კვების ტიპის მიხედვით ყველა ცნობილი ცოცხალი ორგანიზმი იყოფა ორ დიდ ტიპად: ჰეტერო- და ავტოტროფებად. ამ უკანასკნელის გამორჩეული თვისებაა ნახშირორჟანგისა და სხვა არაორგანული ნივთიერებებისგან ახალი ელემენტების დამოუკიდებლად აგების უნარი.
ენერგიის წყაროები, რომლებიც მხარს უჭერენ მათ სასიცოცხლო აქტივობას, განსაზღვრავენ მათ დაყოფას ფოტოაფტოტროფებად (წყარო არის სინათლე) და ქიმიოავტოტროფებად (წყარო არის მინერალები). და ქიმიოავტორთოფიტების მიერ დაჟანგული სუბსტრატის დასახელებიდან გამომდინარე, ისინი იყოფა წყალბადის და ნიტრიფიკაციის ბაქტერიებად, აგრეთვე გოგირდის და რკინის ბაქტერიებად.
ეს სტატია მიეძღვნება მათ შორის ყველაზე გავრცელებულ ჯგუფს - ნიტრიფიკატორ ბაქტერიებს.
აღმოჩენის ისტორია
მე-19 საუკუნის შუა ხანებშიც კი, გერმანელმა მეცნიერებმა დაამტკიცეს, რომ ნიტრიფიკაციის პროცესი ბიოლოგიურია. ემპირიულად, მათ აჩვენეს, რომ როდესაც ქლოროფორმი დაემატა კანალიზაციის წყალს, ამიაკის დაჟანგვა შეჩერდა. მაგრამ იმის ახსნა, თუ რატომ ხდება ეს, არ აკეთებენშეეძლო.
ეს რამდენიმე წლის შემდეგ გააკეთა რუსმა მეცნიერმა ვინოგრადსკიმ. მან გამოავლინა ბაქტერიების ორი ჯგუფი, რომლებიც თანდათანობით იღებდნენ მონაწილეობას ნიტრიფიკაციის პროცესში. ამრიგად, ერთი ჯგუფი უზრუნველყოფდა ამონიუმის აზოტმჟავად დაჟანგვას, ხოლო ბაქტერიების მეორე ჯგუფი პასუხისმგებელია მის გარდაქმნაზე აზოტმჟავად. ამ პროცესში ჩართული ყველა ნიტრიფიკატორი ბაქტერია გრამუარყოფითია.
დაჟანგვის პროცესის თავისებურებები
ამონიუმის დაჟანგვით ნიტრიტების წარმოქმნის პროცესს აქვს რამდენიმე ეტაპი, რომლის დროსაც წარმოიქმნება აზოტის შემცველი ნაერთები NH ჯგუფის დაჟანგვის სხვადასხვა ხარისხით.
ამონიუმის დაჟანგვის პირველი პროდუქტი არის ჰიდროქსილამინი. დიდი ალბათობით, ის წარმოიქმნება NH4 ჯგუფში მოლეკულური ჟანგბადის ჩართვის გამო, თუმცა ეს პროცესი საბოლოოდ არ არის დადასტურებული და სადავო რჩება.
შემდეგი, ჰიდროქსილამინი გარდაიქმნება ნიტრიტად. სავარაუდოდ, პროცესი ხორციელდება NOH (ჰიპონიტრიტის) წარმოქმნით აზოტის ოქსიდის გამოყოფით. ამ შემთხვევაში, მეცნიერები თვლიან, რომ აზოტის ოქსიდის გამომუშავება არის მხოლოდ სინთეზის გვერდითი პროდუქტი, რაც გამოწვეულია ნიტრიტების შემცირებით.
ქიმიური ელემენტების წარმოქმნის გარდა, დიდი რაოდენობით ენერგია გამოიყოფა დენიტრიფიკაციის დროს. როგორც ჰეტეროტროფულ აერობულ ორგანიზმებში ხდება, ამ შემთხვევაში ატფ-ის მოლეკულების სინთეზი დაკავშირებულია რედოქს პროცესებთან, რის შედეგადაც ელექტრონები გადადის ჟანგბადში.
