"Микробиология негіздері" пәнінен лекциялар жинағы

Топырақта түрлі  биологиялық процестер әсерінен пайда болған сутегі құрамында күкірті бар амин қышқылдарын тотықсыздандырады да, көмірсутегін түзеді. Сонымен қатар көмірсутегі және күкіртті қышқылдар тұздарының сутегі ионының тотықсыздандырғыш әрекеті нәтижесінде пайда болады. Мұндай тотықсыздану қабілеті, әсіресе күкірт бактерияларынан байқалады. Олардың негізгі өкілдерінің біріне Spirillum desulfuricans жатады. Ол ұсақ спираль тәрізді таяқша бактерия. Соңғы жылдары жүргізілген зерттеулер күкірт бактерияларының негізінен екі түрлі болатынын анықтады. Оның біріншісі – вибрио, екіншісі – споровибрио. Олар құрамында органикалық қышқылдар спирттер болатын ортада жақсы өніп өседі де, күкірт қышқылының тұздары – сульфаттарды оңай тотықсыздандырады. Бұл процесс ауасыз жерде өте қарқынды жүреді. Мысалы, қант ортадағы көміртегі көзі болса, тотықсыздану реакциясы былайша жүреді.  

C₆H₁₂O₆+[6H⁺+3SO₄²] ® 6CO₂+6H₂O+3H₂S

Осындай микробиологиялық процестің нәтижесінде топырақта енбесе суда пайда болған күкіртсутегі тірі ағзаларды уландырады. Көмірсутегінің біртіндеп жиналуы нәтижесінде мұндай орталарда тіршілік біте–бірте тоқталады. Ағзалар бірқалыпты тіршілік етуі үшін күкірсутегі күкірт қышқылына дейін тотығуы қажет. Сонда ғана күкіртсутегінің улы қасиеті жойылып, өсімдіктерге сіңімді қосылысқа айналады. Бұл процесс табиғатта үздіксіз жүріп жатады. Процестің жүруіне себепші болатын ағзалар – күкірт және тион бактериялары.

Тион бактериялары Tiobacillus туысына жатады. Оны алғаш рет теңіз түбі балшығынан Натансон 1902 және М. Бейеринг 1904 тауып жеке бөліп алған. Бұл бактериялар тиосульфатты, күкіртсутегін, сульфиттерді, тетратионаттарды және тиоционаттарды тотықтыруға қабілетті. Tiobacillus denitrificans ғана нитраттар бар жерде анаэробты жағдайда тіршілік ете алады.

Күкірттің бейорганикалық қосылыстарын тотықтыратын бактериялар пайдалы қазбалардан түрлі металдарды өндіріп алуға қолданылады. Мысалы, Fhiobacillus feroxidans   бактерияларын сульфитке кедей рудалардан күкіртті толығырақ өндіріп алуға қолданылады.  Жіпше күкірт бактериялары бегиоттар қатарына жатады. Оған бегиотта, тиотрикс жатады. Бегиотта бактериялары көмір қышқылдарынан көміртегін бөліп алып сіңіре алады, яғни олар хемоавтотрофтылар болып есептеледі. Ал өздеріне қажетті энергияны сульфиттерді молекула күйіндегі күкіртке дейін тотықтыруды қамтиды.

Тірі ағзалардың тіршілігі үшін темірдің аз мөлшері де жеткілікті. Табиғатта ол органикалық және органикалық емес түрінде де кездеседі. Өсімдіктер топырақтағы темірдің органикалық емес қосылыстарын тек ерітінді күйінде ғана сіңіре алады. Ал осы процесс табиғатта микроорганизмдер көмегімен жүреді. Құрамында темірі бар органикалық заттарды микроорганизмдер қолданады да темір босап шығады. Ал аэробты жағдайда ол темірдің гидрат тотығы күйінде шөгеді.

