وفقًا لنوع التغذية ، تنقسم جميع الكائنات الحية المعروفة إلى نوعين كبيرين: غير متجانسة وذاتية التغذية. السمة المميزة لهذا الأخير هي قدرتها على بناء عناصر جديدة بشكل مستقل من ثاني أكسيد الكربون والمواد غير العضوية الأخرى.
تحدد مصادر الطاقة التي تدعم نشاطها الحيوي تقسيمها إلى صور ضوئية (المصدر هو الضوء) و chemoautotrophs (المصدر هو المعادن). واعتمادًا على اسم الركيزة المؤكسدة بالفطريات الكيماوية ، يتم تقسيمها إلى هيدروجين وبكتيريا آزوتية ، وكذلك بكتيريا الكبريت والحديد.
سيتم تخصيص هذه المقالة للمجموعة الأكثر شيوعًا بينهم - البكتيريا الآزوتية.
تاريخ الاكتشاف
حتى في منتصف القرن التاسع عشر ، أثبت العلماء الألمان أن عملية النترجة بيولوجية. من الناحية التجريبية ، أظهروا أنه عند إضافة الكلوروفورم إلى مياه الصرف الصحي ، تتوقف أكسدة الأمونيا. لكن لتوضيح سبب حدوث ذلك ، لم يفعلوا ذلكيمكن.
تم القيام بذلك بعد بضع سنوات من قبل العالم الروسي فينوغرادسكي. حدد مجموعتين من البكتيريا التي شاركت تدريجياً في عملية النترجة. وهكذا ، ضمنت مجموعة واحدة أكسدة الأمونيوم إلى حمض النيتروز ، وكانت المجموعة الثانية من البكتيريا مسؤولة عن تحويلها إلى حمض النيتريك. جميع البكتيريا الآزوتية المشاركة في هذه العملية سالبة الجرام.
ميزات عملية الأكسدة
تتكون عملية تكوين النتريت بواسطة أكسدة الأمونيوم من عدة مراحل ، يتم خلالها تكوين مركبات تحتوي على النيتروجين بدرجات مختلفة من أكسدة مجموعة NH.
المنتج الأول لأكسدة الأمونيوم هو هيدروكسيل أمين. على الأرجح ، يتم تشكيلها بسبب إدراج الأكسجين الجزيئي في مجموعة NH4، على الرغم من أن هذه العملية لم تثبت بشكل نهائي ولا تزال محل نقاش.
بعد ذلك ، يتم تحويل هيدروكسيل أمين إلى نتريت. من المفترض أن تتم العملية من خلال تكوين NOH (hyponitrite) مع إطلاق أكسيد النيتروز. في هذه الحالة ، يعتبر العلماء أن إنتاج أكسيد النيتروز مجرد منتج ثانوي للتوليف ، بسبب تقليل النتريت.
بالإضافة إلى إنتاج العناصر الكيميائية ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة أثناء نزع النتروجين. على غرار ما يحدث في الكائنات الهوائية غيرية التغذية ، في هذه الحالة ، يرتبط تخليق جزيئات ATP بعمليات الأكسدة والاختزال ، ونتيجة لذلك تنتقل الإلكترونات إلى الأكسجين.
عندما يتأكسد النتريت ، تلعب عملية النقل العكسي دورًا مهمًاالإلكترونات. يحدث إدراج إلكتروناتها في السلسلة مباشرة في السيتوكرومات (النوع C و / أو النوع A) ، وهذا يتطلب كمية كبيرة إلى حد ما من الطاقة. نتيجة لذلك ، يتم تزويد البكتيريا الآزوتية الكيميائية بشكل كامل باحتياطي الطاقة اللازم ، والذي يستخدم في عمليات بناء واستيعاب ثاني أكسيد الكربون.
أنواع البكتيريا الآزوتية
أربعة أجناس من النيتروبكتيريا تشارك في المرحلة الأولى من النترجة:
- نيتروسوموناس ؛
- نيتروكيستيس ؛
- nitrosolubus ؛
- نيتروسوسبيرا.
بالمناسبة ، يمكنك رؤية البكتيريا الآزوتية في الصورة المقترحة (الصورة تحت المجهر).
