Превращение  соединений азота

Микробная трансформация азота в биосфере Земли

Запасы азота на планете Земля огромны. Основная масса его находится в атмосфере в молекулярной форме (N2). Эта форма азота химически инертна и может усваиваться лишь ограниченной группой микроорганизмов ─ бактериями, которые называются азотофиксаторами. Связанный ферментами бактерий азот называется биологическим и, циркулируя в биосфере, формирует биогеохимический цикл азота (рис.29). Круговорот азота происходит следующим образом: диазотрофы поглощают атмосферный азот и образуют аммиак, который служит исходным веществом для образования белков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 29 . Круговорот азота в природе

Белки растений и животных могут разлагаться с помощью бактерий─аммонификаторов с образованием аммиака и ионов аммония, затем в процессе микробной нитрификации образуются нитраты. В результате денитрификации образуется молекулярный азот. Все эти превращения происходят с участием микроорганизмов.

Азотофиксация

К азотофиксаторам относят две основные группы бактерий: свободноживущие (ассоциативные) и симбиотические (или клубеньковые) (табл.4).

Таблица 4. Основные группы диазотрофов

Свободноживущие (ассоциативные) азотофиксаторы	Симбиотические азотофиксаторы
ПРЕДСТАВИТЕЛИ
Azotobacter, Azospirillium, Klebsiella, Enterobacter, Nostoc, Anabaena, Clostridium	Симбионты бобовых – Род Rhizobium Симбионты небобовых растений – род Frankia
Обитают в ризосфере, ризоплане растений, обладают Нитрогеназной Активностью, могут в значительной мере заменить минеральный азот, предохраняют от избытка нитратов в продукции. Обладают высокой антибиотической активностью (комплексное питательное и защитное действие)	Образуют симбиотические клубеньки На корнях растений

Фиксация атмосферного азота свободноживущими бактериями (ассоциативная диазотрофия)

Ассимиляция атмосферного азота микроорганизмами – диазотрофия - имеет важное значение в балансе азота в почве. Её осуществляют свободноживущие и симбиотические микроорганизмы: бактерии, актиномицеты, цианобактерии.

Среди свободноживущих наиболее распространены бактерии родов Azotobacter и Clostridium.

Бактерии Azotobacter Chroococcum фиксируют азот в аэробных условиях. На агаре образует слизистые колонии. Молодые клетки имеют вид попарно соединенных крупных, коротких палочек с закругленными концами. Они подвижны, перитрихи. По мере развития они теряют подвижность, становятся эллипсоидными, а затем круглыми. Часто окружены слизистой капсулой, которая выявляется после окраски клеток фуксином и смешивания с разбавленной тушью (рис. 30). Внутри клеток ясно выражена зернистость. В качестве источника углерода азотобактер использует моно-, дисахариды, спирты и соли органических кислот, в том числе и бензойной. В неблагоприятных условиях образуют цисту.

Clostridium Pasteurianum - облигатный анаэроб. Энергию для всех процессов жизнедеятельности, в том числе для ассимиляции атмосферного азота, бактерии этого вида получают за счет маслянокислого брожения.

Цианобактерии-азотофиксаторы относятся к родам Nostoc, Anabaena. Все цианобактерии фотоавтотрофы, аминоавтотрофы, аэробы. Образуют специализированные клетки – Гетероцисты, Которые защищены от окисления кислородом воздуха толстой оболочкой. Это имеет большое значение, так как процесс азотофиксации восстановительный, кислородом он ингибируется.

Химизм: Процесс усвоения азота происходит по восстановительному пути и отражается схемой:

 NH2

2[H] 2[H] 2[H]

N ≡ N NH=NH NH2 – NH2 2NH3 R—CH 2—COOH

Азот диимид гидразин аммиак аминокислота

АТФ АТФ АТФ

Аммиак используется для аминирования кетокислот с образованием аминокислот. Процесс идет с использованием восстановительных эквивалентов (НАДФ•H2) и энергии АТФ. Для восстановления 1 молекулы N2 до аммиака затрачивается 12 молекул АТФ.

Способность к фиксации атмосферного азота обусловлена наличием сложной системы ферментов – Нитрогеназой. Эти ферменты кодируются 17 генами и подразделяются на 2 фракции:

·  молибдобелок – фракция, содержащая молибден;

·  железобелок – фракция, содержащая железо.

Процесс играет колоссальную роль в природе, так как в нем происходит превращение азота в доступные для живых организмов формы, повышается почвенное плодородие.

Симбиотическая азотофиксация

Этот процесс осуществляется многими микроорганизмами в симбиозе как с бобовыми, так и с не бобовыми растениями.

Наиболее изучена фиксация азота бактериями рода Rhizobium в симбиозе с бобовыми растениями (рис.31). Известно 1300 видов бобовых, на корнях которых бактерии образуют клубеньки.

Представители рода Rhizobium - грамотрицательные бесспоровые палочки размером 0,5-0,9 х 1,2-3 мкм (рис.32а). Имеют жгутики (монотрихи или перитрихи). При старении теряют подвижность, накапливают жировые включения.

А б в г

Рис. 31. Клубеньки на корнях: А)люпина; б)люцерны; в)фасоли; г)вики.

 В зрелой клубеньковой ткани бактериальные клетки превращаются в бактероиды: грушевидные, сферические или ветвистые образования (рис.32б). В таком виде клубеньковые бактерии наиболее энергично усваивают атмосферный азот. На питательных средах бактерии рода Rhizobium усваивают органические вещества (гетеротрофы), аэробы, могут использовать в качестве источника азота как минеральные, так и органические его формы, но не атмосферный азот. Способность к азотфиксации у ризобий сохраняется только в симбиозе с тканями бобовых растений.

