Нитрифицирующие бактерии

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Поволжская государственная социально-гуманитарная академия»

Реферат

на тему: «Нитрифицирующие бактерии»

                                                                    Выполнила Лутина М. В.

    студентка 3 курса ЕГФ

    отделения химии

     Научный руководитель

               Устинова А. А.

Самара 2010

Процесс нитрификации.

Аммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении органических веществ, довольно быстро окисляется до азотистой, а затем азотной кислоты. Этот процесс получил название нитрификации.

До середины XIX в., точнее, до работ Л. Пастера явление образования нитратов объяснялось как химическая реакция окисления аммиака атмосферным кислородом, причем предполагалось, что почва играет роль химического катализатора. Л. Пастер предположил, что образование нитратов – микробиологический процесс. Первые экспериментальные доказательства этого предположения были получены Т. Шлезингом и А. Мюнцем в 1879 г. Эти исследователи пропускали сточные воды через длинную колонку с песком и CaCO3. При фильтрации аммиак постепенно исчезал и появлялись нитраты. Нагревание колонки или внесение антисептиков прекращало окисление аммиака.

Однако выделить культуры возбудителей нитрификации не удалось ни упомянутым исследователям, ни микробиологам, продолжавшим изучение нитрификации. Лишь в 1890 – 1892 гг. С.Н. Виноградский, применив особую методику, изолировал чистые культуры нитрификаторов. С. Н. Виноградский сделал допущение, что нитрифицирующие бактерии не растут на обычных питательных средах, содержащих органические вещества. Это было вполне правильным и объяснило неудачи его предшественников. Нитрификаторы оказались хемолитоавтотрофами, очень чувствительными к наличию в среде органических соединений. Эти микроорганизмы удалось выделить, используя минеральные питательные среды (Мишустин Е. Н., Емцев В. Т., 1987).

С. Н. Виноградский установил, что существуют две группы нитрификаторов. Одна группа осуществляет окисление аммиака до азотистой кислоты – первая фаза нитрификации (Лукомская К. А., 1987):

2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + 658 кДж

Однако это уравнение дает представление только о конечном результате процесса, который на самом деле значительно сложнее, и идет через образование ряда промежуточных продуктов. Схематический ход этого процесса окисления можно представить следующим циклом (Мишустин Е. Н., Емцев В. Т., 1987):

NH3 → NH2OH → HNO → HN(OH)2 → HNO2.

Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной – вторая фаза нитрификации (Лукомская К. А., 1987):

2HNO2 + O2→ 2HNO3 + 180 кДж

Этапность процесса нитрификации – характерный пример метабиоза, то есть такого рода трофических связей микробов, когда один микроорганизм развивается после другого на продуктах его жизнедеятельности. Аммиак – продукт жизнедеятельности аммонифицирующих бактерий используется Nitrosomonas, а нитриты, образующиеся последними, служат источником жизни для Nitrobacter.

Характеристика нитрифицирующих бактерий.

Бактерии обеих групп относят к семейству Nitrobacteriaceae. Это одноклеточные грамотрицательные бактерии. Среди нитрифицирующих бактерий имеются виды с весьма различающейся морфологией – палочковидные, эллипсоидные, сферические, извитые и дольчатые, плеоморфные. Размеры клеток разных видов Nitrobacteriaceae колеблются от 0,3 до 1 мкм в ширину и от 1 до 6,5 мкм в длину. Имеются подвижные и неподвижные формы с полярным, субполярным и перитрихиальным жгутикованием. Размножаются в основном делением, за исключением Nitrobacter, который размножается почкованием. Почти у всех нитрификаторов имеется хорошо развитая система внутрицитоплазматических мембран, значительно различающихся по форме и расположению в клетках разных видов (Гусев М. В., Минеева Л. А., 1985).

Бактерии первой фазы нитрификации представлены пятью родами: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus и Nitrosovibrio. Наиболее подробно изучен вид Nitrosomonas europaea.

Nitrosomonas представляет собой короткие овальные палочки размером 0,8-1×1-2 мкм. В жидкой культуре Nitrosomonas проходят ряд стадий развития. Две основные из них представлены подвижной формы и неподвижными зооглеями. Подвижная форма обладает субполярным жгутиком или пучком жгутиков (Авраменко И. Ф., 1979).

Вторую фазу нитрификации осуществляют представители родов Nitrobacter, Nitrospira и Nitrococcus. Наибольшее число исследований проведено с Nitrobacter winogradskii, однако описаны и другие виды (Nitrobacter agilis и др.).

Нитрифицирующие бактерии развиваются при pH 6-8,6, оптимум pH составляет 7,5-8. При pH ниже 6 и выше 9,2 эти бактерии не развиваются. Оптимальная температура развития нитрификаторов – 25-30°С. Изучение отношения различных штаммов Nitrosomonas europaea к температуре показало, что некоторые из них имеют оптимум развития при 26°С или около 40°С, а другие могут довольно быстро расти при 4°С (Мишустин Е. Н., Емцев В. Т., 1987).

