Je nach Art der Ernährung werden alle bekannten Lebewesen in zwei große Typen eingeteilt: Hetero- und Autotrophe. Letztere zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, selbstständig neue Elemente aus Kohlendioxid und anderen anorganischen Stoffen aufzubauen.
Die Energiequellen, die ihre Lebenstätigkeit unterstützen, bestimmen ihre Unterteilung in Photoaphtotrophe (die Quelle ist Licht) und Chemoautotrophe (die Quelle sind Mineralien). Und je nach Namen des von Chemoautorthophyten oxidierten Substrats werden sie in Wasserstoff- und nitrifizierende Bakterien sowie Schwefel- und Eisenbakterien unterteilt.
Dieser Artikel widmet sich der häufigsten Gruppe unter ihnen - den nitrifizierenden Bakterien.
Discovery-Verlauf
Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts bewiesen deutsche Wissenschaftler, dass der Prozess der Nitrifikation biologisch ist. Empirisch zeigten sie, dass die Oxidation von Ammoniak stoppte, wenn Chloroform dem Abwasser zugesetzt wurde. Aber zu erklären, warum dies geschieht, tun sie nichtkönnte.
Dies wurde einige Jahre später von dem russischen Wissenschaftler Vinogradsky durchgeführt. Er identifizierte zwei Gruppen von Bakterien, die nach und nach am Nitrifikationsprozess teilnahmen. So sorgte eine Gruppe für die Oxidation von Ammonium zu salpetriger Säure und die zweite Bakteriengruppe für deren Umwandlung in Salpetersäure. Alle an diesem Prozess beteiligten nitrifizierenden Bakterien sind gramnegativ.
Merkmale des Oxidationsprozesses
Der Prozess der Nitritbildung durch Ammoniumoxidation verläuft in mehreren Stufen, in denen stickstoffh altige Verbindungen mit unterschiedlichem Oxidationsgrad der NH-Gruppe entstehen.
Das erste Produkt der Ammoniumoxidation ist Hydroxylamin. Es entsteht höchstwahrscheinlich durch den Einschluss von molekularem Sauerstoff in die NH4-Gruppe, obwohl dieser Vorgang noch nicht endgültig bewiesen und umstritten ist.
Als nächstes wird Hydroxylamin in Nitrit umgewandelt. Vermutlich erfolgt der Prozess über die Bildung von NOH (Hyponitrit) unter Freisetzung von Lachgas. In diesem Fall betrachten die Wissenschaftler die Bildung von Lachgas nur als Nebenprodukt der Synthese, da Nitrit reduziert wird.
Zusätzlich zur Produktion chemischer Elemente wird bei der Denitrifikation eine große Menge an Energie freigesetzt. Ähnlich wie bei heterotrophen aeroben Organismen ist hier die Synthese von ATP-Molekülen mit Redoxprozessen verbunden, in deren Folge Elektronen auf Sauerstoff übertragen werden.
Wenn Nitrit oxidiert wird, spielt der Prozess des Rücktransports eine wichtige RolleElektronen. Der Einbau seiner Elektronen in die Kette erfolgt direkt in den Cytochromen (C-Typ und / oder A-Typ), und dies erfordert eine ziemlich große Menge an Energie. Chemoautotrophe nitrifizierende Bakterien werden dadurch vollständig mit der notwendigen Energiereserve versorgt, die für die Prozesse des Aufbaus und der Aufnahme von Kohlendioxid verwendet wird.
Arten nitrifizierender Bakterien
Vier Gattungen von Nitrobakterien nehmen an der ersten Phase der Nitrifikation teil:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Im vorgeschlagenen Bild (Foto unter dem Mikroskop) sind übrigens nitrifizierende Bakterien zu sehen.
