: Главная arrow Хемолитотрофные бактерии arrow Окисление аммиака и нитрита (нитрификация)  

Окисление аммиака и нитрита (нитрификация)

Печать E-mail
 

 

При аэробном или анаэробном разложении азотсодержащих органиче­ских веществ происходит выделение азота в форме аммиака. Давний опыт учит, что при компостировании навоза образуется селитра. Сели­тряные выцветы, появляющиеся на каменной облицовке навозных ям, в средние века использовали для приготовления пороха. Согласно старым руководствам, на селитряных заводах из смеси земли, известня­ка и азотсодержащих органических веществ закладывали специальные гряды. Эти гряды поливали мочой и кровью, следя за тем, чтобы они хорошо аэрировались. Аммиак, освобождавшийся при микробном раз­ложении органического материала, диффундировал в верхний земляной покров и окислялся там под воздействием кислорода воздуха до нитра­та. Этот покрывающий верхний слой земли служил исходным материа­лом для получения селитры; его вымачивали в воде, а полученный рас­твор затем выпаривали.

Превращение аммиака (аммония) в нитрат - нитрификация -как в по­чве, так и в воде осуществляется нитрифицирующими бактериями. Од­нако нет такой бактерии, которая бы прямо превращала аммиак в ни­трат. В его окислении всегда участвуют две группы бактерий: одни окисляют аммиак, образуя нитрит, а другие окисляют нитрит в нитрат.

Наиболее известные виды нитрифицирующих бактерий-это Nitrosomonas europaea и Nitrobacter winogradskyi (табл. 11.1). Прове­денные недавно исследования показали, что важнейшими нитрификато-рами в почвах сельскохозяйственных угодий являются виды рода Nitrosolobus, а не Nitrosomonas, как считалось ранее. Обе группы родов строго специализированы в отношении приведенных в табл. 11.1 реак­ций. Бактерии, окисляющие аммиак, поставляют субстрат для бактерий, окисляющих нитрит. Поскольку высокие концентрации аммиака в ще-

 

Image

лочных почвах оказывают на Nitrobacter токсическое действие, Nitrosomonas, используя аммиак и образуя кислоту (т. е. переводя катион в анион), тем самым улучшает и условия существования для Nitrobacter.

Нитрификаторы - это грам-отрицательные бактерии, принадлежащие к семейству Nitrobacteraceae. У Nitrosomonas europaea клетки овальные с полярно расположенными жгутиками. В морях за окисление аммиака ответствен, по-видимому, Nitrosococcus oceanus (рис. 2.22). Нитрифици­рующие бактерии можно выращивать на чисто минеральных средах, од­нако в таких условиях они растут медленно (время генерации 10-20 ч). До последнего времени нитрификаторов считали облигатными хемоли-тоавтотрофами, поскольку они не используют добавляемые к пита­тельным средам органические субстраты. Однако сейчас на этот счет высказывается все больше сомнений, и вопрос детально изучается. Оказалось, например, что Nitrobacter winogradskyi способен исполь­зовать добавленный к минеральной среде ацетат для синтеза некоторых веществ клетки (белков, поли-р-гидроксимасляной кислоты).

Этапы окисления аммиака. При окислении, по-видимому, образуется ряд промежуточных продуктов:

NH3  -►  NH2OH   ->  [NOH]  ->  NO2   -  NO3

Первый этап окисления является эндергонической "реакцией, которую катализирует монооксигеназа. Атом кислорода в NH2OH доставляется молекулярным кислородом. Второй этап идет при участии гидроксила-мин-оксидоредуктазы. При окислении нитрита электроны переносятся на цитохром Oj. Только стадии окисления гидроксиламина в нитрит и нитрита в нитрат являются энергетически полезными.

Роль процессов нитрификации в почве. В хорошо аэрируемой почве ионы NH^", освобождающиеся при минерализации азотсодержащих ве­ществ, подвергаются быстрому окислению. Перевод катиона в анион ведет к подкислению почвы и тем самым к повышению растворимости минералов (солей калия, магния, кальция и фосфорной кислоты). Поэто­му в нитрифицирующих микроорганизмах видели ранее важный фактор плодородия почв. Однако теперь эти представления изменились. Выяс­нилось, что ионы аммония задерживаются в почве гораздо лучше ни­трата, особенно если они адсорбируются на глинистых минералах и бо­лее или менее прочно связываются с частицами гумуса; нитрат же легко вымывается. В связи с этим появилась тенденция к ограничению нитри­фикации в почвах сельскохозяйственных угодий. Ведутся поиски ве­ществ, способных специфически подавлять рост нитрифицирующих бак­терий и служить своего рода «стабилизаторами» почвенного азота [к таким веществам относится, например, 2-хлор-6-(трихлорметил)-пири-дин].

