Вопрос 9
Денитрификация (диссимиляционная денитирификация) — сумма микробиологических процессов восстановления нитратов до нитритов и далее до газообразных оксидов и молекулярного азота. В результате их азот возвращается в атмосферу и становится недоступным большинству организмов. Осуществляется только прокариотами (причём как бактериям, так и археями) в анаэробных условиях и связана с получением ими энергии.
Особо выделяют ассимиляционную денитрификацию, приводящую к синтезу азотсодержащих клеточных компонентов и свойственную всем растениям, многим грибам и прокариотам, способным расти на средах с нитратами, однако не сопровождающуюся получением энергии этими организмами.
Диссимиляционная дентирификация представляет собой процесс анаэробного дыхания, то есть использования нитратов и продуктов их частичного восстановления вместо кислорода для окисления веществ (у разных микроорганизмов как органических, так и минеральных) в ходе метаболизма с выделением энергии. Поэтому денитрификация — процесс анаэробный и подавляется молекулярным кислородом при Eh более +300 мВ. Энергетическая эффективность процесса при восстановлении нитратов до молекулярного азота составляет около 70 % от аэробного дыхания с использованием кислорода.
Процесс протекает постадийно:
Катализируют реакции нитратредуктаза, NO-образующая нитритредуктаза, редуктаза окиси азота и редуктаза закиси (гемиоксида) азота соответственно.
Проводить процесс полностью и получать энергию имеют возможность лишь прокариоты, причем все они факультативные анаэробы, при наличии кислорода переключающиеся на обычное дыхание. Многие денитрификаторы вместе с тем обладают способностью к азотфиксации (например, Azospirillum lipoferum). Часть бактерий имеет лишь часть ферментов и проводит усечённую денитрификацию.
Хемоденитрификация
В ряде случаев возможно выделение газообразных соединений азота и без участия микроорганизмов:
RNH2 + HNO3 → ROH + H2O + N2 (pH>5)
NH4 + HNO2 → N2 + H2O
3HNO2 + O2 → HNO3 + H2O + 2NO
Хемоденитрификацией объясняется возрастание эмиссии закиси азота из почвы при её нагревании свыше 50°С (при том, что пик биологической денитрификации приходится на 30-35°С, к 45°С приурочен минимум эмиссии закиси азота).
Значение: Денитрификация, протекающая в основном в почве, дает до 70-80 % выбросов N2O (закись азота, парниковый газ) в атмосферу.
Вопрос 10
Микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот, называются диазотрофами. Все они имеют сходный биохимический механизм фиксации молекулярного азота воздуха. В основе его лежит процесс восстановления N2 по уравнению
N2 + 6e- + 6H+ 2NH3
Реакция эта в клетке проходит при участии фермента нитрогеназы, расположенного на внутренних клеточных мембранах. Нитрогеназа - это сложный ферментный ансамбль, выполняющий функцию восстановления молекулярного азота воздуха. Этот процесс требует затраты энергии. Как это обычно осуществляется в живых организмах, энергия для подобных реакций поставляется в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Азотфиксатору дорого обходится восстановление даже одной молекулы N2 . По расчетам, для клеток Rhizobium акт восстановления одной молекулы N2 требует затраты 25-35 молекул АТФ.
Если азотфиксаторы являются анаэробными клетками, то сами условия их жизни обеспечивают нормальное функционирование нитрогеназы. Иное дело - факультативные анаэробы. При избыточном количестве кислорода клетка начинает резко интенсифицировать процессы дыхания, как бы стараясь выбрать весь кислород и обеспечить выполнение ею функций азотфиксации. Процесс этот малопродуктивен и кончается снижением азотфиксации. У многих азотфиксаторов имеются специальные механизмы защиты нитрогеназы. В них принимают участие различные сложные молекулы.
Потребление растениями аммиака, образовавшегося при азотфиксации или восстановлении нитратов почвы, осуществляется ферментами, связанными с биосинтезом так называемых первичных аминокислот, прежде всего глютаминовой, аспарагиновой кислот и их амидов. Одним из активно изучаемых ферментов является, например, глютаминсинтетаза. Этот фермент катализирует реакцию
Глютаминовую кислота + NH3 + АТФ
глютамин + АДФ + Ф.
Фермент этот чрезвычайно сложен, встречается во всех организмах и принимает участие в присоединении аммиака к глютаминовой кислоте с образованием ее амида и последующим использованием его в различных реакциях синтеза азотсодержащих органических соединений. Близким по механизму действия является и аспарагинсинтетаза:
Аспарагиновая кислота + NH3 +АТФ
аспарагин + АДФ + Ф
Синтез аминокислот и амидов происходит с участием и других ферментов: глютаматдегидрогеназы, аспартазы и т.д. В конечном итоге азот в виде аминогрупп вовлекается в серию биосинтетических реакций организма, поддерживая его жизненные функции.