Experimentell ist es unter ihnen ziemlich schwierig, oft sogar völlig unmöglich, eine der Kulturen herauszugreifen, daher ist ihre Betrachtung überwiegend komplex. Alle aufgeführten Mikroorganismen sind bis zu 2-2,5 Mikrometer groß und haben überwiegend eine ovale oder runde Form (mit Ausnahme von Nitrospira, die die Form eines Stäbchens haben). Sie sind aufgrund von Flagellen zu binärer Sp altung und gerichteter Bewegung fähig.
Die zweite Phase der Nitrifikation findet statt:
- Gattung Nitrobacter;
- Nitrospin-Typ;
- nitrococus.
Der am besten untersuchte Bakterienstamm der Gattung Nitrbacter, benannt nach seinem Entdecker Vinogradsky. Diese nitrifizierenden Bakterien haben birnenförmige Zellen, die sich durch Knospung vermehren, wobei sich eine (durch das Flagellum) bewegliche Tochterzelle bildet.
Struktur von Bakterien
Die untersuchten nitrifizierenden Bakterien haben eine ähnliche Zellstruktur wie andere gramnegative Mikroorganismen. Einige von ihnen haben ein ziemlich entwickeltes System von inneren Membranen, die einen Stapel in der Mitte der Zelle bilden, während sie sich bei anderen eher an der Peripherie befinden oder eine Struktur in Form einer Tasse bilden, die aus mehreren Blättern besteht. Anscheinend sind mit diesen Formationen Enzyme verbunden, die am Prozess der Oxidation bestimmter Substrate durch Nitrifikanten beteiligt sind.
Nitrifizierende Bakterien Lebensmitteltyp
Nitrobakterien sind obligate Autotrophe, da sie keine körperfremden organischen Substanzen verwerten können. Allerdings wurde die Fähigkeit einiger nitrifizierender Bakterienstämme, einige organische Verbindungen zu verwenden, experimentell gezeigt.
Es wurde festgestellt, dass das Substrat, das Hefeautolysate, Serin und Glutamat in geringen Konzentrationen enthielt, das Wachstum von Nitrobakterien stimulierte. Dies geschieht sowohl in Anwesenheit von Nitrit als auch in dessen Abwesenheit im Nährmedium, obwohl der Prozess viel langsamer ist. Umgekehrt wird in Anwesenheit von Nitrit die Oxidation von Acetat unterdrückt, aber der Einbau seines Kohlenstoffs in Proteine, verschiedene Aminosäuren und andere Zellbestandteile nimmt deutlich zu.
Als Ergebnis mehrerer Experimente wurden Daten erh alten, dass nitrifizierende Bakterien immer noch auf heterotrophe Ernährung umstellen können, aber wie produktiv und wie lange sie unter solchen Bedingungen bestehen können, bleibt abzuwarten. Solange die Daten ausreichenwidersprüchlich, endgültige Schlussfolgerungen zu dieser Angelegenheit zu ziehen.
Lebensraum und Bedeutung nitrifizierender Bakterien
Nitrifizierende Bakterien sind chemoautotroph und in der Natur weit verbreitet. Sie sind überall zu finden: im Boden, in verschiedenen Substraten sowie in Gewässern. Der Prozess ihrer lebenswichtigen Aktivität leistet einen großen Beitrag zum gesamten Stickstoffkreislauf in der Natur und kann tatsächlich enorme Ausmaße annehmen.
Zum Beispiel gehört ein aus dem Atlantischen Ozean isolierter Mikroorganismus wie Nitrocystis oceanus zu den obligaten Halophilen. Es kann nur in Meerwasser oder Substraten, die es enth alten, existieren. Für solche Mikroorganismen ist nicht nur der Lebensraum wichtig, sondern auch Konstanten wie pH-Wert und Temperatur.
Alle bekannten nitrifizierenden Bakterien werden als obligate Aerobier eingestuft. Sie benötigen Sauerstoff, um Ammonium zu salpetriger Säure und salpetrige Säure zu Salpetersäure zu oxidieren.
Lebensraumbedingungen
Ein weiterer wichtiger Punkt, den Wissenschaftler festgestellt haben, ist, dass der Ort, an dem nitrifizierende Bakterien leben, keine organischen Stoffe enth alten sollte. Es wurde die Theorie aufgestellt, dass diese Mikroorganismen im Prinzip keine organischen Verbindungen von außen verwerten können. Man hat sie sogar als obligate Autotrophe bezeichnet.
In der Folge wurde die schädliche Wirkung von Glukose, Harnstoff, Pepton, Glycerin und anderen organischen Stoffen auf nitrifizierende Bakterien wiederholt nachgewiesen, aber die Experimente hören nicht auf.
Die Bedeutung nitrifizierender Bakterien fürBoden
Bis vor kurzem glaubte man, dass Nitrifizierer eine positive Wirkung auf den Boden haben, indem sie seine Fruchtbarkeit erhöhen, indem sie Ammonium zu Nitraten abbauen. Letztere werden nicht nur von Pflanzen gut aufgenommen, sondern erhöhen auch von sich aus die Löslichkeit bestimmter Mineralstoffe.
In den letzten Jahren haben sich die wissenschaftlichen Ansichten jedoch geändert. Die negative Wirkung der beschriebenen Mikroorganismen auf die Bodenfruchtbarkeit wurde aufgezeigt. Nitrifizierende Bakterien, die Nitrate bilden, versauern die Umwelt, was nicht immer positiv ist, und bewirken auch eine stärkere Sättigung des Bodens mit Ammoniumionen als Nitrate. Darüber hinaus können Nitrate zu N2 reduziert werden (während der Denitrifikation), was wiederum zu einer Verarmung des Bodens an Stickstoff führt.
Wie gefährlich sind nitrifizierende Bakterien?
Einige Nitrobakterienstämme können in Gegenwart eines organischen Substrats Ammonium oxidieren und dabei Hydroxylamin und anschließend Nitrite und Nitrate bilden. Als Ergebnis solcher Reaktionen können auch Hydroxamsäuren auftreten. Darüber hinaus führen eine Reihe von Bakterien den Prozess der Nitrifikation verschiedener stickstoffh altiger Verbindungen durch (Oxime, Amine, Amide, Hydroxamate und andere Nitroverbindungen).
Das Ausmaß der heterotrophen Nitrifikation kann unter bestimmten Bedingungen nicht nur enorm, sondern auch sehr schädlich sein. Die Gefahr besteht darin, dass bei solchen Umwandlungen toxische Substanzen, Mutagene und Karzinogene entstehen. Daher sind Wissenschaftler engarbeiten daran, dieses Thema zu studieren.
Biologische Filter, die immer zur Hand sind
Nitrifizierende Bakterien sind kein abstraktes Konzept, sondern eine sehr verbreitete Lebensform. Außerdem werden sie oft von Menschen verwendet.
Diese Bakterien sind zum Beispiel Teil der biologischen Filter für Aquarien. Diese Art der Reinigung ist kostengünstiger und nicht so aufwändig wie die mechanische Reinigung, erfordert aber gleichzeitig die Einh altung bestimmter Bedingungen, um das Wachstum und die vitale Aktivität von Nitrifikanten zu gewährleisten.
Das günstigste Mikroklima für sie ist die Umgebungstemperatur (in diesem Fall Wasser) in der Größenordnung von 25-26 Grad Celsius, eine konstante Sauerstoffzufuhr und das Vorhandensein von Wasserpflanzen.
Nitrifizierende Bakterien in der Landwirtschaft
Um die Erträge zu steigern, verwenden Landwirte verschiedene Düngemittel mit nitrifizierenden Bakterien.
Die Ernährung des Bodens erfolgt in diesem Fall durch Nitrobakterien und Azotobakterien. Diese Bakterien entziehen dem Boden und dem Wasser die notwendigen Substanzen, die während des Oxidationsprozesses eine ausreichend große Energiemenge bilden. Dies ist der sogenannte Chemosyntheseprozess, bei dem die erh altene Energie verwendet wird, um aus Kohlendioxid und Wasser komplexe Moleküle organischen Ursprungs zu bilden.