من الناحية التجريبية ، من الصعب جدًا ، وغالبًا ما يكون من المستحيل تمامًا تمييز إحدى الثقافات ، لذا فإن اعتبارها معقد في الغالب. يصل حجم جميع الكائنات الحية الدقيقة المدرجة إلى 2-2.5 ميكرون وتكون في الغالب بيضاوية الشكل أو دائرية الشكل (باستثناء nitrospira ، التي لها شكل عصا). هم قادرون على الانشطار الثنائي والحركة الموجهة بسبب السوط.
تشارك المرحلة الثانية من النترجة:
- جنس Nitrobacter ؛
- نوع nitrospin ؛
- نيتروكوكس.
السلالة الأكثر دراسة من البكتيريا من جنس Nitrbacter ، سميت على اسم مكتشفها Vinogradsky. تحتوي هذه البكتيريا الآزوتية على خلايا على شكل كمثرى ، تتكاثر في التبرعم ، مع تكوين خلية ابنة متحركة (بسبب السوط).
تركيب البكتيريا
البكتيريا الآزوتية المدروسة لها بنية خلوية مماثلة للكائنات الحية الدقيقة سالبة الجرام الأخرى. يحتوي بعضها على نظام متطور إلى حد ما من الأغشية الداخلية التي تشكل كومة في وسط الخلية ، بينما في البعض الآخر توجد أكثر على المحيط أو تشكل هيكلًا على شكل كوب ، يتكون من عدة أوراق. على ما يبدو ، من خلال هذه التكوينات ترتبط الإنزيمات التي تشارك في عملية أكسدة ركائز معينة بواسطة النترات.
نوع الغذاء البكتيريا الآزوتية
Nitrobacteria هي ذاتية التغذية ، لأنها غير قادرة على استخدام المواد العضوية الخارجية. ومع ذلك ، فقد تم إثبات قدرة بعض سلالات البكتيريا الآزوتية على استخدام بعض المركبات العضوية بشكل تجريبي.
وجد أن الركيزة التي تحتوي على الخميرة ذاتية التحلل ، والسيرين والغلوتامات بتركيزات منخفضة ، حفزت نمو البكتيريا النيتروبية. يحدث هذا في وجود النتريت وغيابه في وسط المغذيات ، على الرغم من أن العملية أبطأ بكثير. على العكس من ذلك ، في وجود النتريت ، يتم قمع أكسدة الأسيتات ، ولكن دمج الكربون في البروتين والأحماض الأمينية المختلفة والمكونات الخلوية الأخرى يزيد بشكل ملحوظ.
نتيجة لتجارب متعددة ، تم الحصول على بيانات تفيد بأن البكتيريا الآزوتية لا يزال بإمكانها التحول إلى التغذية غيرية التغذية ، ولكن يبقى أن نرى مدى إنتاجيتها ومدة وجودها في مثل هذه الظروف. طالما كانت البيانات كافيةغير متسقة في استخلاص النتائج النهائية في هذا الشأن.
الموطن وأهمية البكتيريا الآزوتية
البكتيريا الآزوتية عبارة عن مواد كيميائية مغذية وتنتشر على نطاق واسع في الطبيعة. توجد في كل مكان: في التربة ، وركائز مختلفة ، وكذلك في المسطحات المائية. تقدم عملية نشاطهم الحيوي مساهمة كبيرة في دورة النيتروجين الكلية في الطبيعة ويمكن أن تصل في الواقع إلى نسب ضخمة.
على سبيل المثال ، تنتمي الكائنات الحية الدقيقة مثل nitrocystis oceanus ، المعزولة عن المحيط الأطلسي ، إلى الهالوفيلات الملزمة. يمكن أن توجد فقط في مياه البحر أو الركائز التي تحتوي عليها. بالنسبة لمثل هذه الكائنات الحية الدقيقة ، ليس الموطن مهمًا فقط ، ولكن أيضًا ثوابت مثل درجة الحموضة ودرجة الحرارة.
يتم تصنيف جميع البكتيريا الآزوتية المعروفة على أنها أكيروبير إلزامية. يحتاجون الأكسجين لأكسدة الأمونيوم إلى حمض النيتروز وحمض النيتروز إلى حمض النيتريك.
