Особливості нітрифікуючих бактерій (нітрифікаторів)

Живі організми за типом харчування поділяються на автотрофи та гетеротрофи. Останні самостійно будують нові елементи з вуглекислоти та інших неорганічних речовин. Нітрифікуючі бактерії є відомою формою життя, що часто використовується в побуті та господарстві. Ці види входять до складу очищувальних пристроїв для акваріумів.

Основна характеристика

Джерела енергії, що підтримують умови життя організмів, визначають їх поділ на фотоавтотрофи та хемоавтотрофи, які залежать від сонячної енергії та мінеральних компонентів. Залежно від окислювача хемоавтотрофа, виділяють водневі та нітрифікуючі бактерії, сіро- та залізобактерії.

Призначення та класифікація

На початку ХІХ століття вчені довели, що нітрифікація належить до біології. Для цього до стічних вод вони додавали хлороформ.

Серед автотрофів, що виробляють складну органіку з простих неорганічних молекул, відомі організми, які використовують енергію. Це водорості, бактерії, що виробляють органічні речовини з вуглекислого газу та води. Присутність автотрофів обумовлена ​​наявністю кисню та невисокою вологістю.

Організми, що приймають енергію від окислення та відновлення (хемоавтотрофи), виявлені серед бактерій. За фізіологічними, біологічними та хімічними властивостями та значенням ці мікроскопічні організми становлять інтерес для окремих сфер сільського господарства.

Під час дослідження завершувався процес окиснення аміаку. Виноградський розділив нітрифікатори на бактерії, що виконують перший етап цього процесу (окислення амонію до азотистої кислоти), і другий - перехід цієї кислоти в азотну. Грамнегативні бактерії відносяться до нітробактерій.

Представники першої фази Nitro:

• Somonas (Сомонас);
• Socystis (Сосайстіс);
• Solobus (Солобус);
• Sospira (Соспіра).

Більш вивчений вид Сомонас, хоча створення реальних культур є складним. Клітини овальної форми розмножуються утворенням дочірніх прокаріотів з материнської клітини. В результаті розвитку мікроорганізмів у рідкому середовищі є рухомі форми з декількома джгутиками та нерухомою зооглеєю.

Нітрососайстіс характеризуються круглою формою розміром до 2 мкм. Деякі представники досягають 10 мкм. Пересуваються завдяки одному джгутику, утворюють зооглеї та цисти. Нітросолобус дорівнює 1-1,5 * 1-2,5 мкм. Клітини діляться на частини, тому зовнішня форма неправильна.

Клітини Nitrosospira паличкоподібні або звивисті, розміром 0,9-1*1,5-2,60 мкм, мають до 5 джгутиків.

Бактерії другої фази Nitro:

• Bacter (Бактер);
• Spina (Спіна);
• Coccus (Кокус).

Згубний вплив органічних речовин на хемоавтотрофні організми відзначено і в дослідженнях вчених. Вони не застосовують екзогенні органічні елементи та називаються облігатними автотрофами. Застосовувати окремі сполуки бактерії можуть з обмеженими можливостями.

Поліпшується ріст Нітробактер за наявності нітриту дріжджового автолізату, піридоксину, глутамату та серину, якщо вони у слабкій концентрації вносяться у середу.

Основна будова нітрифікаторів:

• Сформована система мембран у вигляді стопки у центрі клітини, посередині.
• Чашеподібна структура, що складається з кількох листків.

Клітини Nitrobacter на вигляд нагадують грушу. Розмножуються шляхом брунькування. Інформація про бактерії Нітроспіна та Нітрококус обмежена.