როდესაც ნიტრიტი იჟანგება, საპირისპირო ტრანსპორტირების პროცესი მნიშვნელოვან როლს ასრულებსელექტრონები. მისი ელექტრონების ჯაჭვში ჩართვა ხდება უშუალოდ ციტოქრომებში (C-ტიპი ან/და A-ტიპი) და ეს მოითხოვს საკმაოდ დიდ ენერგიას. შედეგად, ქიმიოავტოტროფული ნიტრიფიკაციული ბაქტერიები სრულად უზრუნველყოფილია საჭირო ენერგეტიკული რეზერვით, რომელიც გამოიყენება ნახშირორჟანგის აგებისა და ასიმილაციის პროცესებისთვის.
ნიტრიფიკაციის ბაქტერიების სახეები
ნიტრობაქტერიების ოთხი გვარი მონაწილეობს ნიტრიფიკაციის პირველ ფაზაში:
- ნიტროსომონასი;
- ნიტროცისტი;
- ნიტროსოლუბუსი;
- ნიტროსოსპირა.
სხვათა შორის, შემოთავაზებულ სურათზე შეგიძლიათ იხილოთ ნიტრიფიკატორი ბაქტერიები (ფოტო მიკროსკოპის ქვეშ).
ექსპერიმენტულად, მათ შორის საკმაოდ რთულია და ხშირად სრულიად შეუძლებელია რომელიმე კულტურის გამოყოფა, ამიტომ მათი განხილვა უპირატესად რთულია. ყველა ჩამოთვლილი მიკროორგანიზმი ზომით 2-2,5 მიკრონიმდეა და უპირატესად ოვალური ან მრგვალი ფორმისაა (ნიტროსპირის გამოკლებით, რომელსაც ჯოხის ფორმა აქვს). მათ შეუძლიათ ორობითი გახლეჩა და მიმართული მოძრაობა flagella-ს გამო.
ნიტრიფიკაციის მეორე ეტაპი მონაწილეობს:
- გვარის Nitrobacter;
- ნიტროსპინის ტიპი;
- ნიტროკოკუსი.
Nitrbacter-ის გვარის ბაქტერიების ყველაზე შესწავლილი შტამი, მისი აღმომჩენის ვინოგრადსკის სახელობის. ამ ნიტრიფიკაციულ ბაქტერიებს აქვთ მსხლის ფორმის უჯრედები, რომლებიც მრავლდებიან კვირტით და წარმოიქმნება მობილური (ფლაგელუმის გამო) შვილობილი უჯრედი.
ბაქტერიების სტრუქტურა
შესწავლილ ნიტრიფიკატორ ბაქტერიებს აქვთ მსგავსი ფიჭური სტრუქტურა სხვა გრამუარყოფით მიკროორგანიზმებთან. ზოგიერთ მათგანს აქვს შიდა მემბრანების საკმაოდ განვითარებული სისტემა, რომლებიც ქმნიან დასტას უჯრედის ცენტრში, ზოგიერთში კი ისინი განლაგებულია უფრო პერიფერიაზე ან ქმნიან სტრუქტურას თასის სახით, რომელიც შედგება რამდენიმე ფოთლისგან. როგორც ჩანს, სწორედ ამ წარმონაქმნებთან არის დაკავშირებული ფერმენტები, რომლებიც მონაწილეობენ ნიტრიფიკატორების მიერ სპეციფიკური სუბსტრატების დაჟანგვის პროცესში.
ნიტრიფიცირებული ბაქტერიების საკვების ტიპი
ნიტრობაქტერიები სავალდებულო ავტოტროფებია, რადგან მათ არ შეუძლიათ ეგზოგენური ორგანული ნივთიერებების გამოყენება. თუმცა, ნიტრიფიცირებელი ბაქტერიების ზოგიერთი შტამების უნარი გამოიყენონ ორგანული ნაერთები ექსპერიმენტულად იქნა ნაჩვენები.
