Podle typu výživy se všechny známé živé organismy dělí na dva velké typy: hetero- a autotrofy. Charakteristickým rysem posledně jmenovaných je jejich schopnost nezávisle vytvářet nové prvky z oxidu uhličitého a dalších anorganických látek.
Zdroje energie, které podporují jejich životně důležitou činnost, určují jejich rozdělení na fotoaftotrofy (zdrojem je světlo) a chemoautotrofy (zdrojem jsou minerály). A podle názvu substrátu oxidovaného chemoauthortofyty se dělí na vodíkové a nitrifikační bakterie, stejně jako na sirné a železité bakterie.
Tento článek bude věnován nejběžnější skupině z nich – nitrifikačním bakteriím.
Historie objevů
Ještě v polovině 19. století němečtí vědci dokázali, že proces nitrifikace je biologický. Empiricky prokázali, že když se do odpadních vod přidal chloroform, oxidace čpavku se zastavila. Ale aby vysvětlili, proč se to děje, nedělajímohl.
Toto udělal o několik let později ruský vědec Vinogradskij. Identifikoval dvě skupiny bakterií, které se postupně podílely na procesu nitrifikace. Jedna skupina tedy zajišťovala oxidaci amonia na kyselinu dusitou a druhá skupina bakterií byla zodpovědná za jeho přeměnu na kyselinu dusičnou. Všechny nitrifikační bakterie zapojené do tohoto procesu jsou gramnegativní.
Funkce oxidačního procesu
Proces tvorby dusitanů oxidací amonia má několik fází, během kterých vznikají sloučeniny obsahující dusík s různým stupněm oxidace skupiny NH.
Prvním produktem oxidace amonia je hydroxylamin. S největší pravděpodobností vzniká díky zahrnutí molekulárního kyslíku do skupiny NH4, ačkoli tento proces nebyl nakonec prokázán a zůstává diskutabilní.
Poté se hydroxylamin přemění na dusitany. Pravděpodobně se proces provádí tvorbou NOH (hyponitritu) s uvolňováním oxidu dusného. V tomto případě vědci považují produkci oxidu dusného jen za vedlejší produkt syntézy, kvůli redukci dusitanů.
Kromě výroby chemických prvků se při denitrifikaci uvolňuje velké množství energie. Podobně jako u heterotrofních aerobních organismů je v tomto případě syntéza molekul ATP spojena s redoxními procesy, v jejichž důsledku dochází k přenosu elektronů na kyslík.
Při oxidaci dusitanů hraje důležitou roli proces zpětného transportuelektrony. K začlenění jeho elektronů do řetězce dochází přímo v cytochromech (typu C a / nebo typu A), což vyžaduje poměrně velké množství energie. Výsledkem je, že chemoautotrofním nitrifikačním bakteriím je plně poskytnuta potřebná energetická rezerva, která se využívá pro procesy budování a asimilace oxidu uhličitého.
Typy nitrifikačních bakterií
V první fázi nitrifikace se účastní čtyři rody nitrobakterií:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Mimochodem, na navrhovaném obrázku (fotce pod mikroskopem) můžete vidět nitrifikační bakterie.
Experimentálně je mezi nimi poměrně obtížné a často zcela nemožné vyčlenit jednu z kultur, takže jejich posouzení je převážně složité. Všechny uvedené mikroorganismy mají velikost do 2-2,5 mikronu a mají převážně oválný nebo kulatý tvar (s výjimkou nitrospir, které mají tvar tyčinky). Jsou schopny binárního štěpení a řízeného pohybu v důsledku bičíků.
Probíhá druhá fáze nitrifikace:
- rod Nitrobacter;
- typ nitrospinu;
- nitrococus.
Nejstudovanější kmen bakterií rodu Nitrbacter, pojmenovaný po svém objeviteli Vinogradském. Tyto nitrifikační bakterie mají buňky hruškovitého tvaru, množí se pučením a vytvářejí pohyblivou (díky bičíku) dceřinou buňku.
Struktura bakterií
Studované nitrifikační bakterie mají podobnou buněčnou strukturu jako jiné gramnegativní mikroorganismy. Některé z nich mají poměrně vyvinutý systém vnitřních membrán, které tvoří stoh ve středu buňky, zatímco v jiných jsou umístěny více na okraji nebo tvoří strukturu ve formě poháru sestávajícího z několika listů. Zřejmě právě s těmito útvary jsou spojeny enzymy, které se podílejí na procesu oxidace specifických substrátů nitrifikátory.
