Volgens het type voeding zijn alle bekende levende organismen verdeeld in twee grote typen: hetero- en autotrofen. Een onderscheidend kenmerk van deze laatste is hun vermogen om zelfstandig nieuwe elementen te bouwen uit kooldioxide en andere anorganische stoffen.
De energiebronnen die hun vitale activiteit ondersteunen, bepalen hun verdeling in foto-aftotrofen (de bron is licht) en chemoautotrofen (de bron is mineralen). En afhankelijk van de naam van het substraat dat wordt geoxideerd door chemoauthorthophytes, worden ze onderverdeeld in waterstof- en nitrificerende bacteriën, evenals zwavel- en ijzerbacteriën.
Dit artikel zal worden gewijd aan de meest voorkomende groep onder hen - nitrificerende bacteriën.
Ontdekkingsgeschiedenis
Zelfs in het midden van de 19e eeuw bewezen Duitse wetenschappers dat het proces van nitrificatie biologisch is. Empirisch toonden ze aan dat wanneer chloroform werd toegevoegd aan rioolwater, de oxidatie van ammoniak stopte. Maar om uit te leggen waarom dit gebeurt, doen ze dat nietzou kunnen.
Dit werd een paar jaar later gedaan door de Russische wetenschapper Vinogradsky. Hij identificeerde twee groepen bacteriën die geleidelijk aan deelnamen aan het nitrificatieproces. Zo zorgde de ene groep voor de oxidatie van ammonium tot salpeterigzuur, en de tweede groep bacteriën was verantwoordelijk voor de omzetting ervan in salpeterzuur. Alle nitrificerende bacteriën die bij dit proces betrokken zijn, zijn Gram-negatief.
Kenmerken van het oxidatieproces
Het proces van nitrietvorming door ammoniumoxidatie kent verschillende stadia, waarin stikstofhoudende verbindingen met verschillende oxidatiegraden van de NH-groep worden gevormd.
Het eerste product van ammoniumoxidatie is hydroxylamine. Hoogstwaarschijnlijk wordt het gevormd door de opname van moleculaire zuurstof in de NH4-groep, hoewel dit proces niet definitief is bewezen en discutabel blijft.
Vervolgens wordt hydroxylamine omgezet in nitriet. Vermoedelijk wordt het proces uitgevoerd door de vorming van NOH (hyponitriet) met het vrijkomen van lachgas. In dit geval beschouwen wetenschappers de productie van lachgas als slechts een bijproduct van de synthese, vanwege de reductie van nitriet.
Naast de productie van chemische elementen komt er bij denitrificatie een grote hoeveelheid energie vrij. Net als bij heterotrofe aerobe organismen, wordt in dit geval de synthese van ATP-moleculen geassocieerd met redoxprocessen, waardoor elektronen worden overgedragen aan zuurstof.
Wanneer nitriet wordt geoxideerd, speelt het proces van omgekeerd transport een belangrijke rolelektronen. De opname van zijn elektronen in de keten gebeurt direct in de cytochromen (C-type en/of A-type), en dit vereist vrij veel energie. Als gevolg hiervan worden chemoautotrofe nitrificerende bacteriën volledig voorzien van de nodige energiereserve, die wordt gebruikt voor de processen van het opbouwen en opnemen van koolstofdioxide.
Soorten nitrificerende bacteriën
Vier geslachten van nitrobacteriën nemen deel aan de eerste fase van nitrificatie:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Trouwens, je kunt nitrificerende bacteriën zien in de voorgestelde afbeelding (foto onder een microscoop).
Experimenteel is het onder hen vrij moeilijk, en vaak volledig onmogelijk om een van de culturen te onderscheiden, dus hun overweging is overwegend complex. Alle vermelde micro-organismen zijn tot 2-2,5 micron groot en zijn overwegend ovaal of rond van vorm (met uitzondering van nitrospira, die de vorm van een stok hebben). Ze zijn in staat tot binaire splitsing en gerichte beweging vanwege flagella.
De tweede fase van nitrificatie neemt deel:
- genus Nitrobacter;
- nitrospin-type;
- nitrococus.
De meest bestudeerde bacteriestam van het geslacht Nitrbacter, genoemd naar zijn ontdekker Vinogradsky. Deze nitrificerende bacteriën hebben peervormige cellen, die zich vermenigvuldigen door te ontluiken, met de vorming van een mobiele (door de flagellum) dochtercel.
Structuur van bacteriën
De bestudeerde nitrificerende bacteriën hebben een vergelijkbare celstructuur als andere gramnegatieve micro-organismen. Sommigen van hen hebben een redelijk ontwikkeld systeem van interne membranen die een stapel vormen in het midden van de cel, terwijl ze in andere meer aan de periferie zijn geplaatst of een structuur vormen in de vorm van een beker, bestaande uit meerdere bladeren. Blijkbaar zijn met deze formaties enzymen geassocieerd die betrokken zijn bij het proces van oxidatie van specifieke substraten door nitrifiers.