დადგინდა, რომ სუბსტრატი, რომელიც შეიცავს საფუარის ავტოლიზატებს, სერინს და გლუტამატს დაბალ კონცენტრაციებში, ასტიმულირებს ნიტრობაქტერიების ზრდას. ეს ხდება როგორც ნიტრიტის არსებობისას, ასევე მკვებავ გარემოში მისი არარსებობის შემთხვევაში, თუმცა პროცესი გაცილებით ნელა მიმდინარეობს. პირიქით, ნიტრიტის თანდასწრებით, აცეტატის დაჟანგვა ითრგუნება, მაგრამ მისი ნახშირბადის ჩართვა ცილაში, სხვადასხვა ამინომჟავებსა და უჯრედულ სხვა კომპონენტებში მნიშვნელოვნად იზრდება.
მრავალჯერადი ექსპერიმენტის შედეგად მიღებული იქნა მონაცემები, რომ ნიტრიფიცირებულ ბაქტერიებს ჯერ კიდევ შეუძლიათ ჰეტეროტროფიულ კვებაზე გადასვლა, მაგრამ რამდენად პროდუქტიულად და რამდენ ხანს შეიძლება იარსებონ ასეთ პირობებში, გასარკვევია. სანამ მონაცემები საკმარისიაამ საკითხზე საბოლოო დასკვნების გამოტანა შეუსაბამოა.
ჰაბიტატი და ნიტრიფიკაციის ბაქტერიების მნიშვნელობა
ნიტრიფიკატორი ბაქტერიები არიან ქიმიოავტოტროფები და ფართოდ არიან გავრცელებული ბუნებაში. ისინი ყველგან გვხვდება: ნიადაგში, სხვადასხვა სუბსტრატებში, ასევე წყლის ობიექტებში. მათი სასიცოცხლო აქტივობის პროცესს დიდი წვლილი მიუძღვის ბუნებაში აზოტის მთლიან ციკლში და რეალურად შეიძლება მიაღწიოს უზარმაზარ პროპორციებს.
მაგალითად, ისეთი მიკროორგანიზმი, როგორიცაა nitrocystis oceanus, იზოლირებულია ატლანტის ოკეანეში, ეკუთვნის ობლიგატურ ჰალოფილებს. ის შეიძლება არსებობდეს მხოლოდ ზღვის წყალში ან მის შემცველ სუბსტრატებში. ასეთი მიკროორგანიზმებისთვის მნიშვნელოვანია არა მხოლოდ ჰაბიტატი, არამედ ისეთი მუდმივები, როგორიცაა pH და ტემპერატურა.
ყველა ცნობილი ნიტრიფიკატორი ბაქტერია კლასიფიცირდება როგორც სავალდებულო აერობები. მათ სჭირდებათ ჟანგბადი ამონიუმის აზოტმჟავად დასაჟანგად და აზოტის მჟავა აზოტმჟავად დასაჟანგად.
ჰაბიტატის პირობები
კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი წერტილი, რომელიც მეცნიერებმა დაადგინეს, არის ის, რომ ადგილი, სადაც ნიტრიფიცირებული ბაქტერიები ცხოვრობენ, არ უნდა შეიცავდეს ორგანულ ნივთიერებებს. წამოაყენეს თეორია, რომ ამ მიკროორგანიზმებს, პრინციპში, არ შეუძლიათ გამოიყენონ ორგანული ნაერთები გარედან. მათ ობლიგატური ავტოტროფებიც კი უწოდეს.
შემდეგ, გლუკოზის, შარდოვანას, პეპტონის, გლიცერინის და სხვა ორგანული ნივთიერებების მავნე ზემოქმედება ნიტრიფიცირებულ ბაქტერიებზე არაერთხელ დადასტურდა, მაგრამ ექსპერიმენტები არ ჩერდება.
