Қоректену түріне сәйкес барлық белгілі тірі ағзалар екі үлкен түрге бөлінеді: гетеро- және автотрофтылар. Соңғысының айрықша ерекшелігі – олардың көмірқышқыл газынан және басқа бейорганикалық заттардан өз бетінше жаңа элементтер құра алу қабілеті.
Тіршілік белсенділігін қамтамасыз ететін энергия көздері олардың фотоафтотрофтарға (көзі жарық) және хемоаототрофтарға (көзі минералдар) бөлінуін анықтайды. Ал хемоатортофиттер тотықтыратын субстрат атауына қарай сутегі және нитрификациялаушы бактериялар, сонымен қатар күкірт және темір бактериялары болып бөлінеді.
Бұл мақала олардың ең көп тараған тобына – нитрификацияланатын бактерияларға арналады.
Табу тарихы
Тіпті 19 ғасырдың ортасында неміс ғалымдары нитрификация процесінің биологиялық екенін дәлелдеді. Олар ағынды суға хлороформды қосқанда аммиактың тотығуы тоқтағанын эмпирикалық түрде көрсетті. Бірақ мұның себебін түсіндіру үшін олар мұны істемейдімүмкін.
Мұны бірнеше жылдан кейін орыс ғалымы Виноградский жасады. Ол нитрификация процесіне біртіндеп қатысқан бактериялардың екі тобын анықтады. Осылайша, бір топ аммонийдің азот қышқылына дейін тотығуын қамтамасыз етсе, екінші топтағы бактериялар оның азот қышқылына айналуына жауапты болды. Бұл процеске қатысатын барлық нитрификациялаушы бактериялар грамтеріс.
Тотығу процесінің ерекшеліктері
Аммиакты тотығу арқылы нитрит түзілу процесі бірнеше кезеңнен тұрады, оның барысында NH тобының тотығу дәрежесі әртүрлі азотты қосылыстар түзіледі.
Аммиак тотығуының бірінші өнімі гидроксиламин. Сірә, ол молекулалық оттегінің NH4 тобына қосылуына байланысты пайда болған, дегенмен бұл процесс түпкілікті дәлелденбеген және әлі де даулы болып қала береді.
Кейіннен гидроксиламин нитритке айналады. Болжам бойынша, процесс азот оксидінің бөлінуімен NOH (гипонитрит) түзілуі арқылы жүзеге асады. Бұл жағдайда ғалымдар нитриттің азаюына байланысты азот оксидінің өндірісін синтездің жанама өнімі деп санайды.
Химиялық элементтерді өндіруден басқа денитрификация кезінде көп мөлшерде энергия бөлінеді. Гетеротрофты аэробты организмдерде болатын жағдайға ұқсас, бұл жағдайда АТФ молекулаларының синтезі тотығу-тотықсыздану процестерімен байланысты, нәтижесінде электрондар оттегіге ауысады.
Нитрит тотыққанда кері тасымалдану процесі маңызды рөл атқарады.электрондар. Тізбекке оның электрондарының қосылуы тікелей цитохромдарда (С-типі және/немесе А-типі) жүреді және бұл жеткілікті үлкен энергияны қажет етеді. Нәтижесінде химиавототрофты нитрификациялаушы бактериялар көмірқышқыл газын құру және ассимиляциялау процестеріне жұмсалатын қажетті энергия қорымен толық қамтамасыз етіледі.
Нитрификаторлы бактериялардың түрлері
Нитрификацияның бірінші фазасына нитробактериялардың төрт тұқымы қатысады:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- нитрососпира.
Айтпақшы, ұсынылған суретте (микроскоп астындағы фото) нитрификациялаушы бактерияларды көруге болады.
Тәжірибелік түрде олардың арасында мәдениеттердің бірін бөліп алу өте қиын, және көбінесе мүлдем мүмкін емес, сондықтан оларды қарастыру негізінен күрделі. Барлық аталған микроорганизмдердің өлшемдері 2-2,5 мкм-ге дейін жетеді және негізінен сопақ немесе дөңгелек пішінді (таяқша тәрізді нитроспираларды қоспағанда). Олар екілік бөлінуге және жгутикаға байланысты бағытталған қозғалысқа қабілетті.