Характеристика нитрифицирующих бактерий (по Watson, Valois, Waterbury, 1981)[1]

Методика выращивания нитрифицирующих бактерий.

Для накопления нитрифицирующих бактерий используют питательную среду С. Н. Виноградского (г/л дистиллированной воды):

Для первой фазы нитрификации:

(NH4)2SO4……………………………...2.0

K2HPO4………………………………..1.0

MgSO4…………………………………0.5

NaCl……………………………………2.0

FeSO4…………………………………..0.4

CaCO3………………………………….5.0

Для второй фазы нитрификации:

Na2CO3………………………………...1.0

NaNO3…………………………………1.0

K2HPO4………………...………………0.5

MgSO4…………………………………0.5

NaCl……………………………………0.5

FeSO4…………………………………..0.4

              Среду стерилизуют, разливают слоем 1,0-1,5 см в конические колбы, заражают комочком парниковой почвы, колбы закрывают ватными пробками и помещают в термостат (t=25-28°С).

Через 14-20 дней на поверхности жидкости образуется легкая пленка, представляющая собой клетки нитрифицирующих бактерий. При их изучении из накопительной культуры пипеткой или стеклянной палочкой наносят капля жидкости на предметное стекло, покрывают покровным стеклом и микроскопируют.

Наряду с микроскопированием развившихся нитрифицирующих бактерий производят открытие в накопительных культурах продуктов жизнедеятельности этих бактерий.

В колбе со средой для первой фазы проверяют наличие аммиака образование HNO2 по реакции с реактивом цинк-иодкрахмал. В палетку к трем каплям реактива добавляют одну каплю 20% HSO4 и одну каплю исследуемой жидкости. В присутствии HNO2 жидкость окрашивается в темно-синий цвет.

В колбе со средой для второй фазы нитрификации выявляют наличие HNO2, чтобы исключить ее присутствие, а затем проверяют образование HNO3 с дифениламином. Для этого на часовое стекло в белую фарфоровую чашечку помещают несколько капель жидкости из колбы и прибавляют каплю дифениламина, растворенного в серной кислоте. В присутствии нитратов жидкость приобретает синюю окраску (Устинова А. А., Ильина В. Н., Шишова Т. К., 2009).

Роль нитрификации в природе.

Процесс нитрификации – важное звено в круговороте азота в природе.

Накопление нитратов происходит с неодинаковой интенсивностью на разных почвах. Однако этот процесс находится в прямой зависимости от плодородия почвы. Чем богаче почва, тем большее количество азотной кислоты она может накапливать. Существует метод определения доступным растениям азота в почве по показателям ее нитрификационной способности. Следовательно, интенсивность нитрификации можно использовать для характеристики агрономических свойств почвы.

Вместе с тем при нитрификации происходит лишь перевод одного питательного для растений вещества – аммиака в другую форму – азотную кислоту. Нитраты, однако, обладают некоторыми нежелательными свойствами. В то время как ион аммония поглощается почвой, соли азотной кислоты легко вымываются из нее. Кроме того, нитраты могут восстанавливаться в результате денитрификации до N2, что также обедняет азотный запас почвы. Все это существенно снижает коэффициент использования нитратов растениями. В растительном организме соли азотной кислоты при их использовании для синтеза должны быть восстановлены, на что тратится энергия. Аммоний же используется непосредственно (Мишустин Е. Н., Емцев В. Т., 1987).

Тип обмена веществ.

Все нитрифицирующие бактерии – облигатные аэробы. Большинство из них хемолитоавтотрофы, т. е. они образуют органические вещества из неорганических, используя химическую энергию. Присутствие органических веществ в среде, в концентрациях, обычных для гетеротрофов, ингибирует рост нитрифицирующих бактерий.

Список литературы:

1.      Гусев М. В., Минеева Л. А. Микробиология: учебник. – 2-е изд. М.: МГУ, 1985, - 376с.

2.      Лукомская К. А. Микробиология с основами вирусологии: учеб. пособие для студентов пед. институтов по биол. и хим. спец. – М.: Просвещение, 1987, - 192с.

3.      Мишустин Е. Н., Емцев В. Т. Микробиология. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Агропромиздат, 1987. – 368с.

4.      Авраменко И. Ф. Микробиология. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Колос, 1979с.

5.      Устинова А. А., Ильина В. Н., Шишова Т. К. Микробиология: руководство к практическим занятиям. – Самара: Изд-во ПГСГА, 2009. - Изд-е 4-е, испр. и доп.

[1] Гусев М. В., Минеева Л. А., 1985г.