بر اساس نوع تغذیه، همه موجودات زنده شناخته شده به دو نوع بزرگ تقسیم می شوند: هترو- و اتوتروف. ویژگی متمایز دومی توانایی آنها در ساخت مستقل عناصر جدید از دی اکسید کربن و سایر مواد معدنی است.
منابع انرژی که از فعالیت حیاتی آنها پشتیبانی می کنند، تقسیم آنها را به فوتوآفتوتروف ها (منبع نور) و کمواتوتروف ها (منبع مواد معدنی) تعیین می کند. و بسته به نام سوبسترای اکسید شده توسط شیمیواثورتوفیت ها، به باکتری های هیدروژن و نیتریفیک کننده و همچنین باکتری های گوگرد و آهن تقسیم می شوند.
این مقاله به رایج ترین گروه در میان آنها - باکتری های نیتروف کننده اختصاص داده خواهد شد.
تاریخچه کشف
حتی در اواسط قرن نوزدهم، دانشمندان آلمانی ثابت کردند که فرآیند نیتریفیکاسیون بیولوژیکی است. از نظر تجربی، آنها نشان دادند که وقتی کلروفرم به آب فاضلاب اضافه شد، اکسیداسیون آمونیاک متوقف شد. اما برای توضیح اینکه چرا این اتفاق می افتد، آنها این کار را نمی کنندتوانست.
این چند سال بعد توسط دانشمند روسی وینوگرادسکی انجام شد. او دو گروه از باکتری ها را شناسایی کرد که به تدریج در فرآیند نیتریفیکاسیون شرکت کردند. بنابراین، یک گروه از اکسیداسیون آمونیوم به اسید نیتروژن اطمینان حاصل کردند و گروه دوم باکتری ها مسئول تبدیل آن به اسید نیتریک بودند. تمام باکتری های نیتریفیک کننده درگیر در این فرآیند گرم منفی هستند.
ویژگی های فرآیند اکسیداسیون
فرآیند تشکیل نیتریت توسط اکسیداسیون آمونیوم دارای چندین مرحله است که طی آن ترکیبات حاوی نیتروژن با درجات مختلف اکسیداسیون گروه NH تشکیل می شوند.
اولین محصول اکسیداسیون آمونیوم هیدروکسیل آمین است. به احتمال زیاد، به دلیل گنجاندن اکسیژن مولکولی در گروه NH4 تشکیل شده است، اگرچه این فرآیند در نهایت اثبات نشده است و همچنان قابل بحث است.
بعد، هیدروکسیل آمین به نیتریت تبدیل می شود. احتمالاً این فرآیند از طریق تشکیل NOH (هیپونیتریت) با آزادسازی اکسید نیتروژن انجام می شود. در این مورد، دانشمندان تولید اکسید نیتروژن را به دلیل کاهش نیتریت تنها محصول جانبی سنتز می دانند.
علاوه بر تولید عناصر شیمیایی، مقدار زیادی انرژی در حین نیترات زدایی آزاد می شود. مشابه آنچه در ارگانیسم‌های هوازی هتروتروف اتفاق می‌افتد، در این مورد نیز سنتز مولکول‌های ATP با فرآیندهای ردوکس همراه است که در نتیجه الکترون‌ها به اکسیژن منتقل می‌شوند.
هنگامی که نیتریت اکسید می شود، فرآیند انتقال معکوس نقش مهمی ایفا می کند.الکترون ها گنجاندن الکترون های آن در زنجیره مستقیماً در سیتوکروم ها (نوع C و / یا نوع A) رخ می دهد و این به مقدار نسبتاً زیادی انرژی نیاز دارد. در نتیجه، باکتری های نیتریفیک کننده شیمی اتوتروفیک به طور کامل ذخیره انرژی لازم را دارند که برای فرآیندهای ساخت و جذب دی اکسید کربن استفاده می شود.
انواع باکتری های نیتریفیک کننده
چهار جنس از نیتروباکتری ها در مرحله اول نیتریفیکاسیون شرکت می کنند:
- نیتروزوموناس;
- نیتروسیستیس;
- nitrosolubus;
- نیتروسوسپیرا.
به هر حال، در تصویر پیشنهادی (عکس زیر میکروسکوپ) می توانید باکتری های نیتریت کننده را ببینید.