ظروف الموطن
نقطة أخرى مهمة حددها العلماء وهي أن المكان الذي تعيش فيه البكتيريا الآزوتية يجب ألا يحتوي على مواد عضوية. تم طرح النظرية بأن هذه الكائنات الحية الدقيقة ، من حيث المبدأ ، لا يمكنها استخدام المركبات العضوية من الخارج. لقد تم تسميتهم حتى بالتغذية الذاتية الملزمة.
بعد ذلك ، تم إثبات التأثير الضار للجلوكوز واليوريا والببتون والجلسرين والمواد العضوية الأخرى على البكتيريا الآزوتية بشكل متكرر ، لكن التجارب لا تتوقف.
أهمية البكتريا الآزوتيةالتربة
حتى وقت قريب ، كان يُعتقد أن النترات لها تأثير مفيد على التربة ، حيث تزيد من خصوبتها عن طريق تكسير الأمونيوم إلى نترات. هذه الأخيرة لا تمتصها النباتات جيدًا فحسب ، بل إنها تزيد في حد ذاتها أيضًا من قابلية بعض المعادن للذوبان.
ومع ذلك ، في السنوات الأخيرة ، تغيرت الآراء العلمية. تم الكشف عن التأثير السلبي للكائنات الحية الدقيقة الموصوفة على خصوبة التربة. تعمل البكتيريا الآزوتية ، وتشكيل النترات ، على تحمض البيئة ، وهو ليس دائمًا أمرًا إيجابيًا ، كما أنها تثير تشبع التربة بأيونات الأمونيوم بدرجة أكبر من النترات. علاوة على ذلك ، فإن النترات لديها القدرة على الاختزال إلى N2(أثناء نزع النتروجين) ، مما يؤدي بدوره إلى استنفاد التربة في النيتروجين.
ما هي مخاطر البكتيريا الآزوتية؟
بعض سلالات النيتروبكتيريا في وجود ركيزة عضوية يمكنها أكسدة الأمونيوم ، مكونة هيدروكسيل أمين ، وبالتالي النتريت والنترات. أيضًا ، نتيجة لمثل هذه التفاعلات ، يمكن أن تحدث أحماض الهيدروكساميك. علاوة على ذلك ، يقوم عدد من البكتيريا بعملية النترجة لمركبات مختلفة تحتوي على النيتروجين (أكاسيد ، أمينات ، أميدات ، هيدروكسامات ومركبات نيترو أخرى).
قد لا يكون حجم النترجة غيرية التغذية في ظل ظروف معينة ضخمًا فحسب ، بل ضارًا جدًا أيضًا. يكمن الخطر في حقيقة أنه في سياق هذه التحولات ، يحدث تكوين مواد سامة ومطفرات ومسرطنات. لذلك ، العلماء عن كثبتعمل على دراسة هذا الموضوع
المرشح البيولوجي المتاح دائمًا
البكتيريا الآزوتية ليست مفهومًا مجردًا ، ولكنها شكل شائع جدًا من أشكال الحياة. علاوة على ذلك ، غالبًا ما يستخدمها البشر.
على سبيل المثال ، هذه البكتيريا هي جزء من المرشحات البيولوجية لأحواض السمك. هذا النوع من التنظيف أقل تكلفة وليس شاقًا مثل التنظيف الميكانيكي ، ولكنه في نفس الوقت يتطلب الامتثال لشروط معينة من أجل ضمان النمو والنشاط الحيوي للبكتيريا الآزوتية.
المناخ المحلي الأكثر ملاءمة لهم هو درجة الحرارة المحيطة (في هذه الحالة الماء) بترتيب 25-26 درجة مئوية ، وإمداد مستمر بالأكسجين ووجود النباتات المائية.
البكتيريا الآزوتية في الزراعة
من أجل زيادة الغلة ، يستخدم المزارعون الأسمدة المختلفة التي تحتوي على البكتيريا الآزوتية.