Nitrificerende bacteriën voedseltype
Nitrobacteriën zijn obligate autotrofen, omdat ze geen exogene organische stoffen kunnen gebruiken. Het vermogen van sommige stammen van nitrificerende bacteriën om sommige organische verbindingen te gebruiken, is echter experimenteel aangetoond.
Er werd gevonden dat het substraat dat gistautolysaten, serine en glutamaat in lage concentraties bevat, de groei van nitrobacteriën stimuleerde. Dit gebeurt zowel in aanwezigheid van nitriet als in afwezigheid ervan in het voedingsmedium, hoewel het proces veel langzamer gaat. Omgekeerd wordt in aanwezigheid van nitriet de oxidatie van acetaat onderdrukt, maar de opname van zijn koolstof in eiwitten, verschillende aminozuren en andere cellulaire componenten neemt aanzienlijk toe.
Als resultaat van meerdere experimenten zijn gegevens verkregen dat nitrificerende bacteriën nog steeds kunnen overschakelen op heterotrofe voeding, maar hoe productief en hoe lang ze in dergelijke omstandigheden kunnen bestaan, v alt nog te bezien. Zolang de gegevens voldoende zijninconsistent om definitieve conclusies over deze kwestie te trekken.
Habitat en belang van nitrificerende bacteriën
Nitrificerende bacteriën zijn chemoautotrofen en komen wijdverbreid in de natuur voor. Ze zijn overal te vinden: in de bodem, verschillende substraten, maar ook in waterlichamen. Het proces van hun vitale activiteit levert een grote bijdrage aan de algehele stikstofcyclus in de natuur en kan in feite enorme proporties aannemen.
Een micro-organisme als nitrocystis oceanus, geïsoleerd uit de Atlantische Oceaan, behoort bijvoorbeeld tot obligate halofielen. Het kan alleen voorkomen in zeewater of substraten die het bevatten. Voor dergelijke micro-organismen is niet alleen de habitat belangrijk, maar ook constanten als pH en temperatuur.
Alle bekende nitrificerende bacteriën worden geclassificeerd als obligate aeroben. Ze hebben zuurstof nodig om ammonium te oxideren tot salpeterigzuur en salpeterigzuur tot salpeterzuur.
Habitatcondities
Een ander belangrijk punt dat wetenschappers hebben vastgesteld, is dat de plaats waar nitrificerende bacteriën leven geen organisch materiaal mag bevatten. De theorie werd geopperd dat deze micro-organismen in principe geen organische verbindingen van buitenaf kunnen gebruiken. Ze worden zelfs obligate autotrofen genoemd.
Vervolgens werd het schadelijke effect van glucose, ureum, pepton, glycerine en andere organische stoffen op nitrificerende bacteriën herhaaldelijk bewezen, maar experimenten houden niet op.
Het belang van nitrificerende bacteriën voorbodem
Tot voor kort werd aangenomen dat nitrificerende middelen een gunstig effect hebben op de bodem en de vruchtbaarheid ervan vergroten door ammonium af te breken tot nitraten. Deze laatste worden niet alleen goed door planten opgenomen, maar verhogen zelf ook de oplosbaarheid van bepaalde mineralen.
De afgelopen jaren zijn de wetenschappelijke opvattingen echter veranderd. Het negatieve effect van de beschreven micro-organismen op de bodemvruchtbaarheid kwam aan het licht. Nitrificerende bacteriën, die nitraten vormen, verzuren het milieu, wat niet altijd positief is, en veroorzaken ook in grotere mate de verzadiging van de bodem met ammoniumionen dan nitraten. Bovendien hebben nitraten het vermogen om te worden gereduceerd tot N2 (tijdens denitrificatie), wat op zijn beurt leidt tot uitputting van stikstof in de bodem.
Wat is het gevaar van nitrificerende bacteriën?
Sommige stammen van nitrobacteriën in de aanwezigheid van een organisch substraat kunnen ammonium oxideren, waarbij hydroxylamine wordt gevormd en vervolgens nitrieten en nitraten. Ook kunnen als gevolg van dergelijke reacties hydroxaminezuren ontstaan. Bovendien voeren een aantal bacteriën het proces van nitrificatie uit van verschillende verbindingen die stikstof bevatten (oximen, aminen, amiden, hydroxamaten en andere nitroverbindingen).
De schaal van heterotrofe nitrificatie kan onder bepaalde omstandigheden niet alleen enorm zijn, maar ook zeer schadelijk. Het gevaar schuilt in het feit dat tijdens dergelijke transformaties de vorming van giftige stoffen, mutagene en kankerverwekkende stoffen optreedt. Daarom zijn wetenschappers nauwwerken aan het bestuderen van dit onderwerp.