از نظر تجربی، در میان آنها، جدا کردن یکی از فرهنگ ها بسیار دشوار و اغلب کاملاً غیرممکن است، بنابراین توجه به آنها عمدتاً پیچیده است. اندازه همه میکروارگانیسم های ذکر شده بین 2-2.5 میکرون است و عمدتاً بیضی یا گرد هستند (به استثنای نیتروسپیرا که به شکل چوب هستند). آنها قادر به شکافت دوتایی و حرکت جهت دار به دلیل تاژک هستند.
مرحله دوم نیتریفیکاسیون انجام می شود:
- جنس Nitrobacter;
- نوع نیتروسپین؛
- نیتروکوکوس.
سویه باکتری های جنس Nitrbacter که بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته است، به نام کاشف آن Vinogradsky نامگذاری شده است. این باکتری های نیتریفیک کننده دارای سلول های گلابی شکل هستند که با جوانه زدن تکثیر می شوند و یک سلول دختر متحرک (به دلیل تاژک) تشکیل می شود.
ساختار باکتری
باکتری های نیتریفیک کننده مورد مطالعه ساختار سلولی مشابهی با سایر میکروارگانیسم های گرم منفی دارند. برخی از آنها دارای یک سیستم نسبتاً توسعه یافته از غشاهای داخلی هستند که پشته ای را در مرکز سلول تشکیل می دهند، در حالی که در برخی دیگر آنها بیشتر در حاشیه قرار دارند یا ساختاری به شکل فنجان تشکیل می دهند که از چندین برگ تشکیل شده است. ظاهراً با این تشکیلات است که آنزیم هایی درگیر در فرآیند اکسیداسیون سوبستراهای خاص توسط نیتریفایرها هستند.
نوع غذای باکتری های نیتریفیک
نیتروباکتری ها اتوتروف های اجباری هستند، زیرا قادر به استفاده از مواد آلی برون زا نیستند. با این حال، توانایی برخی از سویه های باکتری نیتریفیک کننده برای استفاده از برخی ترکیبات آلی به طور تجربی نشان داده شده است.
مشخص شد که سوبسترای حاوی اتولیزات مخمر، سرین و گلوتامات در غلظت های کم، رشد نیترو باکتری ها را تحریک می کند. این اتفاق هم در حضور نیتریت و هم در غیاب آن در محیط غذایی رخ می دهد، اگرچه این روند بسیار کندتر است. برعکس، در حضور نیتریت، اکسیداسیون استات سرکوب می شود، اما ادغام کربن آن به پروتئین، اسیدهای آمینه مختلف و سایر اجزای سلولی به طور قابل توجهی افزایش می یابد.
در نتیجه آزمایش‌های متعدد، داده‌هایی به دست آمد مبنی بر اینکه باکتری‌های نیتریفیک‌کننده هنوز هم می‌توانند به تغذیه هتروتروف تبدیل شوند، اما اینکه چقدر و برای چه مدت می‌توانند در چنین شرایطی وجود داشته باشند، هنوز مشخص نیست. تا زمانی که داده ها کافی باشدبرای نتیجه گیری نهایی در این مورد ناسازگار است.
زیستگاه و اهمیت باکتری های نیتریف کننده
باکتری های نیتریفیک کننده شیمی اتوتروف هستند و به طور گسترده در طبیعت پراکنده می شوند. آنها در همه جا یافت می شوند: در خاک، بسترهای مختلف و همچنین بدنه های آبی. روند فعالیت حیاتی آنها کمک زیادی به چرخه کلی نیتروژن در طبیعت می کند و در واقع می تواند به نسبت های عظیمی برسد.
برای مثال، میکروارگانیسمی مانند nitrocystis oceanus، جدا شده از اقیانوس اطلس، متعلق به هالوفیل های اجباری است. فقط می تواند در آب دریا یا بسترهای حاوی آن وجود داشته باشد. برای چنین میکروارگانیسم‌هایی، نه تنها زیستگاه مهم است، بلکه ثابت‌هایی مانند pH و دما نیز مهم است.