Батпақта, өзендерде темірі бар жерлерде, көлдерде тіршілік ететін микроорганизмдер табылды. Оларды темір бактериялары деп атайды. Бұлар жіпше (Leptothrix, Crenothrix, Galionella, Metalogenium  және басқа да туыстарға жататын бактериялар).

  Leptothrix map екі валентті темірді үш валентті тотықтырады, одан ол темір сулы тотығына айналады.

4FeCO₃+6H₂O+O₂ = 4Fe(OH)₃+CO₂+29каал.

Фосфор да күірт сияқты ақуыздардың құрамына кіреді. Бірақ фосфор табиғатта көбінесе тау жыныстарының құрамында болады. Фосфор қосылыстарының айналымы аса күрделі емес. Ол негізінен екі процестен тұрады:

1. Органикалық фосфордың минералдық қосылысқа айналуы.
2. Фосфор қышқыл тұздарының ерімейтін күйден ерігіш түрге көшуі.

Органикалық фосфордың минералдануы түрлі ағзалар көмегімен жүреді. Мұнда фосфор қышқылы өзі байланысқан органикалық қосылыстан ажырайды. Бұған мына сызба нұсқа мысал болады:

Нулеопротеид ®  нуклеин ®  нуклеин қышқылы ®  нулеопротеидтер H₃PO₄. 

Пайда болған фосфор қышқылы топырақтағы басқа элеметтермен қосылып өсімдіктерге сіңімсіз, ерімейтін фосфор қосылыстарына, яғни тұздарына айналады. Микроорганизмдер фосфорлы органикалық қосылыстарды ыдыратып, одан фосфор қышқылын бөліп шығара алады. Ол бактерия клеткасында болатын фосфатаза деп аталатын ферметтің көмегімен жүреді. Бұл бактериялар қара топырақты жерлердегі фосфорлы органикалық қосылыстарды өте жақсы ыдыратады.   

Азотты   заттардың  микроорганизмдер  әсерінен  өзгеріске  ұшырауы. Басқа элементтермен қатар азот белок молекуласының негізгі құрам бөлігі болып есептеледі. Табиғаттағы азот қоры өте мол. Оның басым көпшілігі әлемде тіршілік ететін организмдер құрамында болады. Егер осы организмдердегі көміртегінің мөлшері 700 биллион тонна болса , ондағы азоттың  мөлшері  20 – 25 биллион  тоннадан аспайды. Табиғаттағы  жасыл өсімдіктер жылына  20 биллион  тоннадай  көміртегін, 1 – 1,5  биллион  тоннадай  азот  сіңіреді.  

Азоттың   сарқылмас  қорының  бірі – атмосфера.   Ғалымдардың  есебіне  қарағанда,   әрбір  гектар  жердің    бетіндегі  ауада    80000   тоннаға   жуық  молекула  күйіндегі   азот  бар.  Бұл  ауыл   шаруашылық   дақылдарынан   кем  дегенде   бір  миллион  жылдан   астам  уақыт   ішінде   мол  өнім   алуға  мүмкіндік  берген  болар  еді.   Бірақ  өсімдіктердің  азотқа  тапшы  болатыны   әрқашанда  байқалады.   Өйткені  ауадағы  азот   негізінен  молекулалық  азоттан   тұрады  да,    өсімдіктер  оны  сіңіре  алмайды.   Сонымен   қатар  топырақтағы   азоттың  басқада    қосылыстарының  біразын   өсімдіктер   сіңіре  алмайды.   Сондықтан  мұндай  қосылыстар  өзгеріске  ұшырауы,   яғни  ыдырауы  керек.    Азоттың  осындай  органикалық   түрлерінің  минералдық      азотқа   айналуын   азот  қосылыстарының    аммонификациялануы   деп атайды.    Бұл процеске   бактериялар,   актиномицеттер  және   саңырауқұлақтар қатысады.

