Ըստ սնուցման տեսակի՝ բոլոր հայտնի կենդանի օրգանիզմները բաժանվում են երկու մեծ տեսակի՝ հետերո- և ավտոտրոֆներ։ Վերջիններիս տարբերակիչ առանձնահատկությունն ածխաթթու գազից և այլ անօրգանական նյութերից նոր տարրեր ինքնուրույն կառուցելու ունակությունն է։
Էներգիայի աղբյուրները, որոնք աջակցում են նրանց կենսագործունեությանը, որոշում են դրանց բաժանումը ֆոտոաֆտոտրոֆների (աղբյուրը լույսն է) և քիմոավտոտրոֆների (աղբյուրը հանքանյութերն են): Եվ կախված քիմիավարտոֆիտներով օքսիդացված ենթաշերտի անվանումից՝ դրանք բաժանվում են ջրածնի և նիտրացնող բակտերիաների, ինչպես նաև ծծմբի և երկաթի բակտերիաների։
Այս հոդվածը նվիրված կլինի դրանցից ամենատարածված խմբին` նիտրացնող բակտերիաներին:
Հայտնաբերման պատմություն
Նույնիսկ 19-րդ դարի կեսերին գերմանացի գիտնականներն ապացուցեցին, որ նիտրացման գործընթացը կենսաբանական է։ Էմպիրիկորեն նրանք ցույց տվեցին, որ երբ քլորոֆորմը ավելացվեց կոյուղու ջրի մեջ, ամոնիակի օքսիդացումը դադարեց: Բայց բացատրելու համար, թե ինչու է դա տեղի ունենում, նրանք չեն անումկարող է.
Սա արեց մի քանի տարի անց ռուս գիտնական Վինոգրադսկին: Նա հայտնաբերել է բակտերիաների երկու խումբ, որոնք աստիճանաբար մասնակցել են նիտրացման գործընթացին: Այսպիսով, մի խումբն ապահովում էր ամոնիումի օքսիդացումը ազոտաթթվի, իսկ բակտերիաների երկրորդ խումբը պատասխանատու էր դրա վերածման ազոտաթթվի համար։ Այս գործընթացում ներգրավված բոլոր նիտրացնող բակտերիաները գրամ-բացասական են:
Օքսիդացման գործընթացի առանձնահատկությունները
Ամոնիումի օքսիդացման միջոցով նիտրիտների առաջացման գործընթացն ունի մի քանի փուլ, որոնց ընթացքում առաջանում են ազոտ պարունակող միացություններ՝ NH խմբի տարբեր աստիճանի օքսիդացումով։
Ամոնիումի օքսիդացման առաջին արտադրանքը հիդրօքսիլամինն է: Ամենայն հավանականությամբ, այն ձևավորվել է NH4 խմբում մոլեկուլային թթվածնի ընդգրկման պատճառով, թեև այս գործընթացը վերջնականապես ապացուցված չէ և մնում է վիճելի։
Հաջորդը հիդրօքսիլամինը վերածվում է նիտրիտի: Ենթադրաբար, գործընթացն իրականացվում է NOH (հիպոնիտրիտ) ձևավորման միջոցով՝ ազոտի օքսիդի արտազատմամբ։ Այս դեպքում գիտնականները ազոտի օքսիդի արտադրությունը համարում են ընդամենը սինթեզի կողմնակի արտադրանք՝ նիտրիտների կրճատման պատճառով։
Քիմիական տարրերի արտադրությունից բացի, մեծ քանակությամբ էներգիա է արտազատվում դենիտրացման ժամանակ։ Ինչպես տեղի է ունենում հետերոտրոֆ աերոբ օրգանիզմներում, այս դեպքում էլ ATP մոլեկուլների սինթեզը կապված է ռեդոքս պրոցեսների հետ, ինչի արդյունքում էլեկտրոնները տեղափոխվում են թթվածին։
Երբ նիտրիտը օքսիդանում է, հակադարձ փոխադրման գործընթացը կարևոր դեր է խաղումէլեկտրոններ։ Շղթայում դրա էլեկտրոնների ընդգրկումը տեղի է ունենում անմիջապես ցիտոքրոմներում (C-տիպ և/կամ A-տիպ), և դա պահանջում է բավականին մեծ քանակությամբ էներգիա: Արդյունքում քիմիաավտոտրոֆ նիտրացնող բակտերիաները լիովին ապահովված են անհրաժեշտ էներգիայի պաշարով, որն օգտագործվում է ածխաթթու գազի կառուցման և յուրացման գործընթացների համար։
Անիտրացնող բակտերիաների տեսակներ
Նիտրոբակտերիաների չորս սերունդ մասնակցում է նիտրացման առաջին փուլին.