За будовою клітин вивчені бактерії аналогічні до інших грамнегативних мікроорганізмів. У деяких є сформовані системи внутрішніх мембран, що створюють стопку в середині клітини (Нітрососайстіс), розміщуються паралельно до мембрани цитоплазми (Нітросомонас) або формують чашоподібну структуру з шарів (Нітробактер Виноградський). Кисень важливий для окислення амонію в азотну кислоту:

Нітробактер та Нітросомонас відтворюють нітрити з амонієм. Поряд із нітрифікуючими хемотрофами існують гетеротрофи, що мають схожі процеси. До них відносяться гриби з роду Фусамм та бактерії Алкалігенес, Сорінебактеріум, Ахромоба-ктер, Псеудомонас, Арфробактер. Нокардіа окислює амоній зі створенням гідроксиламіну, нітритів та нітратів. У результаті утворюється гидроксамовая кислота.

Азот є важливим елементом, що входить до складу нуклеїнової кислоти та білка. Величини гетеротрофної нітрифікації величезні. Створюються продукти з токсичною, отруйною, канцерогенною, мутагенною дією та з хіміотерапевтичним ефектом. Тому вивчення процесу та з`ясування його значення для гетеротрофних культур приділено велику увагу.

Утворення хімічних сполук для створення енергії є хемосинтезом, завдяки якому ростуть та розвиваються клітини. Хемоавтотрофні типи поширені в природі і спостерігаються у ґрунті та водоймах. Вироблювані ними процеси відбуваються у величезних масштабах і мають найважливіший сенс у кругообіг азоту.

Вчені минулого століття вважали, що продуктивність нітрифікаторів збагачує ґрунт, оскільки вони трансформують амоній у нітрати, які легко всмоктуються рослинами, а також збільшують засвоєння мінералів. Рослини, засвоюючи амонійний азот та іони амонію, краще зберігаються у ґрунті, ніж нітрати. Нітрати, що утворилися, підкислюють довкілля, збіднюють склад грунту за кількістю азоту.

Живлення мікроорганізмів

Бактерії нітрифікатори є автотрофами, оскільки не використовують екзогенні органічні речовини. Основа з дріжджовим аутолізатом, серином та глутаматом у низькій концентрації впливає на зростання бактерій. Це відбувається через нітрит, що знаходиться в живильному середовищі. Окислення ацетату скорочується, але зростає додавання його вуглецю в білок, амінокислоти та інші компоненти.

В результаті проведених досліджень отримано інформацію про те, що бактерії переходять на гетеротрофне харчування.

Середовище проживання та небезпека

Нітрифікуючі бактерії поширені у навколишньому середовищі. Вони присутні в ґрунті, різних субстратах та водоймах. Процес їх функціонування робить істотний внесок у загальний етап руху азоту в природі.

Нітрифікатори живуть у простому мінеральному середовищі, що містить окислюваний субстрат у вигляді амонію, нітритів та вуглекислоти.

У навколишньому світі мікроорганізми обробляють неорганічні речовини та створюють умови для живлення рослин у ґрунті. Джерелом енергії для тварин є флора. Людина харчується рослинами та тваринами. Залишки життєдіяльності флори та фауни є їжею для бактерій. Кругообіг замикається.

Такий мікроорганізм, як нітрососайстіс, виділений з вод Атлантики. Він відноситься до облігатних галофілів і мешкає в солоному середовищі. Рівень pH (реакція водню) для зростання бактерій дорівнює 8,7 а оптимальне значення становить 7,5.

Серед видів Сомонас поширені типи, що мають температурний режим при 26 або близько 40 °C, та штами, що швидко ростуть при 4 °C. Сприятливим кліматом є місце існування (вода) 24-27 градусів. Має бути стійкий доступ кисню та наявність водної рослинності.

Найпростіші бактерії відносять до облігатних аеробів. Для окислення амонію в азотисту кислоту, а азотистої кислоти в азотну їм необхідний кисень. Місце проживання не повинно містити органічних сполук. У дослідженнях підтверджено згубну дію глюкози, гербіцидів, сечовини, пептону, гліцерину та іншої органіки на бактерії.

Деякі штами нітробактерій за наявності органічної складової окислюють амоній, створюючи гідроксиламін, нітрити та нітрати. Внаслідок таких реакцій з`являються гідроксамові кислоти. Бактерії виконують процес нітрифікації різних сполук, до складу яких входить азот.