Азот  айналымының  екінші  кезеңінде   аммонификациялану   нәтижесінде  пайда  болған   аммиак  алдымен  азотты,  кейінен  азот  қышқылына    дейін  тотығады.   Бұл  процесті  нитрификация  деп  атайды.   Нитрификация – ерекше  микроорганизмдер   топтарының   қатысуымен  жүретін  процес.   Нитрификация  барысында    нитраттар  яғни  азот  қышқылының    тұздары  пайда  болады.   Олардың  түзілуі  топырақтың  ауа  режимі     жақсаруына  тікелей  байланысты.     Егер  топырақтың  ауа  режимі  жақсарса,   нитраттардың  жиналуы  ғана  күшейіп  қоймай,   сонымен қатар  азоттық   органикалық   заттардың   минералдануы  да   тездетіледі.

Азотты  заттар   айналымының   үшінші  кезеңінде   топыраққа  жиналған  нитраттар   тотықсызданады.    Оны  денитрификация    деп  атайды.  Бұл   негізінен  топырақтағы   азот  қорының   босқа  ысырап  болуымен   байланысты.   Сондықтан  егін  шаруашылығына   зиянды  деп  есептеледі.

Табиғатта   азот   айналымындағы    төртінші  кезеңде   микроорганизмдердің   әсерінен  ауадағы   атмосфералық   азот   топырақта   жиналады.    Бұған  түйнек  бактериялары,  топырақта  өз  бетінше тіршілік  ете алатын   азотобактер,   клостридиум   пастеурианум    бактериялары  қатысады.   Қолайлы жағдай  туғанда   түйнек  бактериялары   бұршақ  тұқымдас  өсімдіктермен бірлесіп,   селбесіп  тіршілік  ете отырып,   жылына  егістің әр гектарында   100 – ден   400   килограмға  дейін   байланысқан азот  пайда болуына себепші   болады.   Өз  бетінше   тіршілік  ететін   азот  сіңіруші   бактериялар   осындай мерзім  ішінде   1 га  жерден  20 – дан 50  килограмға   дейін азот  жинай  алады.

Белоктардың  аммонификациялануы  (шіру). Белок  заттары  клетка  цитоплазмасының  негізін  құрайды.  Ол  топыраққа  өсімдіктердің,  жануарлармен  микроорганизмдердің   өлекселерімен  келіп  түседі.  Сөйтіп  белокты  заттар  ыдырағанда  одан  аммиак  бөлініп  шығады.  Бұл  процесті  аммонификация  деп  атайтыны  жоғарыда  айтылған.

Табиғат  жағдайында  аммонификация  процесі  көптеген  микроорганизмдер  топтарының  қатысуы  мен  жүреді.  Ыдырау  барысының  алғашқы  кезеңінде  көбінесе  спора  түзбейтін  таяқша  бактериялар  қатысса,  кейінірек  спора  түзетін – бацилла  түрлері  қатысады.

Азот  қосылыстары  мол   органикалық  заттар  ыдырағанда  алдымен  олардан  микроорганизмдер  тіршілігіне  қажетті   энергия  бөлінеді. Аммонификация  аэробты  да  анаэробты  да  жағдайда  жүре  береді.  Аэробты  жағдайда  бұл  процеске  бактериялар,  актиномициттер  және  микроскоптық  саңырауқұлақтар  қатысады.  Бұл  кезде  соңғы  продукт  ретінде,  аммиак,  көмір  қышқыл  газы,  су,  күкірт  сутегі  және  фосфор  қышқылының  тұздары  пайда  болады.  Белоктың  ыдырауын  сөз  еткенде  біз  әдетте  аэробты  және  анаэробты  процестерді  бірге  қарастырамыз. өйткені  қандайда  болмасын  белок  молекуласы  микробтар  ферменттерінің  әсерінен  жай  қосылыстарға  ыдырайды.  Сонда ол  альбумоза,  пептон  және  одан  әрі ақырғы  продукт – амин  қышқылдарына  дейін ыдырап  кетеді.  Ал  амин  қышқылдарының тотығуы нәтижесінде аммиакпен түрлі май қышқылдары  түзіледі.  Анаэробты жағдайда  белоктың  ыдырауы амин  қышқылдарымен  аяқталуы  мүмкін.