Следует учесть, что рост и метаболизм автотрофных нитрифицирую­щих бактерий протекает оптимально лишь в области рН от 7 до 8. Диа­пазон рН, в котором происходит полная нитрификация от аммиака до нитрата, очень узок, поскольку и свободный аммиак (при высоких значениях рН), и азотная кислота (при низких значениях рН) оказывают токсическое действие на Nitrobacter. Известно, что концентрации сво­бодного NH3 и свободной HN02 зависят от рН среды.

Нитрифицирующие бактерии косвенно участвуют в разрушении раз­ного рода сооружений, для которых строительным материалом служат известь и цемент (т. е. различных зданий, автострад и т. п.). Это связано с тем, что нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, присутствую­щий в атмосфере или выделяющийся из фекалий животных, до азотной кислоты.

Гетеротрофная нитрификация. Пока не установлено точно, действи­тельно ли автотрофные нитрификаторы занимают монопольное поло­жение в природе или же превращение аммиака в нитрат происходит также при участии гетеротрофных бактерий и грибов. В чистой культу­ре лишь некоторые штаммы Arthrobacter способны к образованию ни­трита из азотсодержащих веществ. Некоторые грибы обладают способ­ностью окислять аминный азот или аммиак до нитрата. Однако гетеротрофный процесс в отличие от автотрофной нитрификации не связан с ростом клеток и продукцией биомассы. Речь при этом идет, ве­роятно, о какого-то рода соокислении аммиака и органических субстра­тов. Кроме того, скорость нитрификации у гетеротрофных бактерий в 103-104 раз меньше, чем у автотрофных. Поэтому нельзя считать, что гетеротрофные нитрификаторы серьезно «подрывают» монопольное по­ложение автотрофных нитрифицирующих организмов. Однако даже не­значительная нитрификация, осуществляемая гетеротрофами, позволяет объяснить, например, тот факт, что и на кислых почвах (чайные планта­ции, хвойные леса), где у автотрофных нитрифицирующих микроорга­низмов нет шансов выжить, все же происходит образование нитрата.

Обратный транспорт электронов и урожай клеток. Автотрофные бак­терии, окисляющие аммиак, нитрит, соединения серы или железо, находятся в энергетическом отношении в крайне невыгодных условиях. Их субстраты обладают сильно положительным окислительно-восста­новительным потенциалом. Нормальные потенциалы £0' составляют для NH+/NH2OH + 899 мВ, для NOj/NOj + 420 мВ, для N02~/NH2OH + 66 мВ, для Fe3 + /Fe2+ + 770 мВ, в то время как для пары NAD/NADH2 окислительно-восстановительный потенциал равен - 320 мВ. Окисление названных выше неорганических субстратов не может быть прямо связано с восстановлением NAD. Однако NADH2 необходим для восстановления С02 в рибулозобисфосфатном цикле. Судя по некоторым экспериментальным данным, электроны, освобо­ждающиеся при окислении упомянутых неорганических субстратов, по­ступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с или цитохрома а. Поскольку фосфорилирование при этом может происходить лишь на одном-единственном этапе окисления, выигрыш в энергии соответствен­но невелик. Часть этой энергии затрачивается на то, чтобы «оттеснить» электроны, поступающие на участок цитохромов, по дыхательной цепи назад, на уровень пиридиннуклеотидов, и восстановить последние. Та-

 

Image

ким образом, обратный перенос электронов является для перечис­ленных выше бактерий обязательным механизмом, необходимым для получения восстановительных эквивалентов, используемых затем в про­цессах синтеза (см. стр. 246).

Низкий выход клеток у бактерий, окисляющих упомянутые выше не­органические субстраты, обусловлен тем, что они получают таким спо­собом мало энергии. Для синтеза одного грамма сухой клеточной массы им приходится использовать гораздо большие количества раз­личных веществ, чем другим организмам (табл. 11.2). Кроме того, боль­шинство названных бактерий катализирует так называемое «холостое окисление», т.е. окисление субстратов без одновременного синтеза кле­точного вещества. Не удивительно поэтому, что различные превраще­ния в почве и воде осуществляются сравнительно малым количеством бактерий.

 
« Пред.   След. »