Обсяги гетеротрофної нітрифікації за особливих обставин можуть бути згубними. Небезпека полягає в тому, що утворюються токсини, мутагени та канцерогени.

Застосування у різних сферах

Використання в різних областях нітрифікуючих бактерій вносить свої переваги та недоліки. Мікроорганізми створюють сприятливі умови для проживання риб в акваріумі, збагачення ґрунту, а також сільськогосподарських процесів.

Біологічний фільтр для акваріуму

Нітробактерії відіграють важливу роль у перетворенні токсичного аміаку на нітрати. Це важливо при запуску нового акваріуму. Ці мікроорганізми становлять невелику частку бактерій та є біофільтром. Вони розмножуються на будь-якій поверхні (наповнювач фільтра, ґрунт або рослини). Якщо водоростей в акваріумі знаходиться велика кількість, тоді акваріум повністю вважається біофільтром. Важливо створити сприятливу обстановку для розмноження корисних бактерій.

Скоротити популяцію бактерій в акваріумі можуть дефіцит кисню, надлишок вуглекислоти, зниження pH та використання дезінфекторів. Нітрифікуючі бактерії рослин позбавляють живлення водоростей. Живі бактерії для акваріума застосовуються під час підготовки резервуару до використання.

Важливість мікроорганізмів велика, адже вони очищають воду від забруднень, біологічних та органічних залишків, відкладень та випорожнень. Тому мікрофлора в резервуарах, де вони мешкають, ідеальна.

Нітрифікуючі бактерії - головні очисники приміщень з рибками і молюсками. Вони активно розмножуються в середовищі, насиченому амонієм, нітритами, азотом та аміаком.

Для запуску акваріума використовуються препарати марки «Сірка», що містять у складі живі нітрифікатори та вулканічний пил – бездоганне середовище для якнайшвидшого розмноження та зростання. Цей субстрат осідає на дно і стає частиною ґрунту. В акваріум заселяються одразу кілька бактерій.

Більшість продукції, що поставляється в спеціалізовані зоомагазини, містить культури гетеротрофних бактерій.

Значення для сільського господарства

З метою підвищення врожайності аграрії застосовують усілякі добрива, що містять нітрифікуючі бактерії.

Грунт є ідеальним субстратом для процесів росту, розмноження рослин та живих організмів, тому важливо підтримувати її правильний вміст та комплексний склад.

Біологічну обробку грунту проводять природні чистильники — бактерії, що нітрифікують. Для них не обов`язковий доступ речовин із зовнішнього середовища - вони можуть виробляти їх автономно. Наприклад, автотрофним зеленим рослинам потрібне сонячне світло, а для нітробактерій байдуже.

Присутні в грунті, перегною або водному середовищі, вони перетворюють аміак, що виділяється в нітрати (сіль азотної кислоти). Кожен етап проводиться за допомогою різних бактерій.

Процес переходу аміаку в нітрати:

• Окислення аміаку до нітриту. Цей процес відбувається не одним типом бактерій, а різними. Одні види мікроорганізмів перетворюють на нітрит, інші — на нітрат. Важливою умовою має бути температура від 4 градусів, вологість та велика кількість кисню.
• Окислення нітриту в нітраті.

Нітрифікатори позитивно впливають на ґрунт, підвищуючи його родючість за рахунок розщеплення амонію. Проте вченими виявлено також негативний вплив. Бактерії підкислюють ґрунт, що не є сприятливим моментом, а також насичують ґрунт іонами амонію. Згодом грунт виснажується за кількістю корисних речовин.

Енергетичним джерелом для хемотрофів є різноманітні мінеральні речовини. Екосистема створюється штучно, але для успішного розвитку запускають встановлені процеси, регулюванням яких займаються мешканці резервуару, наприклад, акваріума.

Незважаючи на крихітні розміри, ці живі організми впливають на навколишній світ. Нітробактерії поширені в ґрунтах, морській та прісній воді, відіграють важливу роль у переробці стічних вод.