Аммонификация

Аммонификация--разложение органических азотсодержащих соединений. Способность к аммонификации присуща бактериям, грибам актиномицетам. Разложение белков осуществляют Promeus vulgaris, Pseudomonas aeruginosa, P.fluorescens, Clostridium tetani, C.putrificum и другие, а также грибы. Разложение простых белков происходит при участии экстрацеллюлярных и внутриклеточных ферментов. Большие молекулы белков не могут проходить внутрь клетки и гидролизуются протеолитическими экзоферментами, которые гидролизуют пептидные связи с образованием небольших пептидов, которые могут проникать в клетки. В клетке расщепление идет до аминокислот. Разложение аминокислот может идти несколькими путями: дезаминированием, окислительным дезаминированием

RCHNH₂COOH +0,5O₂→ RCOCOOH +NH₃;

восстановительным дезаминированием

RCHNH₂COOH+2H+→ RCH₂COOH+NH₃.

Конечным продуктом аэробного разложения являются CO₂, H₂O, NH₃, сульфаты. При анаэробном разложении белков образуются CO₂, H₂O, H₂ S, жирные кислоты, меркаптаны, индол. Деструкция сложных белков ведет к отсоединению простетической группы, а дальше все идет вышеуказанными путями.

Нуклеиновые кислоты разлагаются дезоксирибонуклеазой и рибонуклеазой. Под действием нуклеозидаз они разлагаются до остатка фосфорной кислоты, углеводов, пуриновых и пиримидиновых оснований.

Углеводы разлагаются до CO₂ и H₂O. Азотистые основания разлагаются до мочевины и аминокислоты, а дальше до аммиака и органических кислот. Мочевина разлагается уреазой микроорганизмов до (NH₄)₂СО_3. Это соединенинение неустойчиво и разлагается до аммиака, углекислого газа и воды.

СО(NH₂)₂ + H₂O→(NH₄)₂CO₃

(NH₄)₂CO₃ → 2NH₃ + CO₂ + H₂O

Мочевина используется микроорганизмами как источник азота.

Уреазу синтезируют разные бактерии и грибы, в частности Mickococcus urea ,Bacillus pasteurii, Sporosarcina ureal. Деструкция хитина в почве происходит постоянно. Хитин – линейный полимер, состоящий из остатков N ацетил – β-глюкозамину с 1 → 4 связями. Хитина.

Нитрификация.

Нитрификацией называется окисление аммиака до азотистой и азотной кислот. Автотрофная нитрификация была открыта Виноградским С.М.

Современные знания свидетельствуют о двух стадиях этого процесса

2NH₃ + 3O₂→2HNO₂ + 2H₂O

+ 0,5O₂ →

Первая фаза окисления аммония до нитрата имеет такой высокий перепад потенциала, что не может быть выполнена никаким физиологическим переносчиком электронов. Поэтому рассматриваются гипотезы промежуточных продуктов, которые могли бы восстановить цитохромы. Возможно таким продуктом может быть гидроксиламин (NH₄0H)

Окисление происходит при участии гидроксиламиноксидоредуктазы, которая относится к гемопротеинам. В реакции берет участие ЕТЦ с цитохромами а и с. Энергия этой реакции используется в хемосинтезе для фиксации СО_.2. Первую фазу нитрификации осуществляют одноклеточные бактерии, которые относятся к классу Protcobacteria, роды Nitrosomonas овальные клетки 0,6 – 1,0 + 2мкм. Имеют ламелярные внутриклеточные мембраны. Молодые клетки подвижные. В состоянии культуры клетки объединяются в зооглен

Nitrosococcus – клетки правильной округлой формы диаметром 1,5 – 2,2мкм. Отдельные клетки, пары или тетрады. Имеют внутриклеточные пакеты из 16 двойных мембран, которые образуют тилакоиды, которые располагаются по диаметру клетки. Молодые клетки имеют от 1 до 16 жгутиков. В неблагоприятных условиях образуют зооглен.

Nitrosospira (N. briensis) – имеют форму плотно скрученной спирали размером 0,4*1мкм. Молодые клетки двигаются с помощью жгутиков. Nitrosolobus (multiformis) клетки разделены на отсеки инвагинациями. В каждом отсеке есть нити ДНК.

Nitrosovibrio tenuis имеет форму палочки 1*3 мкм. Внутри много инвагинаций мембраны.

Другая фаза нитрификации состоит в окислении нитрита до нитрата. Реакцию катализирует мембранно-связанная нитритоксидоредуктаза. В состав которой входит Мо и Fe – S крастези.

Энергия окисления используется для хемотрофного связывания CO₂ через цикл Калвина.

Вторая фаза нитрификации осуществляется грамотрицательными бактериями.

Nitrobacter (N.wingabsky) клетки в виде удлиненных палочек один конец загнут, а противоположный утолщен размеры 0,5*2 мкм. Неблагоприятных условиях образуют группами слизистые капсулы.

Nitrospira (N.grasilis) палочки 0,4*2,6 мкм, неподвижные, имеют везикулярные мембраны или инвагинации плазмалеммы.

Nitrospira (N.marina) спиральные клетки 0,4*1,8 мкм. Жгутиков нет. Внутриклеточные мембраны не опеделены.

Nitrococcus (N.mobilis) клетки диаметром 1,8 мкм имеют полярные жгутики, внутриклеточные мембраны трубчатые гетеротрофная нитрификация состоит в окислении NH с образованием промежуточного продукта гидроксиамина, гидроксамовых кислот, нитритов, конечным продуктом являются нитраты.