Мочевинаның  аммонификациялануы. Мочевина  адам  мен  жануарлар  денесінен  бөлінетін  құрамында  азоты  бар  белоктық  заттардың  туындысы.  Адам  несебінде  оның  мөлшері  2 %,  ал  сиыр  несебінде – 5 % - ке  дейін  барады. Ересек  адам  тәулігіне 30 – дан 50 грамға  дейін мочевина  бөліп шығарады.  Ал  жер шарындағы барлық  адамдарға шаққанда  тәулігіне бөлінетін мочевина  мөлшері 15000  тоннаға жететінін есептеп шығарған.  Зат алмасуы кезінде мочевина  едәуір   мөлшерде   саңырауқұлақтарданда  бөлінеді.

Мочевинаның  құрамында  47 % - тей  азот  болатынын  ескерсек,  ол  азоттың  өте  бай  қоры  деп  қарауымыз  керек.  Бірақ  мочевина  күйіндегі  азотты  жасыл  өсімдіктер  өздігінен  сіңіре  алмайды.  Ол  тек  уробактериялар  көмегімен ыдырап,   сіңірімді күйге айналады.  Бұл бактериялар       коккалар және   сарциналар  туысына жатады.  Таяқша  тәрізділердің ішінен  мочевинаны  өте күшті ыдырататыны – бациллус  проватус.  Ол  бір литр  ерітіндегі  140  грамға  дейінгі мочевинаны  ыдыратады.  Ал  шар тәрізділерден планосардцина уреаны  атап  өтуге болады.  Ол  бір литр  ерітіндідегі  30 грамға  дейінгі мочевинаны  ыдыратады.

Гумустың  аммонификациялануы. Гумус (қара  шірік)  заттары топырақтың  типіне  қарай әр  түрлі мөлшерде  кездеседі.  Шымды – күлгін  топырақтың  гектарында  шамамен 70 – 90  тоннадай,  ал  қара  топырақта ол  90 – нан 300 тоннаға дейін барады.  Егер  гумуста орта  есеппен 5 % - тей азот  бар десек,  шымды – күлгін  топырақта – 15  тоннаға  дейін  жетеді.

Топырақ  гумусының  құрамы  түрліше.  Олардың  құрамындағы  әр  түрлі  заттар  микроорганизмдердің  әсерінен  түрліше  жылдамдықпен  ыдырайтыны  тәжірибеде  анықталған.  Гумус  өте  баяу  ыдырайды.  Түрлі  зерттеулер,  қалыпты  климант  жағдайында  бір  жылда  топырақ  гумусының  жалпы  қорының  1 – ден  3 % - ке  дейінгі  мөлшерінің   ыдырайтынын  көрсетті.

Гумус  көбінесе  шөп  басқан  жерлерде,  микробтардың  тіршілік  әрекетінің  нәтижесінде  пайда  болады.  Зерттеулерге  қарағанда,  бұл  процеске  көбінесе  бактериялар  қатысады.Топыраққа  ауа  көп  енгенде  гумус  жақсы  ыдырайды.  Бұл  процеске  негізінен  актиномициттер  қатысады.