يتم توفير تغذية التربة في هذه الحالة من قبل nitrobacteria و azotobacteria. تستخرج هذه البكتيريا المواد الضرورية من التربة والماء ، والتي تشكل كمية كبيرة من الطاقة أثناء عملية الأكسدة. هذا هو ما يسمى بعملية التخليق الكيميائي ، عندما يتم استخدام الطاقة المستلمة لتكوين جزيئات معقدة من أصل عضوي من ثاني أكسيد الكربون والماء.
لا تتطلب هذه الكائنات الدقيقة عناصر غذائية من بيئتها - يمكنها إنتاجها بنفسها. لذلك ، إذا كانت هناك حاجة للنباتات الخضراء ، والتي هي أيضًا ذاتية التغذيةضوء الشمس ، إذًا ليس ضروريًا للبكتيريا الآزوتية
تربة التنظيف الذاتي
التربة هي ركيزة مثالية لنمو وتكاثر ليس فقط النباتات ، ولكن أيضًا العديد من الكائنات الحية. لذلك فإن حالتها الطبيعية وتكوينها المتوازن مهمان للغاية.
يجب أن نتذكر أن البكتيريا الآزوتية توفر أيضًا التنظيف البيولوجي للتربة. إنهم ، في التربة أو الخزانات أو الدبال ، يحولون الأمونيا ، التي تطلقها الكائنات الحية الدقيقة الأخرى ونفايات المواد العضوية ، إلى نترات (على وجه الدقة ، إلى أملاح حمض النيتريك). تتكون العملية برمتها من خطوتين:
- أكسدة الأمونيا إلى نتريت.
- أكسدة النتريت إلى نترات.
في نفس الوقت ، يتم توفير كل مرحلة من خلال أنواع منفصلة من الكائنات الحية الدقيقة.
ما يسمى بالدائرة المفرغة
دوران الطاقة والحفاظ على الحياة على الأرض ممكن بسبب مراعاة قوانين معينة لوجود جميع الكائنات الحية. للوهلة الأولى ، من الصعب فهم ما هو على المحك ، لكن في الحقيقة كل شيء بسيط للغاية.
لنتخيل الصورة التالية من كتاب مدرسي:
- تتم معالجة المواد غير العضوية بواسطة الكائنات الحية الدقيقة وبالتالي تخلق ظروفًا مواتية في التربة لنمو النباتات وتغذيتها.
- هم ، بدورهم ، مصدر طاقة لا غنى عنه لمعظم الحيوانات العاشبة.
- السلسلة التالية من رابط الحياة هذا هي الحيوانات المفترسة ، والطاقة من أجلها ،على التوالي ، نظرائهم العاشبة.
- من المعروف أن الناس هم من الحيوانات المفترسة ، مما يعني أنه يمكننا الحصول على الطاقة من كل من عالم النبات وعالم الحيوان.
- وبالفعل تبقى حياتنا ، وكذلك تلك النباتات والحيوانات ، بمثابة ركيزة مغذية للكائنات الحية الدقيقة.
وهكذا ، يتم الحصول على حلقة مفرغة ، تعمل باستمرار وتوفر الحياة لجميع أشكال الحياة على الأرض. بمعرفة هذه المبادئ ، ليس من الصعب تخيل مدى قوة الطبيعة وجميع الكائنات الحية متعددة الأوجه وغير محدودة بالفعل.
الخلاصة
في هذه المقالة ، حاولنا الإجابة على سؤال حول ماهية البكتيريا الآزوتية في علم الأحياء. كما ترون ، على الرغم من الأدلة القاطعة على النشاط الحيوي ، وعمل وتأثير هذه الكائنات الدقيقة ، لا تزال هناك العديد من القضايا المثيرة للجدل التي تتطلب مزيدًا من البحث التجريبي.
تصنف البكتيريا الآزوتية على أنها كيميائية التغذية. تعمل المعادن المختلفة كمصدر للطاقة بالنسبة لهم. على الرغم من حجمها المجهري ، فإن هذه الكائنات الحية لها تأثير كبير على العالم من حولها.
كما تعلم ، لا تستطيع التغذية الكيميائية امتصاص المركبات العضوية الموجودة في الركيزة (التربة أو الماء). على العكس من ذلك ، فهم ينتجون مواد البناء لتكوين خلية حية وعاملة.