- nitrosomonas;
- նիտրոցիստիս;
- nitrosolubus;
- նիտրոսսպիրա.
Ի դեպ, առաջարկվող նկարում կարող եք տեսնել նիտրացնող բակտերիաներ (լուսանկարը մանրադիտակի տակ):
Փորձնական առումով, դրանց թվում բավականին դժվար է և հաճախ բոլորովին անհնար է առանձնացնել մշակույթներից մեկը, ուստի դրանց դիտարկումը հիմնականում բարդ է: Թվարկված բոլոր միկրոօրգանիզմներն ունեն մինչև 2-2,5 մկմ չափսեր և հիմնականում օվալաձև կամ կլոր ձևեր (բացառությամբ նիտրոսպիրաների, որոնք փայտի ձև ունեն)։ Նրանք ի վիճակի են երկուական տրոհման և ուղղորդված շարժման՝ դրոշների պատճառով:
Նիտրաֆիկացման երկրորդ փուլը մասնակցում է.
- սեռ Nitrobacter;
- նիտրոսպինի տեսակ;
- nitrococus.
Nitrbacter սեռի բակտերիաների ամենաուսումնասիրված շտամը, որն անվանվել է իր հայտնագործող Վինոգրադսկու անունով: Այս նիտրացնող բակտերիաներն ունեն տանձաձև բջիջներ, որոնք բազմապատկվում են բողբոջելով՝ ձևավորելով շարժական (դրոշակի շնորհիվ) դուստր բջիջ:
Բակտերիաների կառուցվածքը
Ուսումնասիրված նիտրացնող բակտերիաները ունեն նմանատիպ բջջային կառուցվածք այլ գրամ-բացասական միկրոօրգանիզմների հետ: Նրանցից ոմանք ունեն ներքին թաղանթների բավականին զարգացած համակարգ, որոնք խցիկի կենտրոնում բուրգ են կազմում, իսկ մյուսներում դրանք ավելի շատ տեղակայված են ծայրամասում կամ ձևավորում են գավաթի ձևով կառույց, որը բաղկացած է մի քանի տերևներից: Ըստ երևույթին, հենց այս գոյացությունների հետ են կապված ֆերմենտները, որոնք ներգրավված են նիտրիֆիկատորներով հատուկ սուբստրատների օքսիդացման գործընթացում:
Անիտրացնող բակտերիաների սննդի տեսակ
Նիտրոբակտերիաները պարտադիր ավտոտրոֆներ են, քանի որ նրանք ի վիճակի չեն օգտագործել էկզոգեն օրգանական նյութեր: Այնուամենայնիվ, որոշ օրգանական միացություններ օգտագործելու նիտրացնող բակտերիաների որոշ շտամների կարողությունը փորձնականորեն ցուցադրվել է:
Պարզվել է, որ ցածր կոնցենտրացիաներում խմորիչի աուտոլիզատներ, սերին և գլուտամատ պարունակող սուբստրատը խթանում է նիտրոբակտերիաների աճը։ Դա տեղի է ունենում ինչպես նիտրիտների առկայության, այնպես էլ սննդարար միջավայրում դրա բացակայության դեպքում, թեև գործընթացը շատ ավելի դանդաղ է ընթանում: Ընդհակառակը, նիտրիտների առկայության դեպքում ացետատի օքսիդացումը ճնշվում է, բայց դրա ածխածնի ներթափանցումը սպիտակուցի, տարբեր ամինաթթուների և բջջային այլ բաղադրիչների մեջ զգալիորեն մեծանում է:
Բազմաթիվ փորձերի արդյունքում ստացվել են տվյալներ, որ նիտրացնող բակտերիաները դեռևս կարող են անցնել հետերոտրոֆիկ սնուցման, բայց թե որքան արդյունավետ և որքան ժամանակ նրանք կարող են գոյություն ունենալ նման պայմաններում, դեռևս պետք է պարզել: Քանի դեռ տվյալները բավարար ենայս հարցի վերաբերյալ վերջնական եզրակացություններ անելու համար անհամապատասխանություն:
Բնակավայր և նիտրացնող բակտերիաների կարևորությունը
Անիտրացնող բակտերիաները քիմիաավտոտրոֆներ են և լայնորեն տարածված են բնության մեջ: Դրանք հանդիպում են ամենուր՝ հողում, տարբեր ենթաշերտերում, ինչպես նաև ջրային մարմիններում։ Նրանց կենսագործունեության գործընթացը մեծ ներդրում է ունենում բնության մեջ ազոտի ընդհանուր ցիկլում և իրականում կարող է հասնել հսկայական չափերի։
Օրինակ, այնպիսի միկրոօրգանիզմ, ինչպիսին է nitrocystis oceanus-ը, մեկուսացված Ատլանտյան օվկիանոսից, պատկանում է պարտադիր հալոֆիլներին: Այն կարող է գոյություն ունենալ միայն ծովի ջրում կամ այն պարունակող ենթաշերտերում: Նման միկրոօրգանիզմների համար կարևոր է ոչ միայն ապրելավայրը, այլև այնպիսի հաստատուններ, ինչպիսիք են pH-ը և ջերմաստիճանը:
Բոլոր հայտնի նիտրացնող բակտերիաները դասակարգվում են որպես պարտադիր աերոբներ: Նրանց թթվածին է պետք ամոնիումը ազոտաթթվի, իսկ ազոտաթթունը՝ ազոտաթթվի օքսիդացնելու համար։
բնակավայրերի պայմաններ
Մեկ այլ կարևոր կետ, որը գիտնականները հայտնաբերել են, այն է, որ այն վայրը, որտեղ ապրում են նիտրացնող բակտերիաները, չպետք է պարունակի օրգանական նյութեր: Առաջ քաշվեց այն տեսությունը, որ այդ միկրոօրգանիզմները, սկզբունքորեն, չեն կարող օգտագործել արտաքին օրգանական միացություններ։ Նրանց նույնիսկ անվանել են պարտադիր ավտոտրոֆներ։
Այնուհետև, գլյուկոզայի, միզանյութի, պեպտոնի, գլիցերինի և այլ օրգանական նյութերի վնասակար ազդեցությունը նիտրացնող բակտերիաների վրա բազմիցս ապացուցվել է, սակայն փորձերը չեն դադարում:
Բակտերիաների նիտրացման կարևորությունըհող
Մինչ վերջերս համարվում էր, որ նիտրիֆիկատորները բարենպաստ ազդեցություն են ունենում հողի վրա՝ մեծացնելով նրա բերրիությունը՝ ամոնիումը տրոհելով նիտրատների: Վերջիններս ոչ միայն լավ են ներծծվում բույսերի կողմից, այլև ինքնին մեծացնում են որոշ հանքանյութերի լուծելիությունը։
Սակայն վերջին տարիներին գիտական հայացքները փոխվում են։ Բացահայտվել է նկարագրված միկրոօրգանիզմների բացասական ազդեցությունը հողի բերրիության վրա։ Նիտրացնող բակտերիաները, ձևավորելով նիտրատներ, թթվում են շրջակա միջավայրը, ինչը միշտ չէ, որ դրական բան է, ինչպես նաև հրահրում է հողի հագեցվածությունը ամոնիումի իոններով ավելի մեծ չափով, քան նիտրատները: Ավելին, նիտրատները կարող են կրճատվել մինչև N2 (դենիտրացման ժամանակ), որն իր հերթին հանգեցնում է հողի ազոտի սպառմանը:
Ո՞րն է բակտերիաների նիտրացման վտանգը:
Նիտրոբակտերիաների որոշ շտամներ օրգանական ենթաշերտի առկայության դեպքում կարող են օքսիդացնել ամոնիումը, առաջացնելով հիդրօքսիլամին, իսկ հետո՝ նիտրիտներ և նիտրատներ: Բացի այդ, նման ռեակցիաների արդյունքում կարող են առաջանալ հիդրոքսամիկ թթուներ: Ավելին, մի շարք բակտերիաներ իրականացնում են ազոտ պարունակող տարբեր միացությունների նիտրացման գործընթացը (օքսիմներ, ամիններ, ամիդներ, հիդրոքսամատներ և այլ նիտրոմիացություններ):