Biologisch filter dat altijd bij de hand is
Nitrificerende bacteriën is geen abstract begrip, maar een veel voorkomende vorm van leven. Bovendien worden ze vaak door mensen gebruikt.
Deze bacteriën maken bijvoorbeeld deel uit van de biologische filters voor aquaria. Dit type reiniging is minder duur en niet zo arbeidsintensief als mechanische reiniging, maar vereist tegelijkertijd naleving van bepaalde voorwaarden om de groei en vitale activiteit van nitrificerende bacteriën te waarborgen.
Het meest gunstige microklimaat voor hen is de omgevingstemperatuur (in dit geval water) in de orde van 25-26 graden Celsius, een constante toevoer van zuurstof en de aanwezigheid van waterplanten.
Nitrificerende bacteriën in de landbouw
Om de opbrengst te verhogen, gebruiken boeren verschillende meststoffen die nitrificerende bacteriën bevatten.
Voeding van de bodem wordt in dit geval geleverd door nitrobacteriën en azotobacteriën. Deze bacteriën halen de nodige stoffen uit de bodem en het water, die tijdens het oxidatieproces een voldoende grote hoeveelheid energie vormen. Dit is het zogenaamde chemosyntheseproces, waarbij de ontvangen energie wordt gebruikt om complexe moleculen van organische oorsprong te vormen uit koolstofdioxide en water.
Deze micro-organismen hebben geen voedingsstoffen uit hun omgeving nodig - ze kunnen ze zelf produceren. Dus als groene planten, die ook autotrofen zijn, nodig hebben:zonlicht, dan is het niet nodig voor nitrificerende bacteriën.
Zelfreinigende grond
De bodem is een ideaal substraat voor de groei en reproductie van niet alleen planten, maar ook van veel levende organismen. Daarom zijn de normale conditie en evenwichtige samenstelling uiterst belangrijk.
Er moet aan worden herinnerd dat nitrificerende bacteriën ook zorgen voor biologische reiniging van de bodem. In de bodem, reservoirs of humus zetten ze ammoniak, dat vrijkomt door andere micro-organismen en organisch afvalmateriaal, om in nitraten (om precies te zijn, in zouten van salpeterzuur). Het hele proces bestaat uit twee stappen:
- Oxidatie van ammoniak tot nitriet.
- Oxidatie van nitriet tot nitraat.
Tegelijkertijd wordt elke fase verzorgd door verschillende soorten micro-organismen.
De zogenaamde vicieuze cirkel
De circulatie van energie en het in stand houden van het leven op aarde is mogelijk door de naleving van bepaalde wetten van het bestaan van alle levende wezens. Op het eerste gezicht is het moeilijk te begrijpen wat er op het spel staat, maar in feite is alles vrij eenvoudig.
Laten we ons de volgende afbeelding uit een schoolboek voorstellen:
- Anorganische stoffen worden verwerkt door micro-organismen en creëren zo gunstige omstandigheden in de bodem voor de groei en voeding van planten.
- Ze zijn op hun beurt een onmisbare energiebron voor de meeste herbivoren.
- De volgende keten van deze levensschakel zijn roofdieren, waarvan de energie is,respectievelijk hun herbivore tegenhangers.
- Mensen staan bekend als toproofdieren, wat betekent dat we energie kunnen krijgen van zowel de plantenwereld als de dierenwereld.
- En al ons eigen leven blijft, evenals diezelfde planten en dieren, dienen als voedingsbodem voor micro-organismen.
Zo ontstaat een vicieuze cirkel, die continu functioneert en leven verschaft aan al het leven op aarde. Als je deze principes kent, is het niet moeilijk je voor te stellen hoe veelzijdig en feitelijk onbegrensd de kracht van de natuur en alle levende wezens is.
Conclusie
In dit artikel hebben we geprobeerd de vraag te beantwoorden wat nitrificerende bacteriën in de biologie zijn. Zoals je kunt zien, zijn er, ondanks het onweerlegbare bewijs van de vitale activiteit, het functioneren en de invloed van deze micro-organismen, nog steeds veel controversiële kwesties die verder experimenteel onderzoek vereisen.
Nitrificerende bacteriën worden geclassificeerd als chemotrofen. Verschillende mineralen dienen voor hen als energiebron. Ondanks hun microscopisch kleine formaat hebben deze levende organismen een enorme impact op de wereld om hen heen.
Zoals u weet, kunnen chemotrofen geen organische verbindingen opnemen die zich in het substraat (bodem of water) bevinden. Integendeel, ze produceren het bouwmateriaal voor het creëren van een levende en functionerende cel.