Химизм симбиотической азотофиксации и ферменты те же, что и у свободноживущих микроорганизмов.

 Аммонификация белков (минерализация азота)

Процесс выделения азота из аминокислот и превращение его в аммиачную форму называется аммонификацией. Микроорганизмы, вызывающие этот процесс, выделяют в окружающую среду протеолитические ферменты, под действием которых белки гидролизуются до аминокислот» Последние поступают в клетку и в ней дезаминируются с образованием аммиака, органических кислот и других продуктов.

Возбудителями процесса аммонификации являются аммонифицирующие или гнилостные бактерии. Их можно разделить на три группы по отношению к источникам кислорода:

1.Аэробы: Bacillus mycoides, Bacillus subtilis, Bacillus megatherium, Bacillus mesentericus.

Bacillus Mycoides – палочки 5-10 х 1,0-1,5 мкм, перитрихи, соединяются в цепочки, образуя жирные пленки на поверхности жидкой среды. Споры овальные, расположены эксцентрально (рис.33А).

Bacillus Subtilis - палочки короткие и тонкие, 3-5 х 0,6 мкм, нередко соединены в длинные нити. Споры овальные, расположены без строгой локализации (рис.33Г).

Bacillus Mesentericus -палочки тонкие, длинные и короткие, 3-10 х 0,5-0,6 мкм, одиночные или соединены в длинные нити. Споры овальные и продолговатые, бациллярного типа.

Bacillus Megatherium -клетки толстые до 2 мкм в диаметре, длина от 3 до 12 мкм. Содержимое клеток грубозернистое с большим количеством питательных веществ (жир, гликоген) (рис.33Б).

2. Анаэробы факультативные:

Proteus Vulgaris -палочки длиной от 1 до 20 мкм, перитрихи, спор не образуют, грамотрицательны (рис.33В) .

Escherichia СOli - кишечная палочка. Небольшие грамотри-цательные палочки, перитрихи, спор не образуют.

3.Анаэробы облигатные:

Bacillus Cadaveris, ВасIllus Putrificus - небольшие палочки до 5 мкм, образуют споры плектридиального типа. Выделяют трупные яды (кадаверин, путресцин).

А) Bacillus Mycoides	Б) Bacillus Megatherium
В) Proteus Vulgaris	Г) Bacillus subtilis

Рис. 33. Аммонификаторы белка (гнилостные бактерии)

Химизм процесса аммонификации:

1 этап - протеолиз белка – Проходит по схеме:

NH2

Протеаза

Белок + N H2O аминокислоты (АК) : R—CH—COOH

2 этап – дезаминирование. - Бывает трех видов:

А)простое дезаминирование:

 NH2

R—CH—COOH R ═ CH—COOH + NH3

Б)окислительное дезаминирование:

 NH2

R—CH—COOH + ½ O2 R—CO—COOH + NH3

В)восстановительное дезаминирование:

 

 NH2

R—CH—COOH + H2 R—CH 2—COOH + NH3

Основные ферменты: протеазы, дезаминазы, трансаминазы.

Все аммонификаторы - гетеротрофы, аминогетеротрофы.

Значение процесса: перевод соединений азота в доступную для растений форму, подщелачивание кислых почв, порча пищевых продуктов. Многие аммонификаторы выделяют токсичные вещества (трупные яды – путресцин и кадаверин, а также ботулин – самый сильный пищевой яд).

 

Нитрификация и денитрификация

 

Под Нитрификацией понимают процессы окисления аммиака до нитритов и нитратов. Процесс идет в две фазы. Возбудителями фаз являются последовательно:

I фаза: возбудители бактерии рода Nitrosomonas : имеют овальную, иногда кокковидную форму. Размеры 1,5-3 мкм. Подвижны монотрихи (или лофотрихи), спор не образуют. Окисляют аммиак до нитритов по реакции:

2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + Энергия

II фаза - возбудители бактерии рода Nitrobacter - мелкие тонкие палочки (0,5 х 1 мкм). Клетки подвижные (монотрихи) или неподвижные. Часто в колонии наблюдается полиморфизм (клетки различной формы). Для нитробактерий характерно размножение почкованием.

2NH O2 + O2 2HNO3 + Энергия

Энергию бактерии используют для ассимиляции углекислого газа.

Микроорганизмы-нитрификаторы являются хемоавтотрофами, облигатными аэробами, аминоавтотрофами.

В природе, являясь автотрофами участвуют в накоплении первичного органического вещества. Почвообразователи. Приняли участие в образовании залежей природной селитры (например, в пустыне Атакама в Чили).

Количество нитратов в почве - показатель плодородия. Однако нитраты легко вымываются из почвы, поэтому чересчур высокая нитрифицирующая способность почвы может привести к потерям больших количеств доступного азота.

Денитрификация. В этом процессе происходит восстановление нитратов до молекулярного азота.

Возбудители - Бактерии вида Paracoccus Denitrificans.

Химизм: восстановление нитратов происходит по диссимиляционному типу:

+ [H] + [H]

 NO3 NO2 N2

H2O H2O

Ключевые ферменты процесса : нитратредуктаза, нитритредуктаза

Биологический смысл: использование кислорода нитратов в качестве акцептора водорода при окислении углеводов (анаэробное нитратное дыхание).

Возбудители процесса денитрификации гетеротрофы, аминоавтотрофы, факультативные анаэробы.

Роль процесса в природе весьма двусмысленна. С одной стороны в результате процесса происходит потеря доступных форм азота из почвы. С другой стороны, возбудители процесса выделяют в зону корней различные биологически активные вещества, вызывая стимуляцию роста корней.