Հետերոտրոֆիկ նիտրաֆիկացման մասշտաբները որոշակի պայմաններում կարող են լինել ոչ միայն հսկայական, այլև շատ վնասակար: Վտանգը կայանում է նրանում, որ նման փոխակերպումների ընթացքում տեղի է ունենում թունավոր նյութերի, մուտագենների և քաղցկեղածինների առաջացում։ Հետեւաբար, գիտնականները սերտորենաշխատում են այս թեմայի ուսումնասիրության վրա։
Կենսաբանական զտիչ, որը միշտ ձեռքի տակ է
Անիտրացնող բակտերիաները վերացական հասկացություն չէ, այլ կյանքի շատ տարածված ձև: Ավելին, դրանք հաճախ օգտագործվում են մարդկանց կողմից։
Օրինակ, այս բակտերիաները ակվարիումների կենսաբանական ֆիլտրերի մի մասն են: Մաքրման այս տեսակն ավելի քիչ ծախսատար է և ոչ այնքան աշխատատար, որքան մեխանիկական մաքրումը, բայց միևնույն ժամանակ պահանջում է որոշակի պայմանների պահպանում՝ նիտրացնող բակտերիաների աճն ու կենսագործունեությունն ապահովելու համար։
Նրանց համար ամենաբարենպաստ միկրոկլիման շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանն է (այս դեպքում՝ ջուրը) 25-26 աստիճան Ցելսիուսի կարգի, թթվածնի մշտական մատակարարումը և ջրային բույսերի առկայությունը։
Անիտրացնող բակտերիաներ գյուղատնտեսության մեջ
Բերքատվությունը բարձրացնելու համար ֆերմերներն օգտագործում են նիտրացնող բակտերիաներ պարունակող տարբեր պարարտանյութեր։
Հողի սնուցումն այս դեպքում ապահովում են նիտրոբակտերիաները և ազոտոբակտերիաները։ Այս բակտերիաները հողից և ջրից հանում են անհրաժեշտ նյութերը, որոնք օքսիդացման գործընթացում բավական մեծ քանակությամբ էներգիա են կազմում։ Սա այսպես կոչված քիմոսինթեզի գործընթացն է, երբ ստացված էներգիան օգտագործվում է ածխաթթու գազից և ջրից օրգանական ծագման բարդ մոլեկուլներ ձևավորելու համար։
Այս միկրոօրգանիզմները չեն պահանջում սննդանյութեր իրենց միջավայրից. նրանք կարող են դրանք արտադրել իրենք: Այսպիսով, եթե կանաչ բույսերը, որոնք նույնպես ավտոտրոֆներ են, պետք էարևի լույս, ուրեմն դա անհրաժեշտ չէ բակտերիաների նիտրացման համար։
Ինքնամաքրվող հող
Հողը իդեալական ենթաշերտ է ոչ միայն բույսերի, այլև բազմաթիվ կենդանի օրգանիզմների աճի և վերարտադրության համար: Ուստի նրա նորմալ վիճակն ու հավասարակշռված կազմը չափազանց կարևոր են։
Պետք է հիշել, որ նիտրացնող բակտերիաները ապահովում են նաև հողի կենսաբանական մաքրում։ Նրանք, լինելով հողում, ջրամբարներում կամ հումուսում, ամոնիակը, որն արտազատվում է այլ միկրոօրգանիզմների և թափոնների օրգանական նյութերի կողմից, վերածում են նիտրատների (ավելի ճիշտ՝ ազոտական թթվի աղերի)։ Ամբողջ գործընթացը բաղկացած է երկու քայլից՝
- Ամոնիակի օքսիդացում դեպի նիտրիտ.
