Роль микроорганизмов в круговороте азота

В чистых культурах легко окисляемые органические вещества, находящиеся в среде, тормозят нитрификацию. В природных условиях, особенно на таком твердом субстрате, как почва, нитрификаторы развиваются и в присутствии органических веществ. Кажущееся противоречие объясняется физико-химическими условиями природной среды и тем, что сопутствующая микрофлора сглаживает угнетающее действие органических веществ. Эти вещества как бы регулируют метабиоз между аммонифицирующими и нитрифицирующими бактериями. Однако действие различных веществ неодинаково. Например, аминокислоты, являющиеся нормальными метаболитами обмена нитрификаторов, даже стимулируют их рост, в то время как аминокислоты, не содержащиеся в клеточных белках, подавляют жизнедеятельность нитрифицирующей микрофлоры [4].

Денитрификация

Круговорот  азота заканчивается возвращением его в атмосферу в результате процесса денитрификации. Процесс осуществляется гетеротрофными бактериями, использующими нитрат-ион в качестве конечного акцептора водорода в анаэробном дыхании при окислении органических веществ [4].

В анаэробных условиях многие аэробные бактерии вместо кислорода могут использовать нитрат в качестве конечного акцептора  электронов.

Таким образом, всякий раз, когда при разложении органического вещества в почве или воде кислород исчерпывается в результате дыхания аэробных микроорганизмов, некоторые из этих аэробов в присутствии нитрата продолжают дышать за счет органического вещества, т. е. переходят к анаэробному дыханию. При этом происходит восстановление нитратов. Некоторые бактерии (например, Escherichia coli) способны восстанавливать нитрат только до уровня нитрита, другие (например, Pseudomonas aeruginosa) могут восстановить его до газообразного азота. В ходе этого процесса, называемого денитрификацией, связанный азот удаляется из почвы и воды с освобождением газообразного N₂ в атмосферу [3].

Денитрификацию могут вызывать и термофильные бактерии, развивающиеся при температуре 55—65°С. Это спорообразующие бактерии, относящиеся к роду Bacillus [1].

Денитрификация — процесс, имеющий большое экологическое значение. Он лишает почву необходимого для растений азота, снижая за счет этого продуктивность сельского хозяйства. Особенно значительные потери происходят в удобренных почвах. Хотя точные цифры не известны, но при определенных условиях удобрения могут утрачивать в результате денитрификации до 50% связанного азота.

Тем не менее денитрификация приводит не только к вредным последствиям. Благодаря денитрификации в почве всегда имеется определенное количество связанного азота. Хорошо растворимые ионы нитрата постоянно выщелачиваются из почвы и в конечном счете переносятся в океаны. При отсутствии денитрификации земной запас азота, включая N₂ атмосферы, в конце концов сосредоточился бы в океанах и жизнь стала бы невозможной на основной части суши, за исключением прибрежной полосы. Денитрификация делает пресную воду пригодной для питья, поскольку высокие концентрации ионов нитрата являются токсичными [3].

Азотфиксация

Азотфиксация — это уникальный процесс, присущий только прокариотическим микроорганизмам. Под азотфиксацией понимается способность некоторых групп бактерий и архей к энзиматическому восстановлению атмосферного N₂ до аммония (с образованием водорода), который затем включается в клеточное вещество.

Азотфиксация по своему значению сопоставима с фотосинтезом, так как для подавляющего большинства живых организмов азот может быть доступен только в связанной форме. Молекулярный азот составляет в атмосфере Земли около 78 % по массе. Связанный азот, «выносимый» из почвы растениями (порядка 110 млн. т в год), частично восполняется за счет внесения минеральных и органических азотных удобрений (около 30 млн. т в год). Основное связывание азота происходит путем микробной азотфиксации. Таким образом, замыкается глобальный цикл азота [2].

Чистую  культуру азотфиксирующего микроорганизма впервые выделил С. Н. Виноградский (1893). Это была анаэробная споро-образующая палочка, названная Clostridium pasteurianum. Несколько позднее голландский микробиолог М. Бейеринк (1901) открыл Azotobacter chroococcum — аэробную бактерию, также способную усваивать молекулярный азот.

Первоначально считали, что связывать молекулярный азот могут лишь отдельные специализированные виды микроорганизмов, однако в последнее время было установлено, что функция азотфиксации присуща представителям различных микроорганизмов— бактериям разных систематических групп, актиномицетам, а также многим сине-зеленым водорослям (цианобактериям) [1].

 

Микроорганизмы, способные фиксировать молекулярный азот

Давно было замечено, что севооборот с бобовыми растениями повышает урожай злаков. В 1888 г. М.Бейеринк выделил первую чистую культуру клубеньковых бактерий из рода Rhizobium. В 1893 г. С. Н. Виноградским был описан свободноживущий анаэробный микроорганизм Clostridium pasteurianum, фиксирующий молекулярный азот, а в 1901 г. М.Бейеринк обнаружил аэробный свободноживущий азотфиксатор рода Azotobacter. В начале XX в. была доказана способность к азотфиксации у цианобактерий рода Nostoc.

Азотфиксирующие микроорганизмы выделяют на средах без  связанных форм азота. В настоящее  время наиболее распространенными методами изучения азотфиксации являются изотопный и ацетиленовый. Большое число микроорганизмов — представители 80 родов из 27 семейств бактерий и по крайней мере три термофильных рода архей — обладают способностью к азотфиксации.

Такие микроорганизмы подразделяют на свободноживущие и симбиотические. Свободноживущие азотфиксаторы относятся к хемотрофам (это анаэробные клостридии и сульфатредукторы, факультативно анаэробные бациллы и представители сем. Entero-bacteriaceae, аэробные метанотрофы и представители сем. Azoto-bacteriaceae) и к фототрофам (это ряд пурпурных и зеленых бактерий и многие цианобактерии) [2].

 

 

 

 

 

Заключение

В данной работе был рассмотрен процесс  превращения микроорганизмами соединений азота, их роль в круговороте, а так же процессы нитрификации, денитрификации, азотфиксации.

На  основании выше изложенного можно  сделать вывод, что роль микроорганизмов  в круговороте азота очень  велика.

Важную  роль в круговороте азота играют аэробные и анаэробные бактерии, актиномицеты и грибы, так как они участвуют в процессе аммонификации, в котором разлагают белок до аммиака.

Нитрифицирующими  бактериями являются бактерии семейства Nitrobacteriaceae. Все они представляют собой аэробы, развивающиеся только в интервале рН 7,5—8,0.

Нитрифицирующие бактерии играют важную роль не только в природе, но и в процессах  очистки сточных вод.

Процесс денитрификации осуществляется гетеротрофными бактериями, широко распространен в природе и имеет большое экологическое значение.

В процессе азотфиксации замыкается глобальный цикл азота. Это в основном биологический процесс, и единственными организмами, способными его осуществлять, являются бактерии. Некоторое количество азота фиксируется при грозовых разрядах, под действием ультрафиолетовых лучей, при работе электрического оборудования и двигателей внутреннего сгорания.

 

Список использованных источников

 

1. Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. : Микробиология. – 3-е изд., перераб. и доп.– М.: Агропромиздат, 1987. – 368 с.

Нетрусов А.И., И.Б. Котова : Микробиология : учебник для студ. высш. учеб. заведений – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 352 с.

Стейниер Р. И др. : Мир микробов – М. : Мир, Т.3. 1979. – 465с.

Чурбанова И.Н. : Микробиология : Учеб. для вузов по спец. «Рациональное использ. водных ресурсов и обезвреживание пром. стоков». – М.: Высш. шк., 1987. – 239с.: ил.