Typ potravin s nitrifikačními bakteriemi
Nitrobakterie jsou povinné autotrofy, protože nejsou schopny využívat exogenní organické látky. Experimentálně však byla prokázána schopnost některých kmenů nitrifikačních bakterií využívat některé organické sloučeniny.
Bylo zjištěno, že substrát obsahující kvasinkové autolyzáty, serin a glutamát v nízkých koncentracích stimuluje růst nitrobakterií. K tomu dochází jak v přítomnosti dusitanu, tak v jeho nepřítomnosti v živném médiu, i když proces je mnohem pomalejší. Naopak v přítomnosti dusitanů je oxidace acetátu potlačena, ale výrazně se zvyšuje začlenění jeho uhlíku do bílkovin, různých aminokyselin a dalších buněčných složek.
V důsledku mnoha experimentů byla získána data, že nitrifikační bakterie mohou stále přejít na heterotrofní výživu, ale jak produktivně a jak dlouho mohou v takových podmínkách existovat, se teprve uvidí. Dokud jsou data dostatečnánekonzistentní k vyvození konečných závěrů v této záležitosti.
Bytop a význam nitrifikačních bakterií
Nitrifikační bakterie jsou chemoautotrofy a jsou v přírodě široce rozšířeny. Nacházejí se všude: v půdě, různých substrátech i vodních útvarech. Proces jejich životně důležité činnosti významně přispívá k celkovému cyklu dusíku v přírodě a ve skutečnosti může dosáhnout obrovských rozměrů.
Například takový mikroorganismus jako nitrocystis oceanus, izolovaný z Atlantského oceánu, patří k obligátním halofilům. Může existovat pouze v mořské vodě nebo substrátech, které ji obsahují. Pro takové mikroorganismy je důležité nejen stanoviště, ale také takové konstanty jako pH a teplota.
Všechny známé nitrifikační bakterie jsou klasifikovány jako obligátní aerobní bakterie. Potřebují kyslík k oxidaci amonia na kyselinu dusitou a kyseliny dusité na kyselinu dusičnou.
Podmínky stanoviště
Dalším důležitým bodem, který vědci zjistili, je, že místo, kde žijí nitrifikační bakterie, by nemělo obsahovat organickou hmotu. Byla předložena teorie, že tyto mikroorganismy v zásadě nemohou využívat organické sloučeniny zvenčí. Byli dokonce nazýváni obligátními autotrofy.
Následně byl opakovaně prokázán škodlivý účinek glukózy, močoviny, peptonu, glycerinu a dalších organických látek na nitrifikační bakterie, ale experimenty nekončí.
Význam nitrifikačních bakterií propůda
Donedávna se věřilo, že nitrifikátory mají příznivý vliv na půdu, zvyšují její úrodnost tím, že rozkládají amonium na dusičnany. Ty jsou nejen dobře absorbovány rostlinami, ale také samy o sobě zvyšují rozpustnost určitých minerálů.
V posledních letech se však vědecké názory mění. Byl odhalen negativní vliv popsaných mikroorganismů na úrodnost půdy. Nitrifikační bakterie, tvořící dusičnany, okyselují prostředí, což není vždy pozitivní, a také vyvolávají sycení půdy amonnými ionty ve větší míře než dusičnany. Kromě toho mají dusičnany schopnost být redukovány na N2 (během denitrifikace), což následně vede k vyčerpání dusíku v půdě.
Jaké je nebezpečí nitrifikačních bakterií?
Některé kmeny nitrobakterií v přítomnosti organického substrátu mohou oxidovat amonium za vzniku hydroxylaminu a následně dusitanů a dusičnanů. V důsledku takových reakcí se také mohou vyskytovat hydroxamové kyseliny. Navíc řada bakterií provádí proces nitrifikace různých sloučenin, které obsahují dusík (oximy, aminy, amidy, hydroxamáty a další nitrosloučeniny).
Rozsah heterotrofní nitrifikace za určitých podmínek může být nejen obrovský, ale také velmi škodlivý. Nebezpečí spočívá v tom, že při takových přeměnách dochází ke vzniku toxických látek, mutagenů a karcinogenů. Proto jsou vědci blízkopracují na studiu tohoto tématu.