Diese Mikroorganismen benötigen keine Nährstoffe aus ihrer Umgebung - sie können diese selbst herstellen. Also, wenn grüne Pflanzen, die auch Autotrophe sind, brauchenSonnenlicht, dann ist es für nitrifizierende Bakterien nicht notwendig.
Selbstreinigende Erde
Boden ist ein ideales Substrat für das Wachstum und die Vermehrung nicht nur von Pflanzen, sondern auch vieler lebender Organismen. Daher sind sein normaler Zustand und seine ausgewogene Zusammensetzung äußerst wichtig.
Es ist zu bedenken, dass nitrifizierende Bakterien auch für eine biologische Reinigung des Bodens sorgen. Sie befinden sich im Boden, in Reservoirs oder im Humus und wandeln Ammoniak, das von anderen Mikroorganismen und organischen Abfallstoffen freigesetzt wird, in Nitrate um (genauer gesagt in Salpetersäuresalze). Der gesamte Prozess besteht aus zwei Schritten:
- Oxidation von Ammoniak zu Nitrit.
- Oxidation von Nitrit zu Nitrat.
Gleichzeitig wird jede Stufe von verschiedenen Arten von Mikroorganismen bereitgestellt.
Der sogenannte Teufelskreis
Die Zirkulation von Energie und die Aufrechterh altung des Lebens auf der Erde ist möglich durch die Einh altung bestimmter Gesetze der Existenz aller Lebewesen. Auf den ersten Blick ist es schwer zu verstehen, worum es geht, aber eigentlich ist alles ganz einfach.
Stellen wir uns folgendes Bild aus einem Schulbuch vor:
- Anorganische Stoffe werden von Mikroorganismen verarbeitet und schaffen so im Boden günstige Bedingungen für das Wachstum und die Ernährung von Pflanzen.
- Sie wiederum sind für die meisten Pflanzenfresser eine unverzichtbare Energiequelle.
- Die nächste Kette dieses Lebensgliedes sind Raubtiere, deren Energie ist,bzw. ihre pflanzenfressenden Gegenstücke.
- Menschen sind bekanntermaßen Spitzenprädatoren, was bedeutet, dass wir Energie sowohl aus der Pflanzenwelt als auch aus der Tierwelt beziehen können.
- Und schon unsere eigenen Lebensreste sowie eben diese Pflanzen und Tiere dienen als Nährboden für Mikroorganismen.
So entsteht ein Teufelskreis, der ununterbrochen funktioniert und alles Leben auf der Erde belebt. Wenn man diese Prinzipien kennt, kann man sich unschwer vorstellen, wie facettenreich und eigentlich grenzenlos die Kraft der Natur und aller Lebewesen ist.
Schlussfolgerung
In diesem Artikel haben wir versucht, die Frage zu beantworten, was nitrifizierende Bakterien in der Biologie sind. Wie Sie sehen können, gibt es trotz der unwiderlegbaren Beweise für die lebenswichtige Aktivität, Funktionsweise und den Einfluss dieser Mikroorganismen immer noch viele kontroverse Fragen, die weiterer experimenteller Forschung bedürfen.
Nitrifizierende Bakterien werden als Chemotrophe klassifiziert. Verschiedene Mineralien dienen ihnen als Energiequelle. Trotz ihrer mikroskopischen Größe haben diese lebenden Organismen einen enormen Einfluss auf die Welt um sie herum.
Wie Sie wissen, können Chemotrophe keine organischen Verbindungen aufnehmen, die sich im Substrat (Boden oder Wasser) befinden. Im Gegenteil, sie produzieren den Baustoff für die Schaffung einer lebenden und funktionierenden Zelle.
