Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Денитрифицирующие бактерии




У многих эубактерии конечным акцептором электронов дыхательной цепи, наиболее часто заменяющим молекулярный кислород, служит нитрат. Он может восстанавливаться до нитрита, накапливающегося в среде, или молекулярного азота, удаляющегося в атмосферу. Процесс восстановления нитрата до нитрита в системе энергетического метаболизма, получивший название нитратного дыхания, широко распространен среди эубактерии и обнаружен у представителей более 70 родов.

Гораздо уже круг организмов, способных восстанавливать нитраты или нитриты до N2. H2 этом пути в качестве промежуточных продуктов идентифицированы окись (NO) и закись (N2O) азота:

NO3 → NO2 → NO → N2O → N2.

Как и молекулярный азот, NO и N2O — газообразные продукты.

Процесс восстановления NO3 или N2O до какой-либо из газообразных форм азота получил название денитрификации. К денитрификации способны только прокариоты. Значение процесса — генерирование АТФ в анаэробных условиях, используя для акцептирования электронов, поступающих в дыхательную цепь, восстановление NO3 или NO2 . Наиболее распространенные формы денитрификации — восстановление NO3 или NO2 до N2. Встречаются также штаммы, осуществляющие отдельные этапы процесса: NO3 →N2O, N2O или NO → N2. "Полная" или "усеченная" денитрификация обнаружена у эубактерии, принадлежащих ко всем основным физиологическим группам: фототрофам и хемолитотрофам, грамположительным и грамотрицательным факультативным анаэробам. В наибольшей степени способность к денитрификации распространена у бактерий из родов Bacillus и Pseudomonas.

Свойство восстанавливать нитрат представляется менее необычным, если вспомнить, что бактерии, использующие в качестве источника азота нитраты (а таких много), должны иметь ферментную систему для его восстановления, так как в конструктивном метаболизме азот участвует только в восстановленной форме. Таким образом, восстановление нитрата в системе реакций конструктивного метаболизма, получившее название ассимиляционной нитратредукции (NO3 → NH3), очевидно. Оно имеет место всегда при выращивании на среде с нитратами в качестве единственного источника азота.

Способность к ассимиляционной нитратредукции необязательно облигатно связана со способностью к денитрификации. Например, Pseudomonas aeruginosa обладает обеими метаболическими активностями; у Rhodopseudomonas sphaeroides обнаружена способность к денитрификации, но не к ассимиляции нитрата; наконец, многие эубактерии могут ассимилировать нитрат, но не могут осуществлять денитрификацию. Оба процесса восстановления нитрата различаются по ряду. Информация об ассимиляционной нитратредукции и денитрификации закодирована в разных генах.

Таблица 32. Различия между ассимиляционной нитратредукцией и денитрификацией

Признак Ассимиляционная нитратредукция Денитрификация
Локализация в клетке в цитоплазме в мембранах
Отношение к энергетическому метаболизму не связана с получением клеточной энергии связана с синтезом АТФ
Отношение к O2 нечувствительна к O2 O2 ингибирует активность и репрессирует синтез NO2- и NO3-редуктаз
Отношение к NH3 репрессирует синтез ферментов  
Судьба конечного продукта входит в состав азотсодержащих клеточных компонентов выделяется из клетки

Большинство денитрификаторов — хемоорганотрофы. Использование в качестве конечного акцептора электронов нитратов позволяет им окислять органические субстраты полностью (до CO2 и H2O) по обычным катаболическим путям. Переходящий на переносчики водород поступает в дыхательную цепь.