Нитрификация  процесі. Аммонификация  барысында  пайда  болатын  аммиак  топырақ  бактерияларының  әсерінен  азот  қышқылына  дейін  тотығады.  Бұл  құбылысты  нитрификация  процесі  деп,  оны  жүзеге  асыратын  микроорганизмдерді – нитрификаторлар  деп  атайды.  Аммиактың  азот  қышқылына  айналуы  екі  сатыда  жүреді.  Бірінші  сатысында  азотты  қышқыл  (HNO₂)  пайда болады,  ал  екінші  сатысында ол  азот  қышқылына (HNO₃)  дейін тотығады.  Бұл процеске  себепші болатын бактерияларды ең  алғаш рет С.Н. Виноградский  1890  жылы  анықтап берді.  Олар  негізінен төрт  туысқа  жатады:  нитрозомонас,  нитрозоцистис,  нитрозоспира  және  нитробактер.

Нитрозомонас  туысындағы  бактериялар  пішіні  сопақша,  мөлшері  1,5  микрондай,  спора  түзбейтін,  қозғалғыш  топырақта  кең  таралған  организмдер.

Нитрозоцистис  туысына  жататындардың  пішіні  шар  тәрізді.  Бірнеше  клеткалары  бір  жерге  шоғырланып,сыртын  шырыш  қабаттары – капсуласы қаптап  тұрады.

Нитрозоспира  туысы  – спираль  тәрізді  бактериялардан  тұрады.  Дене  ұзындығы  кейде  20  микронға  дейін  жетеді.  Бұлар  көбінесе  өңделмеген  топырақтарда  кездеседі.

           Нитробактер  туысына  өте   ұсақ,  ұзындығы 1 микрондай  таяқша  бактериялар  жатады.  Спора   түзбейді.  Олар  анаэробты   жағдайда  жақсы  өсіп  дамиды.  Осы  бактериялардың  қатысуымен   нитрификация  процесінің  екінші  сатысы,  яғни  азотты  қышқыл  азот  қышқылына  айналу  процесі  жүреді.  Оны  төменде  келтірілген  химиялық  теңдеу  арқылы  көрсетуге  болады.

а) 2NH₃   +   3O₂  =  2HNO₂  +   2H₂O

б) 2HNO₂  +  O₂  =  2HNO₃

бұл  процесс  жүру  үшін  оттегі  керек  екендігі  көрініп  тұр.  Топырақ  реакциясы  (рН)  5,0 – 8,5  болғанда  нитрификацияға  өте  қолайлы  жағдай  туады.  Шымды – күлгін  топырақтарда  бұл  көрсеткіш  төмен  болғандықтан  нитрификациялаушы  бактериялардың  тіршілігі  де  баяу  жүреді.

Нитрификациялаушы  бактериялар  органикалық  заттарды  қажет  етпейді.  Көміртегін  олар  ауадағы  көмір  қышқыл  газынан  алады.  Бұл  бактериялар  кейде  тастарда  тіршілік  етеді  де   оларды  өздерінен  бөлетін  азот  қышқылымен  бүлдіреді.

Нитрификатор  бактериялар  – аэробты  организмдер.  Сондықтан  топырақтың  ауа  режимін  жақсартуға  бағытталған  шаралар  бұл  бактериялардың  тіршілігін  күшейтіп,  топырақта  азоттың  минералды  қосылыстарының  жиналуына  көмектеседі.

Топырақта  нитрификация  процесі  қарқынды  жүргенде  ондағы  фосфор  қосылысының  сіңімді  түрі  артады.

Денитрификация  процесі  бактериялардың  анаэробты  жағдайда  тіршілік  етуін  қамтамасыз  ете  алады.  Ол  мына  төмендегі  теңдеу  бойынша  жүреді:

KNO₃  →  KNO₂ →  KNO  +  N₂

азот            азотты             азоттылау

қышқыл      қышқыл            қышқыл

калий            калий                калий

Денитрификация  құбылысы  топырақта  көбінесе  оттегі  жетімсіз  болғанда  және  азот  қышқылы  тұздары – нитраттар  жеткілікті  болғанда  жүреді.  Бактериялар  қалыпты  тіршілік  ету  үшін  топырақтың  реакциясы  (рН)  5,0 – 9,0  болуы  керек.