4. Разложение мочевины

Мочеви́на (карбамид) — химическое соединение, диамид угольной кислоты СО(NH[2])[2].

Животными и человеком ежесуточно выделяется в окружающую среду более 150 тыс. т, а в год более 20 млн т мочевинного азота, или 50 млн т мочевины. В моче содержится 47% азота, поэтому она считается одним из концентрированных азотистых удобрений. Мочевина непригодна для азотистого питания растений, и только после разложения ее уробактериями она становится усвояемой.

Уробактерии (ureae - моча) были открыты в 1862 г. Л. Пастером. Среди них встречаются как палочковидные, так и шаровидные формы микробов. Они образуют фермент уреазу. Наиболее энергичные возбудители разложения мочевины - Вас. probatus и Вас. pasteuri, у которых жгутики расположены по всей поверхности тела. Такие микробы разлагают в 1 л раствора до 140 г мочевины. Из шаровидных микробов наиболее энергичное действие на мочевину оказывает Sporosarcina ureae. В 1 л раствора она разлагает до 30 г мочевины. Характерный признак этой сарцины - наличие у нее жгутиков.

Уробактерии аэробы и хорошо развиваются только в резкощелочной среде. В качестве азота они используют аммиачные соли или свободный аммиак, образующийся при гидролизе мочевины. Углерод из мочевины уробактерии использовать не могут, так как он находится в сильно окисленной форме и при гидролизе не выделяется в виде углерода диоксида. Углерод уробактерии используют из различных органических соединений (соли лимонной, янтарной, яблочной, уксусной и других кислот, а также моносахариды, сахариды и крахмал).

Разложение мочевины происходит под влиянием уреазы уробактерий, мочевина при этом превращается в аммиак и углекислоту.

На богатых гумусом почвах это превращение происходит за 2-3 дня, на песчаных и болотистых несколько медленнее.

5. Нитрификация

Нитрификация — микробиологический процесс  окисления  аммиака  до  азотистой кислоты или её самой далее до азотной кислоты.

Окисление аммония до нитрата происходит в два этапа. Вначале нитрозобактерии окисляют аммоний до нитрита, после чего нитробактерии окисляют нитрит до нитрата.

 В первой фазе аммиак окисляется до азотистой кислоты по схеме:

NH3   →   NH4OH  →  NH2OH   →  HNO   → HNO2 +274,9 кДж.

1. NH₃ + O₂ + НАДН₂ → NH₂OH + H₂O + НАД⁺

2. NH₂OH + H₂O → HNO₂ + 4H⁺ + 4e⁻

Предполагается, что на первом этапе субстратом является именно аммиак, а не аммоний, поэтому процесс не идёт в кислой среде. Ферментом для первой реакции служит аммиакмонооксигеназа, фермент с очень низкой субстратной специфичностью, окисляющая также метан, оксид углерода, циклогексан, фенол, бензиловый спирт, однако со скоростью на порядки ниже. Гидроксиламин ингибирует работу фермента.

Следующую реакцию осуществляет гидроксиламиноксидоредуктаза,

Ферменты окисления аммония и нитрита локализованы у нитрифицирующих бактерий в развитой системе внутриклеточных мембран.

Во второй фазе азотистая кислота окисляется до азот­ной:

HNO2   →  HNO3 +87,6 кДж.

Вторая стадия — окисление аниона азотистой кислоты до аниона азотной, производимое нитратными бактериями (почвенный род Nitrobacter и водные Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina). Процесс протекает в два этапа:

NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻

1/2O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O

Первая и вторая фазы единого процесса нитрифика­ции вызываются разными возбудителями. С. Н. Виноградский объединил их в три рода; , Nitrococystis, Nitrosospira. Бактерии рода Nitrosomonas име­ют форму палочек, грамотрицательные, подвижные, снабжены одним жгутиком, спор не образуют. Род Nilrococystis способен образовывать зооглеи (кокковые формы микробов окружены общей капсулой). Род Nit­rosospira С. Н. Виноградский разделил на два вида: Nitrosospira bria и Nitrosospira arctica. Бактерии обоих видов имеют правильную спиральную форму. Наряду со спирально закрученными нитями у старых культур встре­чаются короткие.

реакции	организмы
Аммоний-окисляющие (нитрозо)бактерии NH4 ^+ + 1/2O2 → NO2 + 2H^+ +H2O Нитрит-окисляющие (нитро)бактерии NO2^− +1/2O2 → NO3^−	Nitrosococcus occanus, Nitrosolobus multiformis, Nitrosomonas europaea, Nitrosospira briensis, Nitrosovibrio tenuis Nitrobacter  hamburgensis, Nitrobacter  vulgaris. Nitrobacter  winorgadskyi, Nitrococcus mobilis, Nitrosrina gracilis, Nitrosrira matina

Гетеротрофную нитрификацию осуществляют многие прокариоты и грибы. Механизмы таких процессов чрезвычайно разнообразны. Одни гетеротрофные нитрификаторы осуществляют прямое окисление восстановленных неорганических соединений азота по описаннмоу выше пути. У других при окислении образуются в качестве промежуточных продуктов азотсодержащие органические соединения.