Изменение свободной энергии при окислении 1 молекулы глюкозы молекулярным кислородом (D G 0' = – 2870 кДж/моль) того же порядка, что и окисление этого же субстрата в анаэробных условиях нитратом, восстанавливающимся до нитрита (D G 0' = — 1770 кДж/моль) или молекулярного азота (D G 0' = — 2700 кДж/моль). Таким образом, энергетические возможности процесса окисления глюкозы с участием нитрата сопоставимы с энергетическими возможностями процесса аэробного дыхания. Запасание клеткой полезной энергии при денитрификации зависит от организации электронного транспорта, свойств и локализации соответствующих редуктаз. Электронтранспортные цепи денитрификаторов в анаэробных условиях содержат все основные типы связанных с мембранами переносчиков: флавопротеины, хиноны (убихинон, менахинон или нафтохинон), цитохромы типа b, c. Цитохромоксидазы в этих условиях не синтезируются.

Полный процесс денитрификации состоит из 4 восстановительных этапов, каждый из которых катализируется специфической мембрансвязанной редуктазой. Нитратредуктазы всех денитрификаторов структурно сходны между собой (содержат Мо-FeS-белки) и катализируют восстановление нитрата до нитрита в соответствии с уравнением:

NO3 + 2 e + 2H+ = NO2 + H2O.

С дыхательной цепью нитратредуктазы сопряжены на уровне цитохрома b.

Нитритредуктазы (1) и, вероятно, редуктазы окиси (2) и закиси (3) азота акцептируют электроны на уровне цитохрома с, осуществляя следующие реакции:

NO2 + e + H+ = NO + OH; (1)

2NO + 2 e + 2H+ = N2O + H2O; (2)

N2O + 2 e + 2H+ = N2 + H2O. (3)

В дыхательной цепи денитрификаторов при переносе электронов на нитрат функционируют 2 генератора DmH+ (вместо 3 при переносе электронов на O2). Процесс восстановления нитрата до нитрита локализован на внутренней стороне ЦПМ. По другим данным, ферментный комплекс имеет трансмембранную ориентацию в результате чего поглощенные из цитоплазмы протоны переносятся на противоположную сторону, где участвуют в нитратредуктазной реакции. В любом из вариантов это приводит к созданию трансмембранного протонного градиента нужного направления. Таким образом, при денитрификации перенос 2 электронов сопряжен с трансмембранным переносом 4 протонов, т. е. энергетический выход составляет примерно 70% сравнительно с аэробным дыханием.

Все денитрифицирующие бактерии — факультативные анаэробы, переключающиеся на денитрификацию только в отсутствие O2, поэтому, вероятно, их приспособление к анаэробным условиям — вторичного происхождения. Способность к денитрификации развилась после сформирования механизмов использования О2 как конечного акцептора электронов. Первым шагом на пути вторичного приспособления к анаэробным условиям явилось развитие нитратного дыхания. Следующий шаг — совершенствование способности использовать нитраты для акцептирования электронов дыхательной цепи — привел к возникновению денитрификации.

Денитрифицирующие бактерии — обитатели пресных и морских водоемов, почв разного типа, в связи с чем денитрификация широко распространена в природе. Этот процесс служит источником атмосферного азота, являясь необходимым звеном в круговороте азота в природе. В то же время денитрификация имеет отрицательное значение, так как приводит к обеднению почв азотом. Потери азотных удобрений в почвах в результате денитрификации могут составлять от 5 до 80%. Один из способов борьбы с денитрификацией — рыхление почвы, создающее в ней аэробные условия, что заставляет денитрифицирующие бактерии перестраивать электронтранспортные системы, осуществляя перенос электронов на O2, а не на нитраты.

Азотфиксация — способность микроорганизмов восстанавливать стабильную молекулу азота до аммиака — служит основным источником биодоступного азота для всех обитателей нашей планеты.

Азотфиксация в природе осуществляется как свободноживущими микроорганизмами (несимбиотйческая азотфиксацин), так и бактериями, существующими в сообществе с растениями (симбиотическая азотфиксация).

Несимбиотическая (свободная)азотфиксация осуществляется бактериями рода Azotobacter, фиксирующими около 20 мг азота на 1 г использованного сахара, аноксигенными фототрофными бактериями, цианобактериями, клостриднями, факультативными анаэробами Bacillus polymixa, Klebsiella pneumoniae, хемолитотрофными бактериями Alcaligenes latus, Xanthobacter autotrophicus, метилотрофными, метаногенными и сульфатредуцирующими бактериями).