همه باکتری های نیتریفیک کننده شناخته شده به عنوان هوازی اجباری طبقه بندی می شوند. آنها برای اکسید کردن آمونیوم به اسید نیتروژن و اسید نیتروژن به اسید نیتریک به اکسیژن نیاز دارند.
شرایط زیستگاه
نکته مهم دیگری که دانشمندان شناسایی کرده اند این است که محل زندگی باکتری های نیتریفیک کننده نباید حاوی مواد آلی باشد. این تئوری مطرح شد که این میکروارگانیسم ها، در اصل، نمی توانند از ترکیبات آلی از خارج استفاده کنند. آنها حتی اتوتروف های اجباری نامیده می شوند.
متعاقباً، اثر مضر گلوکز، اوره، پپتون، گلیسیرین و سایر مواد آلی بر باکتری های نیتریف کننده بارها ثابت شد، اما آزمایش ها متوقف نمی شوند.
اهمیت نیتریف کننده باکتری برایخاک
تا همین اواخر اعتقاد بر این بود که نیتریفایرها اثر مفیدی بر خاک دارند و با تجزیه آمونیوم به نیترات، حاصلخیزی آن را افزایش می دهند. این مواد نه تنها به خوبی توسط گیاهان جذب می شوند، بلکه به خودی خود حلالیت برخی مواد معدنی را نیز افزایش می دهند.
اما در سال های اخیر دیدگاه های علمی در حال تغییر بوده است. اثر منفی میکروارگانیسم های توصیف شده بر حاصلخیزی خاک آشکار شد. نیتریفیکاسیون باکتری ها، تشکیل نیترات ها، محیط را اسیدی می کند که همیشه چیز مثبتی نیست و همچنین اشباع خاک با یون های آمونیوم را به میزان بیشتری نسبت به نیترات ها تحریک می کند. علاوه بر این، نیترات ها توانایی کاهش به N2 را دارند (در طول نیتروژن زدایی)، که به نوبه خود منجر به کاهش نیتروژن خاک می شود.
خطر نیتریفیکاسیون باکتری ها چیست؟
برخی از سویه های نیتروباکتری ها در حضور یک بستر آلی می توانند آمونیوم را اکسید کرده و هیدروکسی آمین و متعاقبا نیتریت ها و نیترات ها را تشکیل دهند. همچنین، در نتیجه چنین واکنش هایی، اسیدهای هیدروکسامیک می توانند رخ دهند. علاوه بر این، تعدادی از باکتری ها فرآیند نیتریفیکاسیون ترکیبات مختلف حاوی نیتروژن (اکسیم ها، آمین ها، آمیدها، هیدروکسامات ها و سایر ترکیبات نیترو) را انجام می دهند.
مقیاس نیتریفیکاسیون هتروتروف در شرایط خاص نه تنها می تواند بزرگ، بلکه بسیار مضر نیز باشد. خطر در این واقعیت نهفته است که در جریان چنین تحولاتی، تشکیل مواد سمی، جهش زا و سرطان زا رخ می دهد. بنابراین، دانشمندان از نزدیک هستنددر حال کار بر روی مطالعه این موضوع هستند.
فیلتر بیولوژیکی که همیشه در دسترس است
باکتری های نیتریفیک مفهومی انتزاعی نیست، بلکه شکل بسیار رایج زندگی است. علاوه بر این، آنها اغلب توسط انسان استفاده می شوند.
برای مثال، این باکتری ها بخشی از فیلترهای بیولوژیکی آکواریوم ها هستند. این نوع تمیز کردن هزینه کمتری دارد و به اندازه تمیز کردن مکانیکی پرزحمت نیست، اما در عین حال برای اطمینان از رشد و فعالیت حیاتی باکتری‌های نیتریف کننده، نیازمند رعایت شرایط خاصی است.
مطلوب ترین اقلیم برای آنها دمای محیط (در این مورد آب) در حد 25-26 درجه سانتیگراد، تامین مداوم اکسیژن و وجود گیاهان آبزی است.
باکتری های نیتریفیک کننده در کشاورزی
به منظور افزایش عملکرد، کشاورزان از کودهای مختلف حاوی باکتری های نیتریف کننده استفاده می کنند.