Гетеротрофная нитрификация состоит в окислении аммонийного и аммиачного азота с образованием промежуточных продуктов гидроксиламина, гидроксамовых кислот, нитритов, конечным продуктом является нитрат. Биологический смысл гетеротрофной нитрификации заключается в том, чтобы «сбрасывать» электроны при окислении органических соединений. При этом функции окисления могут выполнять оксидоредуктазы. По Курсанову гетеротрофной нитрификации играют важную роль грибы, представители родов Aspergillius, Chrysosporum, Cladosporum, Fusarium, Penicillium. В связи с тем, что у гетеротрофов нитрификация не связана с энергнтическим метаболизмом их нитрификационная способность считается эволюционно более примитивной.

Соотношение авто – и гетеротрофной нитрификации зависит от типа биоценоза. В почвах природных экосистем преобладает гетеротрофная нитрификация, которую осуществляют грибы. В окультуренных почвах, наоборот, на долю автотрофных нитрификаторов приходится 85 – 99%. При гетеротрофной нитрификации микроорганизмы могут окислять также нитросоединения, которые входят в состав пестицидов, при этом образуются гидроксиламины, которые можно рассматривать как физиологически активные вещества.

Денитрификация.

Денитрификация состоит в восстановлении нитратов и нитритов до окиси и закиси азота или до молекулярного азота. Денитрификация может осуществляться микроорганизмами – этот путь – прямая денитрификация. Химическое восстановление называют непрямой денитрификацией.

Прямую денитрификацию подразделяют на ассимиляторную и диссимиляторную. Асимтяторная денитрификация приводит дк образованию аммиака, который служит источником азота для строительства микробных и растительных клеток.

У диссимиляторной денитрификации нитраты служат как терминальные акцепторы водорода (в условиях отсутствия кислорода) для окисления органических соединений. Такой процесс називают "нитратным дыханием", он осуществляется с использованием ЭТЦ и сопровождается выделением энергии, необходимой для жизнедеятельности микроорганизмов: 5 Н₂ +2 N0₃^-+ 2 Н⁺ — б H₂0+N₂ G=-958,8 кДж/моль.

Восстановление нитратов происходит в такой последовательности:

N0₃^{- ___} N0₂^{- ____} NO^-— N₂0— N₂.

Реакция восстановления нитратов до нитритов катализируется нитратредуктазой, а дальнейшее восстановление - нитритредуктазой.

Дисимтяторная денитрификация осуществляется анаеробными i факультативно анаеробными хемоорганотрофными и хемолитоаотрофными бактериями, а также некоторыми грибами. На ранних этапах сукцессии преобладают факультативно анаеробные хемоорганотрофные бактерии родов Escherichia, Klebsiella, Proteus, которые осуществляют восстановление N0₃^- до N₂O. На поздних стадиях преобладают спорообразующие бациллы Bacillus, Paenibacillus, Clostridium. Концевим продуктом анаэробного восстановления нитратов является мо­лекулярный азот, при этом органические соединения также окисляютс до С0₂ i Н₂0.

Диссимиляторное восстановление нитратов, образование N₂0 могут не только прокариоты, но также и грибы (Fusarium oxsporum) у которых Cu-содержащий белок, восстанввливает N0₃ до N0.

Способность к образованию N₂0 проявляют факультативно анаэробные микромщеты Chetomium globosum, Fusarium oxysporum, F. solani. Конечным продуктом восстановления нитратов грибами является N₂0. Дальше у них восстановление не идет.

К денитрификации способны бактерии родов Eschorichia, Klebsiclla, Proteus, ни осуществляют восстановление NO до N₂O. Далее спорообразующие бациллы Bacillus, Paenibacillus, Clostridium восстанавливают N₂O до N₂.

µ_j = µ_j^* + RT ln a_j + z_j FE,

где µ_j^* - электрохимический потенциал иона j в стандартных условиях, a_j – активность иона, z_j - его заряд, F – число Фарадея, E – электрический потенциал системы, содержащей данный ион (величина E не является характеристикой иона, а зависит от общего электролитного состава данного участка системы), R – газовая постоянная, T – абсолютная температура. Электрохимический потенциал имеет размерность энергии на единицу количества вещества и обычно выражается в Дж/моль.

Активность вещества a_j связана с его концентрацией c_j через коэффициент активности y_j:

a_j = y_j c_j.

Коэффициент активности можно рассматривать как поправочный коэффициент, оценивающий отклонения свойств вещества от его идеального поведения в растворе, поскольку термодинамическая активность иона обычно меньше его концентрации. Для идеальных растворов y_j = 1, и активность вещества равна его концентрации (такая ситуация может наблюдаться в случае очень разбавленных водных растворов).

В клетках живых организмов активность ионов обычно выше, чем в наружном растворе, поэтому составляющая RT ln a_j, описывающая вклад активности в электрохимический потенциал, является движущей силой, например, для ионов К⁺ в сторону внешней среды.

Электрический потенциал системы E в некоторой ее точке используется для описания относительного количества электрической энергии, которой обладает заряженное вещество в этой точке. Электрический потенциал соответствует энергии, необходимой для переноса положительного заряда из этой точки в область нулевого потенциала. Если выразить заряд в кулонах (Кл), а потенциал в вольтах (В), то количество работы (Дж) по переносу иона равно произведению его заряда на разность электрических потенциалов (конечный потенциал минус начальный).

Переносимый ионом j заряд z_j выражается положительным или отрицательным целым числом, которое обозначает число элементарных электрических зарядов, присущих одному иону. Например, z_j равен +1 для катиона К⁺ и -2 для сульфат-иона (SO₄^2-).

Цитоплазма живых клеток заряжена отрицательно по отношению к наружной среде, т.е. существует разность электрических потенциалов, которая может служить движущей силой ионного транспорта. При этом облегчается поступление катионов (в том числе и калия) внутрь клетки и выход из нее анионов.