Симбиотическая фиксация азота осуществляется бактериями рода Rhizobium (вызывают образование клубеньков у бобовых растений), актиномицетами рода Franckia (симбионты тропических растений), цианобактериями Anabaena azollae, Nostoc punctiforme.

Фермент, необходимый для азотфиксации – нитрогеназа: 2 комплекса Мо и Fe-белок(200кД*4), FeS-белок (80кД*2). Фермент чувствителен к кислороду.

N2 +2е= NH-NH +2е= H2N-NH2 +2е= 2 NH3

Для восстановления 1 молекулы азота необходимы 12АТФ.

Нитрогеназа не является специфичной:

N2 (нитрогеназа)= NH4

+2

С2Н2 +2Н+= С2 H4

Гены, кодирующие нитрогеназу, относятся к генам nif.

Симбиотическая фиксация азота на примере рода Rhizobium.

1. Узнавание бактерией корневого волоска данного растения с помощью рецепторов, к-ые чувствительны к лектинам растения (гликопротеины), Образование комплекса путем специфического взаимодействия.

2. Бактериальная клетка начинает расти тонкой нитью в сторону корневого волоска (инфекционная нить). Растет исключ-но по тетраплоидным клеткам раст., гаплоидные не затрагивает.

3. Выделение ростового стимулятора раст. – раст.клетка увеличивается в размерах, интенсивно делится. В результате обр-ся клубеньки.

4. На разрезе клубенька – особые образования, окруженные мембраной. Одиночные клетки или в группах содержат красный пигмент – леггемоглобин (содержит железо II) – это клетки бактероиды. Леггемоглобин чувствителен к O2 (при воздействии кислорода он разрушается и превращается в желто-зеленый пигмент биливердин). С синтеза леггемоглобина и начинается азотфиксация.

5. [8Н] + N2+2H+ = 2NH4+ + H2 (требуются восстановит.эквиваленты и 12 АТФ).

 

Нитратное дыхание. Микроорганизмы, ведущие диссимиляционную нитратредукцию. Механизмы реакций и ферменты процесса нитратного дыхания. Условия процесса. Энергетические возможности процесса.

Микроорганизмы используют нитрат для двух целей. Во-первых, подобно большинству растений, многие бактерии способны извлекать из него азот для синтеза азотсодержащих клеточных компонентов. Такая ассимиляционная нитратредукция может протекать и в аэробных, и в анаэробных условиях. Во-вторых, возможна также диссимиляционная нитратредукция, или «нитратное дыхание»; при этом нитрат в анаэробных условиях служит конечным акцептором водорода. В обоих случаях нитрат сначала восстанавливается до нитрита с помощью молибденсодержащего фермента нитратредуктазы.

Нитратное дыхание: денитрификация. Денитрифицирующие бактерии (Bacillus licheniformis) обладают способностью восстанавливать нитрат через нитрит до газообразной закиси азота (N20) и азота (N2):

NO3- >NO2->NO->N2O->N2.

10[Н] + 2Н+ + 2N03_ -» N2 + 6Н20

В отсутствие кислорода нитрат, таким образом, служит конечным акцептором водорода.

Способность получать энергию путем использования нитрата как конечного акцептора водорода с образованием молекулярного азота широко распространена у бактерий. Этот процесс денитрификации до сих пор был обнаружен только у факультативных аэробов; по-видимому, среди облигатных анаэробов нет денитрифицирующих форм. Кроме того, бактерии чаще обладают полной дыхательной системой; синтез ферментов, необходимых для денитрификации (мембраносвязанные нитратредуктаза А и нитритредуктаза), индуцируется только в анаэробных условиях. У многих денитрификаторов эта индукция происходит лишь в присутствии нитрата, хотя для некоторых достаточно создания анаэробных условий. Многие денитрификаторы могут расти, используя в качестве акцептора водорода не только нитрат, но и нитрит, а иногда даже закись азота. Из этого следует, что не только нитратредуктаза А, но и диссимиляционная нитритредуктаза связана у них с дыхательной цепью и участвует в выработке энергии.

