Процессы нитрификация денитрификация


Нитрификация

Аммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении органических веществ, довольно быстро окисляется в азотистую, а затем азотную кислоту. Этот процесс называется нитрификацией.

До середины XIX в., (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 является микробиологическим процессом.

В 1850—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 хемолитотрофами, очень чувствительными к наличию в среде органических соединений. Их удалось выделить, используя минеральные питательные среды.

С. Н. Виноградским было установлено, что существует две группы нитрификаторов — одна группа осуществляет окисление аммиака до азотистой кислоты — первая фаза нитрификации, а вторая группа — окисление азотистой кислоты в азотную — вторая фаза нитрификации. Бактерии и той и другой групп являются грамотрицательными организмами. Бактерии первой фазы нитрификации представлены четырьмя родами: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus и Nitrosospirila. Единственный микроорганизм, детально изученный до настоящего времени, — Nitrosomonas europaea (имеют овальную, почти кокковидную форму клеток размером 0,6—1,0 X 0,9—2,0 мкм).

В жидкой культуре Nitrosomonas проходят ряд стадий развития. Две основные из них представлены подвижной формой и неподвижными зооглеями. Подвижные обладают жгутиком или пучком жгутиков.

Помимо Nitrosomonas, описаны представители и других родов бактерий, вызывающих первую фазу нитрификации.

Вторая фаза нитрификации вызывается представителями родов Nitrobacter, Nitrospina и Nitrococcus.

Nitrobacter имеют удлиненную, грушевидную форму, более узкий конец часто загнут в виде клювика. Размножение Nitrobacter происходит путем почкования, причем дочерняя клетка бывает обычно подвижна, так как имеет один латерально расположенный жгутик.

Нитрифицирующие бактерии обычно культивируют на простых минеральных средах, содержащих аммиак или нитриты, служащих окисляемыми субстратами, и углекислоту, являющуюся источником углерода. В качестве источников азота эти организмы используют аммиак, гидроксиламин и нитриты. Нитрифицирующие бактерии развиваются при рН 6,0 – 8,6, при оптимуме 7,0—7,5

Нитрификаторы являются облигатными аэробами. С помощью кислорода они окисляют аммиак в азотистую кислоту (первая фаза нитрификации), а затем азотистую кислоту в азотную (вторая фаза нитрификации).

Предполагают, что процесс нитрификации происходит в несколько этапов. Первым продуктом окисления аммиака является гидроксиламин, который затем превращается в гипонитрит, гипонитрит — в окись азота и наконец в нитрит. В дальнейшем нитрит образует комплекс NО2- * Н2О, который далее окисляется до NОз-.

Кроме первой реакции (образования гидроксиламина из аммония), все последующие превращения сопровождаются синтезом макроэргических связей в виде АТФ, необходимых клеткам микроорганизмов для связывания СО2 и других биосинтетических процессов.

Фиксация СO2 нитрификаторами осуществляется через восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина. В результате фиксации углекислоты образуются не только углеводы, но и другие важные для жизнедеятельности бактерий соединения – белки, нуклеиновые кислоты, жиры и т.д.

Денитрификация

В почве совершается ряд процессов, в результате которых окисленные формы азота (нитраты, нитриты) восстанавливаются в окислы азота или молекулярный азот. Это приводит к существенным потерям из почвы ценных для растений соединений. Восстановление нитратов и нитритов до газообразных азотных соединений происходит в результате процессов прямой и косвенной денитрификации. Под прямой денитрификацией подразумевают биологическое восстановление нитратов, а под косвенной — химическое восстановление нитратов. Прямая, или биологическая, денитрификация, в свою очередь, расчленяемся на процессы двух типов — ассимиляторную и диссимиляторную денитрификации. При ассимиляторной денитрификации нитраты восстанавливаются до NH3, который служит источником азота для построения клеточных веществ. К указанной денитрификации способны растения и многие микроорганизмы. В процессах диссимиляторной денитрификации нитраты используются в качестве окислителя органических веществ вместо молекулярного кислорода, что обеспечивает микроорганизмы необходимой энергией. Эти энергетические процессы называются процессами нитратного дыхания.

Способностью диссимиляторной денитрификации обладают только специфические аэробные бактерии. Преобладающими родами денитрификаторов в почве являются Pseudomonas, Paracoccus.

Помимо отмеченных мезофильных микроорганизмов, денитрификацию могут вызывать и термофильные бактерии, развивающиеся при температуре 55—65° С. Это спорообразующие бактерии, относящиеся, к роду Bacillus.

Денитрифицирующие бактерии используют нитраты, в качестве акцептора водорода при отсутствии О2 для окисления органических веществ. При нитратном дыхании органические вещества полностью окисляются до СО2 и Н2О. Таким образом, денитрификаторы растут аэробно без нитратов или анаэробно в их присутствии. Большинство органических субстратов, использующихся в аэробном окислении, может быть потреблено при отсутствии О2, но с нитратами в среде. Существование денитрификаторов в анаэробных условиях обеспечивают не только нитраты, но и нитриты.

В зависимости от вида микроорганизма, осуществляющего диссимиляторную денитрификацию нитратов или нитритов, конечными продуктами этих процессов являются N2, N2O, NO.

Начальный этап восстановления нитратов при диссимиляторной денитрификации катализируется ферментом нитратредуктазой. Образование этого фермента в клетках микроорганизмов происходит под воздействием нитрата только в анаэробных условиях. В присутствии кислорода воздуха синтез нитратредуктазы не происходит.

Восстанавливать нитраты могут некоторые хемолитоавтотрофы.

Денитрификация, осуществляемая микроорганизмами в почве, вызывает потерю минерального азота. Особенно существенную роль может играть этот процесс в переувлажненных почвах, а также в тех случаях, когда минеральные и азотные удобрения вносятся в почву в форме нитратов совместно с навозом или другими органическими удобрениями.




  • Меню

  • Реклама