Роль микроорганизмов в круговороте азота

Министерство образования и  науки РФ

ФГБОУ ВПО «ВолгГТУ»

Кафедра «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности»

 

 

 

 

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Микробиология »

На тему:

«Роль микроорганизмов в круговороте  азота»

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка группы ПП-352

Ешева А.У.

Проверил:

Д.б. н., проф.

Самыгин В. М.

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2012

Содержание

Введение ………………………………………………………..............................3

Круговорот  азота ………………………………………………............................4

Превращение микроорганизмами соединений азота…………………………...6

Аммонификация белков (минерализация азота)……………………………..…7

Нитрификация……………………………………………………………………10

Денитрификация…………………………………………………………………11

Азотфиксация…………………………………………………………………….12

Микроорганизмы, способные фиксировать молекулярный азот……………..13

Заключение……………………………………………………………………….15

Список использованных источников …………………………………………..16

 

 

Введение

Цель  данной работы состоит том, чтобы  рассмотреть процесс превращения  микроорганизмами соединений азота, их роль в круговороте, а так же процессы нитрификации, денитрификации, азотфиксации.

Актуальность  настоящей работы заключается в важности освещения роли микроорганизмов в круговороте азота.

Роль микроорганизмов, в том числе бактерий, в круговороте азота очень велика. Животные, питаясь растениями, синтезируют белок и другие азотсодержащие продукты своего тела за счёт белка растений. При минерализации животного и растительного белка гнилостные бактерии образуют аммиак, который окисляется нитрифицирующими бактериями в нитриты и затем в нитраты. Как аммонийные соли, так и нитраты служат источником азотистого питания для высших растений, синтезирующих при этом белки своего тела. Минерализующая способность бактерий обеспечивает круговорот и других биогенных элементов. Бактерии являются мощными геологическими деятелями.

Запасы азота в природе очень велики. Общее содержание этого элемента в организмах составляет более 25 млрд. тонн, большое количество азота находится также в почве.   

В воздухе азот присутствует в виде газа N₂. Однако газ азот (N₂), содержание которого в атмосфере достигает 79 % по объёму, эукариоты сами по себе ассимилировать не могут. А уникальной способностью превращать N₂ в азотсодержащие соединения обладают некоторые бактерии, которые называют азотфиксирующими.

 

 

Круговорот азота

     Круговорот азота охватывает все области биосферы, т. е. атмосферу, литосферу и гидросферу. Сплошными линиями на схеме показаны потоки естественного цикла азота. Молекулярный азот составляет 79% атмосферы. Его количество оценивается в 3 800 000 млрд. т.

Однако  столь огромные запасы газообразного  азота абсолютно недоступны высшим растениям и животным. В естественный круговорот азот вовлекается двумя путями: геологическим и с помощью грозовых разрядов и фотохимического окисления. Из них основной - биологическая фиксация атмосферного азота микроорганизмами. К азотфиксирующим бактериям относятся свободноживущие виды рода Azotobacter, Clostridium pasterianutn, а также клубеньковые бактерии, являющиеся симбионтами растений и образующие клубеньки на их корнях. Кроме того, молекулярный азот могут усваивать некоторые грибы и многие виды цианобактерий.

 

 

Уникальное сочетание способности фиксации азота к фотосинтезу позволяет цианобактериям развиваться в местах, непригодных для других микроорганизмов.

Фиксированный азот в аммонийной или нитратной  форме потребляется растениями и превращается ими в сложные белковые вещества. Растения  поедаются животными, в организме которых растительные белки трансформируются в белки животные. На следующем этапе круговорота азотсодержащие продукты метаболизма растений и животных, а также ткани отмерших организмов подвергаются биохимическому воздействию микроорганизмов. Процесс разложения азотсодержащих веществ сопровождается образованием аммиака и называется аммонификацией. Освободившийся аммонийный азот в процессе биохимической нитрификации окисляется до нитритов и нитратов. Окисленные формы азота восстанавливаются микроорганизмами до молекулярного азота, поступающего в атмосферу. Таким образом, круговорот азота замыкает денитрификация.

Четыре  из шести описанных этапов превращения  соединений азота осуществляются микроорганизмами. Это еще раз свидетельствует о той важной роли, которую они играют в жизни Земли.

Естественный  цикл превращений азота значительно  искажается в результате производственной и сельскохозяйственной деятельности человека. Промышленное использование атмосферного азота для синтеза аммиака примерно на 10% повышает общее количество азота, фиксированного естественным путем. Если в конце XIX в. ученые опасались, как бы процессы денитрификации не привели к обеднению почвы соединениями азота, то в настоящее время озабоченность вызывает отставание денитрификации от процесса фиксации азота. Из-за интенсивного использования искусственных азотных удобрений количество азота, доступного наземным растениям, может существенно превышать их потребности. Часть этого избыточно фиксированного азота смывается в водоемы. Чрезмерный вынос азотистых соединений в водоемы вызывает их «цветение» - усиленный рост водорослей, отмирание которых обогащает воду органическими веществами. В результате этого процесса вследствие расходования кислорода на окисление органических веществ нарушается кислородный режим водоема, что в свою очередь может вызвать гибель рыбы и других организмов.

Круговорот  азота в Мировом океане менее  изучен. Известно, что среди микронаселения океана есть организмы, способные к фиксации азота. Океанический и наземный круговороты азота связаны речным стоком, с которым в океан ежегодно выносится около 30 млн. т органического и неорганического азота [4].

Превращение микроорганизмами соединений азота.

Азот  — основной элемент, определяющий величину урожая сельскохозяйственных культур. Растениям недоступен газообразный азот, в огромном количестве находящийся в воздухе, а из большого разнообразия соединений азота, встречающихся в почве, они могут использовать для питания в основном только минеральные формы этого элемента. Поэтому вопрос о превращениях соединений азота в почве под воздействием микроорганизмов привлекает большое внимание ученых.

Цикл превращений  азота и содержащих этот элемент  соединений в почве весьма сложен. Некоторую часть атмосферного азота связывают свободноживущие или находящиеся в симбиозе с растениями микроорганизмы. Этот процесс обогащает азотом и почву и растения. Органические азотсодержащие соединения в тканях растений и животных, попадая в почву, подвергаются минерализации и превращаются в аммоний и его соединения. Часть растительных остатков трансформируется в темноокрашенное, содержащее азот вещество — гумус.

 

 

Атмосферный азот

 

 

Аммонийная  форма азота подвергается в почве  окислению нитрифицирующими бактериями и превращается в соединения азотной  кислоты. При определенных условиях нитраты могут восстанавливаться до молекулярного азота и теряться из почвы. Значительное количество азотсодержащих соединений ассимилируется микроорганизмами и временно переходит в недоступную растениям форму [1].

Аммонификация белков (минерализация азота).

 Среди органических соединений, составляющих клетку, первое место  по количеству занимают белки - на их долю приходится не менее 50% сухой массы клетки. Значительная часть белков попадает в почву с остатками отмерших растений, животных и микроорганизмов. При разложении белков   микроорганизмами азот освобождается в виде аммиака. Этот процесс называют аммонификацией, или минерализацией азота.

Белки могут  разлагаться аэробными и анаэробными  бактериями, актиномицетами, грибами. Особенно активны в этом отношении представители семейства Pseudomonadaceae рода Pseudomonas (Pseudomonas fluorescens, Ps. aeruginosa), семейства Bacillaceae рода Bacillus (Bacillus mycoides, Вас. cereus, Вас. subtilis) и рода Clostridium (Cl. sporogenes, Cl. putrificus), семейства Enterobacteriaceae рода Proteus (Proteus vulgaris) и др.

В состав белков обычно входит 20 α-аминокислот. Аминокислоты в полимерной цепи белка располагаются таким образом, что конец одной аминокислоты связан с началом другой пептидной связью. Такие полимерные молекулы, называемые полипептидными цепями, могут содержать сотни аминокислотных звеньев, а белковая молекула состоит либо из одной, либо из нескольких полипептидных цепей. По составу белки подразделяются на простые и сложные. Простые белки при гидролизе дают только аминокислоты, а сложные — также и другие органические и неорганические продукты. Небелковую часть (не состоящую из аминокислот) молекулы сложного белка называют его простетической группой.

К сложным  белкам относят нуклеопротеиды, липопротеиды, металлопротеиды и гликопротеиды.