Нитрификацияның екінші фазасы қатысады:
- Nitrobacter түрі;
- нитроспин түрі;
- нитрокок.
Нитрбактер тектес бактериялардың ең көп зерттелген штаммы, оның ашушысы Виноградскийдің атымен аталған. Бұл нитрификациялаушы бактериялардың алмұрт тәрізді жасушалары бар, бүршіктеніп көбейіп, жылжымалы (жұқа тәрізді) аналық жасуша түзеді.
Бактериялардың құрылымы
Зерттелген нитрификациялаушы бактериялар басқа грамтеріс микроорганизмдермен ұқсас жасушалық құрылымға ие. Олардың кейбіреулерінде жасушаның ортасында үйінді құрайтын ішкі қабықшалар жүйесі жеткілікті дамыған, ал басқаларында олар шеткі жағында көбірек орналасады немесе бірнеше жапырақтан тұратын тостаған түріндегі құрылымды құрайды. Белгілі субстраттардың нитрификаторлармен тотығу процесіне қатысатын ферменттер дәл осы түзілімдермен байланысты.
Нитрификаторлы бактериялардың тағам түрі
Нитробактериялар облигатты автотрофтар болып табылады, өйткені олар экзогендік органикалық заттарды пайдалана алмайды. Дегенмен, нитрификациялаушы бактериялардың кейбір штаммдарының кейбір органикалық қосылыстарды қолдану қабілеті эксперименталды түрде көрсетілді.
Төмен концентрацияда ашытқы автолизаттары, серин және глутамат бар субстрат нитробактериялардың өсуін ынталандырғаны анықталды. Бұл нитрит болған кезде де, қоректік ортада оның жоқтығында да жүреді, дегенмен процесс әлдеқайда баяу жүреді. Керісінше, нитрит болған кезде ацетаттың тотығуы басылады, бірақ оның көміртегінің ақуызға, әртүрлі аминқышқылдарына және басқа жасушалық компоненттерге қосылуы айтарлықтай артады.
Көптеген тәжірибелер нәтижесінде нитрификациялаушы бактериялар әлі де гетеротрофты қоректенуге ауыса алатыны туралы деректер алынды, бірақ олардың мұндай жағдайларда қаншалықты өнімді және қаншалықты ұзақ өмір сүре алатыны әлі күнге дейін белгілі болады. Деректер жеткілікті болғаншабұл мәселе бойынша түпкілікті қорытынды жасауға сәйкес келмейді.
Нитрификаторлы бактериялардың тіршілік ету ортасы және маңызы
Нитрификаторлы бактериялар хемоавтотрофтар болып табылады және табиғатта кеңінен таралған. Олар барлық жерде кездеседі: топырақта, әртүрлі субстраттарда, сондай-ақ су объектілерінде. Олардың тіршілік әрекетінің процесі табиғаттағы жалпы азот айналымына үлкен үлес қосады және шын мәнінде үлкен пропорцияларға жетуі мүмкін.
Мысалы, Атлант мұхитынан оқшауланған nitrocystis oceanus сияқты микроорганизм облигатты галофильдерге жатады. Ол тек теңіз суында немесе оны қамтитын субстратта болуы мүмкін. Мұндай микроорганизмдер үшін тіршілік ету ортасы ғана емес, сонымен қатар рН және температура сияқты тұрақтылар да маңызды.
Барлық белгілі нитрификациялаушы бактериялар облигатты аэробтар ретінде жіктеледі. Аммонийді азот қышқылына, азот қышқылын азот қышқылына дейін тотықтыру үшін оларға оттегі қажет.
