Microbiology

При аэробном или анаэробном разложении азотсодержащих органиче ских веществ происходит выделение азота в форме аммиака. Давний опыт учит, что при компостировании навоза образуется селитра. Сели­тряные выцветы, появляющиеся на каменной облицовке навозных ям, в средние века использовали для приготовления пороха. Согласно старым руководствам, на селитряных заводах из смеси земли, известня ка и азотсодержащих органических веществ закладывали специальные гряды. Эти гряды поливали мочой и кровью, следя за тем, чтобы они хорошо аэрировались. Аммиак, освобождавшийся при микробном раз­ложении органического материала, диффундировал в верхний земляной покров и окислялся там под воздействием кислорода воздуха до нитра та. Этот покрывающий верхний слой земли служил исходным материа лом для получения селитры; его вымачивали в воде, а полученный рас твор затем выпаривали.

Превращение аммиака (аммония) в нитрат - нитрификация -как в по чве, так и в воде осуществляется нитрифицирующими бактериями. Од нако нет такой бактерии, которая бы прямо превращала аммиак в ни­трат. В его окислении всегда участвуют две группы бактерий: одни окисляют аммиак, образуя нитрит, а другие окисляют нитрит в нитрат.

Наиболее известные виды нитрифицирующих бактерий-это Nitrosomonas europaea и Nitrobacterwinogradskyi (табл. 11.1). Прове денные недавно исследования показали, что важнейшими нитрификато-рами в почвах сельскохозяйственных угодий являются виды рода Nitrosolobus, а не Nitrosomonas, как считалось ранее. Обе группы родов строго специализированы в отношении приведенных в табл. 11.1 реак­ций. Бактерии, окисляющие аммиак, поставляют субстрат для бактерий, окисляющих нитрит. Поскольку высокие концентрации аммиака в ще- лочных почвах оказывают на Nitrobacter токсическое действие, Nitrosomonas, используя аммиак и образуя кислоту (т. е. переводя катион в анион), тем самым улучшает и условия существования для Nitrobacter.

Нитрификаторы - это грам-отрицательные бактерии, принадлежащие к семейству Nitrobacteraceae. УNitrosomonas europaea клетки овальные с полярно расположенными жгутиками. В морях за окисление аммиака ответствен, по-видимому, Nitrosococcus oceanus. Нитрифици рующие бактерии можно выращивать на чисто минеральных средах, од нако в таких условиях они растут медленно (время генерации 10-20 ч). До последнего времени нитрификаторов считали облигатными хемоли-тоавтотрофами, поскольку они не используют добавляемые к пита тельным средам органические субстраты. Однако сейчас на этот счет высказывается все больше сомнений, и вопрос детально изучается. Оказалось, например, что Nitrobacterwinogradskyi способен исполь зовать добавленный к минеральной среде ацетат для синтеза некоторых веществ клетки (белков, поли-р-гидроксимасляной кислоты).

Этапы окисления аммиака. При окислении, по-видимому, образуется ряд промежуточных продуктов:

NH₃  -►  NH₂OH   ->  [NOH]  ->  NO2   -  NO3

Первый этап окисления является эндергонической "реакцией, которую катализирует монооксигеназа. Атом кислорода в NH₂OH доставляется молекулярным кислородом. Второй этап идет при участии гидроксила-мин-оксидоредуктазы. При окислении нитрита электроны переносятся на цитохром Oj. Только стадии окисления гидроксиламина в нитрит и нитрита в нитрат являются энергетически полезными.

Роль процессов нитрификации в почве. В хорошо аэрируемой почве ионы NH^", освобождающиеся при минерализации азотсодержащих ве ществ, подвергаются быстрому окислению. Перевод катиона в анион ведет к подкислению почвы и тем самым к повышению растворимости минералов (солей калия, магния, кальция и фосфорной кислоты). Поэто му в нитрифицирующих микроорганизмах видели ранее важный фактор плодородия почв. Однако теперь эти представления изменились. Выяс нилось, что ионы аммония задерживаются в почве гораздо лучше ни трата, особенно если они адсорбируются на глинистых минералах и бо лее или менее прочно связываются с частицами гумуса; нитрат же легко вымывается. В связи с этим появилась тенденция к ограничению нитри фикации в почвах сельскохозяйственных угодий. Ведутся поиски ве ществ, способных специфически подавлять рост нитрифицирующих бак терий и служить своего рода «стабилизаторами» почвенного азота [к таким веществам относится, например, 2-хлор-6-(трихлорметил)-пири-дин].