Молекулы  белков и большинства пептидов расщепляются ферментами вне клеток микроорганизмов, так как не могут проходить через их цитоплазматическую мембрану. Протеолитические ферменты (протеазы), выделяемые клетками микроорганизмов в окружающую среду, осуществляют гидролиз ряда пептидных связей в молекулах белков. Образующиеся при этом частицы белковой молекулы (полипептиды и олигопептиды) могут использоваться клетками микробов, в которых они разрушаются внутриклеточными протеолитическими ферментами — пептидазами до свободных аминокислот. Образовавшиеся при распаде белка аминокислоты идут на синтез белков клетки или подвергаются дальнейшему расщеплению.

Пути  внутриклеточного или внеклеточного  расщепления аминокислот различны. Возможны следующие процессы:

а) дезаминирование, происходящее путем отщепления, аммиака:

R·CH₂CHNH₂·COOH      R·CH = СНСООН + NH₃

б) окислительное  дезаминирование:

R·CHNH₂COOH + ¹/₂O₂        R·CO·COOH + NH₃

в) восстановительное  дезаминирование:

R·CHNH₂·COOH +2Н       R·CH₂COOH + NH₃

г) декарбоксилирование:

R·CHNH₂·COOH     R·CH₂NH₂+ СО₂

Образующиеся  из белков аминокислоты минерализуются с различной скоростью. Некоторые из них (треонин, метионин) более устойчивы, другие, наоборот, весьма легко разлагаются (аргинин, триптофан).

После дезаминирования углеродный остаток подвергается воздействию микробов в аэробных или анаэробных условиях с образованием СО₂ и различных органических соединений.

Если  в среде имеются амиды, то они  первоначально разлагаются до аминокислот, которые затем могут быть трансформированы тем или иным путем. Например, аспарагин под воздействием фермента аспарагиназы превращается в аспарагиновую кислоту:

При аэробном распаде белка основные конечные продукты этого процесса: СО₂, аммиак, сульфаты и вода.

В анаэробных условиях при распаде белка образуются аммиак, амины, СО₂, органические кислоты (жирные и ароматические-бензойная, ферулиновая и др.), меркаптаны, а также индол, скатол и сероводород, обладающие неприятным запахом.

При анаэробном разрушении белков могут образоваться токсические соединения.

Накапливающиеся в анаэробных условиях в почве  продукты разложения белков обладают фитотоксическими свойствами и нередко вызывают угнетение роста растений и снижение их урожайности [1].

Нитрификация

Аммонийный  азот, образующийся в результате аммонификации азотсодержащих соединений, в природных условиях может потребляться растительными организмами для построения клетки или окисляться до нитритов и нитратов бактериями в процессе нитрификации.

По характеру  окисляемых субстратов нитрифицирующие  бактерии семейства Nitrobacteriaceae делятся на две группы. Первую стадию нитрификации — окисление аммонийного азота до нитритов — осуществляют бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus. Вторая стадия — окисление нитритов до нитратов — происходит при участии бактерий трех родов: Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus.

Все представители  семейства Nitrobacteriaceae — одноклеточные грамотрицательные хемолитоавтотрофные организмы сферической, овальной, палочковидной, клиновидной, извитой форм. Разнообразию форм клеток нитрификаторов соответствует удивительное разнообразие внутренней структуры. Представителям некоторых родов, в том числе классических родов Nitrosomonas и Nitrobacter, свойственны обширные внутриклеточные ламеллярные или трубчатые разрастания цитоплазматической мембраны. Поперечный размер клеток колеблется от 0,3 до 4 мкм при длине 1—6,5 мкм. Среди нитрификаторов есть подвижные и неподвижные виды. Особенность бактерий рода Nitrosomonas — способность образовывать зооглейные скопления при повышенной концентрации нитритов. В зооглеях бактерии более устойчивы к действию неблагоприятных условий.

Все нитрифицирующие  бактерии — аэробы, развивающиеся в интервале рН 7,5—8,0. При значениях рН меньше 6 и выше 9,2 рост прекращается. Азотный обмен нитрификаторов складывается из двух процессов: окисление аммиака и нитритов с целью получения энергии и ассимиляция аммонийного азота в конструктивном обмене для синтеза белков. Потребность азота на синтез значительно меньше. Энергетические процессы у нитрификаторов существенно преобладают над конструктивными. Нитрифицирующие бактерии растут очень медленно, время генерации составляет около 24 ч.