Поскольку некоторые денитрификаторы используют нитрат исключительно или преимущественно как акцептор водорода, но не могут восстанавливать его до NH4, необходимо добавлять в среду источник азота (пептон или соль аммония).

Особенности регуляции нитратредуцирующей ферментной системы у бактерий: эти ферменты индуцируются нитратом только в анаэробных условиях. молекулярный кислород подавляет (репрессирует) синтез нитрат- и нитритредуктаз. В том случае, если ферменты уже были синтезированы до того, как клетки пришли в соприкосновение с кислородом воздуха, кислород вступает в конкуренцию с нитратом за электроны, поступающие из дыхательной цепи, а также подавляет функцию нитратредуцирующей системы.

Значение денитрификации в природе. Денитрификация - единственный биологический процесс, благодаря которому связанный азот преобразуется в свободный N2. С глобальной точки зрения этот процесс имеет решающее значение для сохранения жизни на земной суше. В нормально аэрируемых почвах и водоемах нитрат представляет собой конечный продукт минерализации. Благодаря своей высокой растворимости в во­де и слабому связыванию почвой нитрат-ионы вымывались бы из почвы и накапливались в морской воде; содержание молекулярного азота в атмосфере стало бы уменьшаться, и процессы роста растений и про­дукции биомассы на суше в конце концов прекратились бы.

Нитратное дыхание: восстановление нитрата до нитрита. Для целого ряда факультативно-анаэробных бактерий (Enterobacter, Escherichia coli и др.) нитрат может служить конечным акцептором водорода в процессе транспорта электронов, поставляющем энергию. Этот вид «нитратного дыхания» отличается от денитрификации тем, что здесь только первая ступень, а именно восстановление нитрата до нитрита с по­мощью нитратредуктазы А, сопряжена с переносом электронов и преобразованием энергии:

При этом нитрит может накапливаться в культуральной жидкости - образования N2 не происходит.

Однако вместо этого нитрит может восстанавливаться до аммиака путем ассимиляционной нитритредукции с последующим выделением NH4 в среду. В таком случае говорят об аммонификации нитрата. Вос­становление нитрита до аммиака не позволяет клетке получать энергию. Речь идет скорее о процессе брожения, в котором нитрит играет роль экзогенного акцептора электронов. Таким образом, восстановле­ние нитрита все же дает известное преимущество: при сбраживании глюкозы часть атомов водорода расходуется на восстановление нитрита, в результате чего образуется больше ацетата.

 

Азотфиксация. Механизм процесса, реакции и ферменты. Нитрогеназа, ее строение и специфичность. Условия азотфиксации. Симбиотические и свободноживущие азотфиксаторы. Роль азотфиксации в сельском хозяйстве.

Азотфиксация — важнейший биологический процесс, играющий большую роль в круговороте азота в природе и обогащающий почву и водоёмы связанным азотом. В атмосфере содержится над 1 га почвы более 70 000 т свободного азота, и только в результате Азотфиксация часть этого азота становится доступной для использования высшими растениями. Свободноживущие азотфиксирующие бактерии связывают несколько десятков килограммов азота на 1 га в год. Сине-зелёные водоросли на рисовых полях фиксируют до 200 кг/га азота в год. Общая прибыль азота (в надземных органах и пожнивных остатках) при культивировании бобовых растений составляет от 57,5 до 335 кг/га в год. Количество азота, внесённого в почву бобовыми растениями за счёт деятельности клубеньковых бактерий, достигает 100 — 250 кг/га за сезон. Естественно, этот процесс имеет большое значение для улучшения почв и повышения урожайности с.-х. культур. С этой целью перед посевом семена бобовых смешивают с препаратами клубеньковых бактерий, делают бобовые предшественниками злаков в севообороте, сеют кукурузу с клевером, вику с овсом и пр.






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных