés
Ebben a cikkben arra a kérdésre próbáltunk választ adni, hogy mik a nitrifikáló baktériumok a biológiában. Amint látható, e mikroorganizmusok létfontosságú tevékenységének, működésének és hatásának megdönthetetlen bizonyítékai ellenére még mindig sok ellentmondásos kérdés van, amelyek további kísérleti kutatást igényelnek.
A nitrifikáló baktériumok a kemotrófok közé tartoznak. Különféle ásványok szolgálnak számukra energiaforrásként. Mikroszkopikus méretük ellenére ezek az élő szervezetek óriási hatással vannak az őket körülvevő világra.
Mint Ön is tudja, a kemotrófok nem képesek felszívni a szubsztrátumban (talajban vagy vízben) lévő szerves vegyületeket. Éppen ellenkezőleg, ők állítják elő az építőanyagot egy élő és működő sejt létrehozásához.