تغذیه خاک در این مورد توسط نیترو باکتری ها و ازتوباکتری ها تامین می شود. این باکتری ها مواد لازم را از خاک و آب استخراج می کنند که در طی فرآیند اکسیداسیون مقدار کافی انرژی تشکیل می دهند. این به اصطلاح فرآیند کموسنتز است، زمانی که انرژی دریافتی برای تشکیل مولکول های پیچیده با منشاء آلی از دی اکسید کربن و آب استفاده می شود.
این میکروارگانیسم ها به مواد مغذی از محیط خود نیاز ندارند - آنها می توانند خودشان آنها را تولید کنند. بنابراین، اگر گیاهان سبز، که اتوتروف نیز هستند، نیاز دارندنور خورشید، پس برای نیتریفیکاسیون باکتری ها ضروری نیست.
خاک خود تمیز شونده
خاک بستری ایده آل برای رشد و تکثیر نه تنها گیاهان، بلکه بسیاری از موجودات زنده است. بنابراین وضعیت طبیعی و ترکیب متعادل آن بسیار مهم است.
باید به خاطر داشت که باکتری های نیتریفیک کننده نیز پاکسازی بیولوژیکی خاک را فراهم می کنند. آنها که در خاک، مخازن یا هوموس قرار دارند، آمونیاک را که توسط سایر میکروارگانیسم ها و مواد آلی زائد آزاد می شود، به نیترات (به عبارت دقیق تر، به نمک های اسید نیتریک) تبدیل می کنند. کل فرآیند شامل دو مرحله است:
- اکسایش آمونیاک به نیتریت.
- اکسیداسیون نیتریت به نیترات.
در همان زمان، هر مرحله توسط انواع جداگانه ای از میکروارگانیسم ها ارائه می شود.
به اصطلاح حلقه باطل
گردش انرژی و حفظ حیات روی زمین به دلیل رعایت قوانین خاصی از وجود همه موجودات زنده امکان پذیر است. در نگاه اول، درک آنچه در خطر است دشوار است، اما در واقع همه چیز بسیار ساده است.
بیایید تصویر زیر را از کتاب درسی مدرسه تصور کنیم:
- مواد غیر آلی توسط میکروارگانیسم ها فرآوری می شوند و در نتیجه شرایط مساعدی را در خاک برای رشد و تغذیه گیاهان ایجاد می کنند.
- آنها به نوبه خود منبع ضروری انرژی برای اکثر گیاهخواران هستند.
- زنجیره بعدی این حلقه زندگی شکارچیان هستند که انرژی برای آنهابه ترتیب، همتایان گیاهخوار آنها.
- مردم به عنوان شکارچیان اوج شناخته می شوند، به این معنی که ما می توانیم هم از دنیای گیاهان و هم از دنیای حیوانات انرژی دریافت کنیم.
- و در حال حاضر زندگی خود ما باقی مانده است، همچنین همین گیاهان و حیوانات، به عنوان یک بستر مغذی برای میکروارگانیسم ها عمل می کنند.
بنابراین، یک دایره باطل به دست می آید که به طور مداوم کار می کند و زندگی را برای تمام زندگی روی زمین فراهم می کند. با دانستن این اصول، تصور اینکه قدرت طبیعت و همه موجودات زنده چقدر چندوجهی و در واقع بی حد و حصر است دشوار نیست.
نتیجه گیری
در این مقاله سعی کردیم به این سوال پاسخ دهیم که باکتری های نیتروف کننده در زیست شناسی چیست؟ همانطور که می بینید، با وجود شواهد غیرقابل انکار فعالیت حیاتی، عملکرد و تأثیر این میکروارگانیسم ها، هنوز مسائل بحث برانگیز بسیاری وجود دارد که نیاز به تحقیقات تجربی بیشتری دارد.
باکتری های نیتریفیک کننده به عنوان شیمی تروف طبقه بندی می شوند. مواد معدنی مختلف به عنوان منبع انرژی برای آنها عمل می کند. علیرغم اندازه میکروسکوپی، این موجودات زنده تأثیر زیادی بر جهان اطراف خود دارند.
همانطور که می دانید، شیمیوتروف ها نمی توانند ترکیبات آلی موجود در بستر (خاک یا آب) را جذب کنند. برعکس، آنها مواد ساختمانی را برای ایجاد یک سلول زنده و فعال تولید می کنند.