Тіршілік ету ортасының шарттары
Ғалымдар анықтаған тағы бір маңызды мәселе – нитрификациялаушы бактериялар өмір сүретін жерде органикалық заттар болмауы керек. Бұл микроорганизмдер негізінен сырттан келген органикалық қосылыстарды пайдалана алмайды деген теория алға тартылды. Оларды тіпті міндетті автотрофтар деп те атаған.
Кейіннен глюкозаның, мочевинаның, пептонның, глицериннің және басқа да органикалық заттардың нитрификациялаушы бактерияларға зиянды әсері бірнеше рет дәлелденді, бірақ тәжірибелер тоқтамайды.
Бактерияларды нитрификациялаудың маңыздылығытопырақ
Соңғы уақытқа дейін нитрификаторлар топыраққа пайдалы әсер етеді, аммонийді нитраттарға дейін ыдырату арқылы оның құнарлығын арттырады деп есептелді. Соңғылары өсімдіктерге жақсы сіңіп қана қоймайды, сонымен қатар кейбір минералдардың ерігіштігін жоғарылатады.
Алайда соңғы жылдары ғылыми көзқарастар өзгеруде. Сипатталған микроорганизмдердің топырақ құнарлылығына кері әсері анықталды. Нитрификациялаушы бактериялар, нитраттарды түзу, қоршаған ортаны қышқылдандырады, бұл әрқашан жағымды нәрсе емес, сонымен қатар нитраттарға қарағанда топырақтың аммоний иондарымен қанықтыруын тудырады. Сонымен қатар, нитраттар N2 дейін (денитрификация кезінде) төмендеу қабілетіне ие, бұл өз кезегінде топырақта азоттың азаюына әкеледі.
Нитрификаторлы бактериялардың қауіптілігі қандай?
Нитробактериялардың кейбір штаммдары органикалық субстраттың қатысуымен аммонийді тотықтырып, гидроксиламинді, кейіннен нитриттер мен нитраттарды түзе алады. Сондай-ақ осындай реакциялардың нәтижесінде гидроксамин қышқылдары пайда болуы мүмкін. Сонымен қатар, бірқатар бактериялар құрамында азот бар әртүрлі қосылыстарды (оксимдер, аминдер, амидтер, гидроксаматтар және басқа нитроқосылыстар) нитрификациялау процесін жүзеге асырады.
Белгілі бір жағдайларда гетеротрофты нитрификация масштабы үлкен ғана емес, сонымен бірге өте зиянды болуы мүмкін. Қауіпті мынада: мұндай қайта құрулар барысында улы заттардың, мутагендер мен канцерогендердің пайда болуы. Сондықтан ғалымдар жақыносы тақырыпты зерттеу үстінде.
Әрқашан қолыңызда болатын биологиялық сүзгі
Нитрификаторлы бактериялар дерексіз ұғым емес, өмірдің өте кең таралған түрі. Оның үстіне оларды адамдар жиі пайдаланады.
Мысалы, бұл бактериялар аквариумдарға арналған биологиялық сүзгілердің бөлігі болып табылады. Тазалаудың бұл түрі механикалық тазалау сияқты қымбат емес және көп еңбекті қажет етпейді, бірақ сонымен бірге нитрификациялаушы бактериялардың өсуі мен тіршілік әрекетін қамтамасыз ету үшін белгілі бір шарттарды сақтауды талап етеді.
Олар үшін ең қолайлы микроклимат қоршаған ортаның температурасы (бұл жағдайда су) Цельсий бойынша 25-26 градус, оттегінің тұрақты берілуі және су өсімдіктерінің болуы.
Ауыл шаруашылығындағы нитрификациялаушы бактериялар
Шығымды арттыру үшін фермерлер құрамында нитрификациялаушы бактериялары бар әртүрлі тыңайтқыштарды пайдаланады.
Бұл жағдайда топырақтың қоректенуін нитробактериялар мен азотобактериялар қамтамасыз етеді. Бұл бактериялар топырақтан және судан қажетті заттарды алады, олар тотығу процесінде жеткілікті мөлшерде энергия құрайды. Бұл алынған энергия көмірқышқыл газы мен судан органикалық текті күрделі молекулаларды құруға жұмсалатын хемосинтез процесі деп аталады.