Biologický filtr, který je vždy po ruce
Nitrifikační bakterie nejsou abstraktní pojem, ale velmi běžná forma života. Navíc je často používají lidé.
Například tyto bakterie jsou součástí biologických filtrů pro akvária. Tento typ čištění je méně nákladný a není tak pracný jako čištění mechanické, ale zároveň vyžaduje dodržení určitých podmínek, aby byl zajištěn růst a životně důležitá činnost nitrifikačních bakterií.
Nejpříznivější mikroklima je pro ně okolní teplota (v tomto případě vody) v řádu 25-26 stupňů Celsia, stálý přísun kyslíku a přítomnost vodních rostlin.
Nitrifikační bakterie v zemědělství
Za účelem zvýšení výnosů používají zemědělci různá hnojiva obsahující nitrifikační bakterie.
Výživu půdy v tomto případě zajišťují nitrobakterie a azotobakterie. Tyto bakterie získávají z půdy a vody potřebné látky, které při procesu oxidace tvoří dostatečně velké množství energie. Jedná se o takzvaný proces chemosyntézy, kdy je přijatá energie využita k vytvoření komplexních molekul organického původu z oxidu uhličitého a vody.
Tyto mikroorganismy nevyžadují živiny ze svého prostředí – dokážou si je vyrobit samy. Pokud tedy zelené rostliny, které jsou také autotrofy, potřebujísluneční světlo, pak není nutné pro nitrifikační bakterie.
Samočisticí půda
Půda je ideálním substrátem pro růst a rozmnožování nejen rostlin, ale i mnoha živých organismů. Proto je extrémně důležitý jeho normální stav a vyvážené složení.
Je třeba mít na paměti, že nitrifikační bakterie také zajišťují biologické čištění půdy. Ty, které jsou v půdě, nádržích nebo humusu, přeměňují čpavek, který uvolňují jiné mikroorganismy a odpadní organické materiály, na dusičnany (přesněji na soli kyseliny dusičné). Celý proces se skládá ze dvou kroků:
- Oxidace amoniaku na dusitany.
- Oxidace dusitanů na dusičnany.
Zároveň je každé stadium zajišťováno samostatnými typy mikroorganismů.
Takzvaný začarovaný kruh
Oběh energie a udržení života na Zemi je možné díky dodržování určitých zákonů existence všeho živého. Na první pohled je těžké pochopit, co je v sázce, ale ve skutečnosti je všechno docela jednoduché.
Představme si následující obrázek ze školní učebnice:
- Anorganické látky jsou zpracovávány mikroorganismy a vytvářejí tak v půdě příznivé podmínky pro růst a výživu rostlin.
- Jsou zase nepostradatelným zdrojem energie pro většinu býložravců.
- Dalším řetězcem tohoto životního článku jsou predátoři, jejichž energie je,respektive jejich býložravé protějšky.
- O lidech je známo, že jsou vrcholoví predátoři, což znamená, že můžeme získat energii jak ze světa rostlin, tak ze světa zvířat.
- A již zůstaly naše vlastní životy, stejně jako právě ty rostliny a zvířata, sloužící jako živný substrát pro mikroorganismy.
Dostává se tak začarovaného kruhu, který nepřetržitě funguje a poskytuje život veškerému životu na Zemi. Při znalosti těchto principů není těžké si představit, jak mnohostranná a vlastně neomezená síla přírody a všeho živého.
Závěr
V tomto článku jsme se pokusili odpovědět na otázku, co jsou nitrifikační bakterie v biologii. Jak vidíte, navzdory nezvratným důkazům o životně důležité činnosti, fungování a vlivu těchto mikroorganismů stále existuje mnoho kontroverzních otázek, které vyžadují další experimentální výzkum.
Nitrifikační bakterie jsou klasifikovány jako chemotrofy. Jako zdroj energie jim slouží různé minerály. Navzdory své mikroskopické velikosti mají tyto živé organismy obrovský vliv na svět kolem nich.
Jak víte, chemotrofy nemohou absorbovat organické sloučeniny, které jsou v substrátu (půda nebo voda). Naopak, produkují stavební materiál pro vytvoření živé a fungující buňky.