- Նիտրիտների օքսիդացում դեպի նիտրատ.
Միևնույն ժամանակ, յուրաքանչյուր փուլ ապահովվում է միկրոօրգանիզմների առանձին տեսակների կողմից:
Այսպես կոչված արատավոր շրջան
Երկրի վրա էներգիայի շրջանառությունը և կյանքի պահպանումը հնարավոր է բոլոր կենդանի էակների գոյության որոշակի օրենքների պահպանման շնորհիվ։ Առաջին հայացքից դժվար է հասկանալ, թե ինչի մասին է խոսքը, բայց իրականում ամեն ինչ բավականին պարզ է։
Պատկերացնենք հետևյալ նկարը դպրոցական դասագրքից.
- Անօրգանական նյութերը մշակվում են միկրոօրգանիզմների կողմից և դրանով իսկ հողում բարենպաստ պայմաններ են ստեղծում բույսերի աճի և սնուցման համար։
- Նրանք, իրենց հերթին, էներգիայի անփոխարինելի աղբյուր են բուսակերների մեծամասնության համար:
- Այս կյանքի օղակի հաջորդ շղթան գիշատիչներն են, որոնց էներգիան է.համապատասխանաբար, նրանց խոտակեր նմանները։
- Մարդիկ հայտնի են որպես գագաթնակետային գիշատիչներ, ինչը նշանակում է, որ մենք կարող ենք էներգիա ստանալ ինչպես բուսական աշխարհից, այնպես էլ կենդանական աշխարհից:
- Եվ արդեն մնում է մեր կյանքը, ինչպես նաև հենց այդ բույսերն ու կենդանիները, ծառայում են որպես սննդարար սուբստրատ միկրոօրգանիզմների համար:
Այսպիսով, ստացվում է մի արատավոր շրջան, որը շարունակաբար գործում է և կյանք է ապահովում Երկրի վրա ողջ կյանքի համար: Իմանալով այս սկզբունքները՝ դժվար չէ պատկերացնել, թե որքան բազմակողմանի և իրականում անսահման է բնության և բոլոր կենդանի էակների ուժը։
Եզրակացություն
Այս հոդվածում մենք փորձեցինք պատասխանել այն հարցին, թե ինչ են նիտրացնող բակտերիաները կենսաբանության մեջ: Ինչպես տեսնում եք, չնայած այս միկրոօրգանիզմների կենսագործունեության, գործունեության և ազդեցության անհերքելի ապացույցներին, դեռևս կան բազմաթիվ վիճելի հարցեր, որոնք պահանջում են հետագա փորձարարական հետազոտություն:
Անիտրացնող բակտերիաները դասակարգվում են որպես քիմոտրոֆներ: Նրանց համար էներգիայի աղբյուր են ծառայում տարբեր հանքանյութեր։ Չնայած իրենց մանրադիտակային չափերին, այս կենդանի օրգանիզմները հսկայական ազդեցություն ունեն իրենց շրջապատող աշխարհի վրա:
Ինչպես գիտեք, քիմոտրոֆները չեն կարող կլանել օրգանական միացությունները, որոնք գտնվում են ենթաշերտի մեջ (հող կամ ջուր): Ընդհակառակը, նրանք շինանյութ են արտադրում կենդանի և գործող բջիջ ստեղծելու համար։