Бұл микроорганизмдер қоршаған ортадан қоректік заттарды қажет етпейді - олар оларды өздері жасай алады. Сонымен, автотрофтар болып табылатын жасыл өсімдіктер қажет болсакүн сәулесі болса, ол бактерияларды нитрификациялау үшін қажет емес.
Өзін-өзі тазартатын топырақ
Топырақ тек өсімдіктердің ғана емес, сонымен қатар көптеген тірі ағзалардың өсуі мен көбеюі үшін тамаша субстрат болып табылады. Сондықтан оның қалыпты күйі мен теңдестірілген құрамы өте маңызды.
Нитрификациялаушы бактериялар топырақтың биологиялық тазартылуын да қамтамасыз ететінін есте ұстаған жөн. Олар топырақта, су қоймаларында немесе қарашірікте бола отырып, басқа микроорганизмдер мен қалдық органикалық материалдар бөлетін аммиакты нитраттарға (дәлірек айтсақ, азот қышқылының тұздарына) айналдырады. Бүкіл процесс екі қадамнан тұрады:
- Амиактың нитритке дейін тотығуы.
- Нитриттің нитратқа дейін тотығуы.
Бұл ретте әрбір кезең микроорганизмдердің жеке түрлерімен қамтамасыз етіледі.
Тұйық шеңбер деп аталатын
Энергияның айналымы және жер бетінде тіршіліктің сақталуы барлық тірі заттардың белгілі бір заңдылықтарын сақтаудың арқасында мүмкін болады. Бір қарағанда, қауіптің не екенін түсіну қиын, бірақ іс жүзінде бәрі өте қарапайым.
Мектеп оқулығындағы мына суретті елестетіп көрейік:
- Бейорганикалық заттарды микроорганизмдер өңдейді және осылайша топырақта өсімдіктердің өсуі мен қоректенуіне қолайлы жағдай жасайды.
- Олар өз кезегінде шөпқоректілердің көпшілігі үшін таптырмас қуат көзі болып табылады.
- Бұл тіршілік байланысының келесі тізбегі – жыртқыштар, олардың энергиясы:тиісінше, олардың шөпқоректі аналогтары.
- Адамдардың төбе жыртқыштары екені белгілі, яғни біз өсімдіктер әлемінен де, жануарлар әлемінен де қуат ала аламыз.
- Біздің жеке өміріміз, сондай-ақ өсімдіктер мен жануарлар микроорганизмдер үшін қоректік субстрат ретінде қызмет етеді.
Осылайша, үздіксіз жұмыс істейтін және жердегі барлық тіршілікті қамтамасыз ететін тұйық шеңбер пайда болады. Осы принциптерді біле отырып, табиғат пен барлық тіршілік иелерінің күші қаншалықты көп қырлы және шын мәнінде шексіз екенін елестету қиын емес.
Қорытынды
Бұл мақалада биологияда нитрификациялаушы бактериялар деген не деген сұраққа жауап беруге тырыстық. Көріп отырғаныңыздай, бұл микроорганизмдердің өмірлік белсенділігінің, қызметі мен әсерінің бұлтартпас дәлелдеріне қарамастан, әлі де тәжірибелік зерттеулерді қажет ететін көптеген даулы мәселелер бар.
Нитрификаторлы бактериялар химотрофтарға жатады. Әртүрлі минералдар олар үшін энергия көзі ретінде қызмет етеді. Микроскопиялық өлшемдерге қарамастан, бұл тірі ағзалар қоршаған әлемге үлкен әсер етеді.
Өздеріңіз білетіндей, хемотрофтар субстраттағы (топырақ немесе су) органикалық қосылыстарды сіңіре алмайды. Керісінше, олар тірі және жұмыс істейтін жасушаны құру үшін құрылыс материалын шығарады.