Следует учесть, что рост и метаболизм автотрофных нитрифицирую щих бактерий протекает оптимально лишь в области рН от 7 до 8. Диа пазон рН, в котором происходит полная нитрификация от аммиака до нитрата, очень узок, поскольку и свободный аммиак (при высоких значениях рН), и азотная кислота (при низких значениях рН) оказывают токсическое действие на Nitrobacter. Известно, что концентрации сво­бодного NH₃ и свободной HN0₂ зависят от рН среды.

Нитрифицирующие бактерии косвенно участвуют в разрушении раз ного рода сооружений, для которых строительным материалом служат известь и цемент (т. е. различных зданий, автострад и т. п.). Это связано с тем, что нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, присутствую щий в атмосфере или выделяющийся из фекалий животных, до азотной кислоты.

Гетеротрофная нитрификация. Пока не установлено точно, действи тельно ли автотрофные нитрификаторы занимают монопольное поло жение в природе или же превращение аммиака в нитрат происходит также при участии гетеротрофных бактерий и грибов. В чистой культу ре лишь некоторые штаммы Arthrobacter способны к образованию ни трита из азотсодержащих веществ. Некоторые грибы обладают способ ностью окислять аминный азот или аммиак до нитрата. Однако гетеротрофный процесс в отличие от автотрофной нитрификации не связан с ростом клеток и продукцией биомассы. Речь при этом идет, ве роятно, о какого-то рода соокислении аммиака и органических субстра тов. Кроме того, скорость нитрификации у гетеротрофных бактерий в 10³-10⁴ раз меньше, чем у автотрофных. Поэтому нельзя считать, что гетеротрофные нитрификаторы серьезно «подрывают» монопольное по ложение автотрофных нитрифицирующих организмов. Однако даже не значительная нитрификация, осуществляемая гетеротрофами, позволяет объяснить, например, тот факт, что и на кислых почвах (чайные планта ции, хвойные леса), где у автотрофных нитрифицирующих микроорга низмов нет шансов выжить, все же происходит образование нитрата.

Обратный транспорт электронов и урожай клеток. Автотрофные бак терии, окисляющие аммиак, нитрит, соединения серы или железо, находятся в энергетическом отношении в крайне невыгодных условиях. Их субстраты обладают сильно положительным окислительно-восста новительным потенциалом. Нормальные потенциалы £₀' составляют для NH+/NH₂OH + 899 мВ, для NOj/NOj + 420 мВ, для N02~/NH₂OH + 66 мВ, для Fe^3 + /Fe²⁺ + 770 мВ, в то время как для пары NAD/NADH₂ окислительно-восстановительный потенциал равен - 320 мВ. Окисление названных выше неорганических субстратов не может быть прямо связано с восстановлением NAD. Однако NADH₂ необходим для восстановления С0₂ в рибулозобисфосфатном цикле. Судя по некоторым экспериментальным данным, электроны, освобо ждающиеся при окислении упомянутых неорганических субстратов, по ступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с или цитохрома а. Поскольку фосфорилирование при этом может происходить лишь на одном-единственном этапе окисления, выигрыш в энергии соответствен но невелик. Часть этой энергии затрачивается на то, чтобы «оттеснить» электроны, поступающие на участок цитохромов, по дыхательной цепи назад, на уровень пиридиннуклеотидов, и восстановить последние. Таким образом, обратный перенос электронов является для перечисленных выше бактерий обязательным механизмом, необходимым для получения восстановительных эквивалентов, используемых затем в про­цессах синтеза.

Низкий выход клеток у бактерий, окисляющих упомянутые выше не органические субстраты, обусловлен тем, что они получают таким спо собом мало энергии. Для синтеза одного грамма сухой клеточной массы им приходится использовать гораздо большие количества различных веществ, чем другим организмам (табл. 11.2). Кроме того, большинство названных бактерий катализирует так называемое «холостое окисление», т.е. окисление субстратов без одновременного синтеза клеточного вещества. Не удивительно поэтому, что различные превращения в почве и воде осуществляются сравнительно малым количеством бактерий.