ბაქტერიების ნიტრიფიკაციის მნიშვნელობანიადაგი
ბოლო დრომდე ითვლებოდა, რომ ნიტრიფიკატორებს აქვთ სასარგებლო გავლენა ნიადაგზე, ზრდის მის ნაყოფიერებას ამონიუმის ნიტრატებამდე დაშლის გზით. ეს უკანასკნელი არა მხოლოდ კარგად შეიწოვება მცენარეთა მიერ, არამედ თავისთავად ზრდის გარკვეული მინერალების ხსნადობას.
თუმცა, ბოლო წლებში მეცნიერული შეხედულებები იცვლება. გამოვლინდა აღწერილი მიკროორგანიზმების უარყოფითი გავლენა ნიადაგის ნაყოფიერებაზე. ბაქტერიების ნიტრიფიკაცია, ნიტრატების წარმოქმნა, ამჟავებს გარემოს, რაც ყოველთვის არ არის დადებითი და ასევე იწვევს ნიადაგის გაჯერებას ამონიუმის იონებით ნიტრატებთან შედარებით. გარდა ამისა, ნიტრატებს აქვთ უნარი შემცირდეს N2-მდე (დენიტრიფიკაციის დროს), რაც თავის მხრივ იწვევს ნიადაგის აზოტის დაქვეითებას.
რა არის ბაქტერიების ნიტრიფიკაციის საშიშროება?
ნიტრობაქტერიების ზოგიერთ შტამს ორგანული სუბსტრატის თანდასწრებით შეუძლია ამონიუმის დაჟანგვა, წარმოქმნას ჰიდროქსილამინი და შემდგომში ნიტრიტები და ნიტრატები. ასევე, ასეთი რეაქციების შედეგად შეიძლება მოხდეს ჰიდროქსამინის მჟავები. გარდა ამისა, რიგი ბაქტერიები ახორციელებენ აზოტის შემცველი სხვადასხვა ნაერთების ნიტრიფიკაციის პროცესს (ოქსიმები, ამინები, ამიდები, ჰიდროქსამატები და სხვა ნიტრო ნაერთები).
ჰეტეროტროფული ნიტრიფიკაციის მასშტაბები გარკვეულ პირობებში შეიძლება იყოს არა მხოლოდ უზარმაზარი, არამედ ძალიან საზიანოც. საშიშროება მდგომარეობს იმაში, რომ ასეთი გარდაქმნების დროს ხდება ტოქსიკური ნივთიერებების, მუტაგენებისა და კანცეროგენების წარმოქმნა. ამიტომ, მეცნიერები მჭიდროდ არიანვმუშაობთ ამ თემის შესწავლაზე.
ბიოლოგიური ფილტრი, რომელიც ყოველთვის ხელთ არის
ნიტრიფიკატორი ბაქტერია არ არის აბსტრაქტული ცნება, არამედ სიცოცხლის ძალიან გავრცელებული ფორმა. უფრო მეტიც, მათ ხშირად იყენებენ ადამიანები.
მაგალითად, ეს ბაქტერიები აკვარიუმების ბიოლოგიური ფილტრების ნაწილია. ამ ტიპის გაწმენდა ნაკლებად ძვირია და არ არის ისეთი შრომატევადი, როგორც მექანიკური გაწმენდა, მაგრამ ამავე დროს მოითხოვს გარკვეული პირობების დაცვას, რათა უზრუნველყოფილი იყოს ნიტრიფიცირებული ბაქტერიების ზრდა და სასიცოცხლო აქტივობა.
მათთვის ყველაზე ხელსაყრელი მიკროკლიმატი არის გარემოს ტემპერატურა (ამ შემთხვევაში წყალი) 25-26 გრადუსი ცელსიუსით, ჟანგბადის მუდმივი მიწოდება და წყლის მცენარეების არსებობა.
ნიტრიფიკატორი ბაქტერიები სოფლის მეურნეობაში
მოსავლიანობის გაზრდის მიზნით ფერმერები იყენებენ ნიტრიფიკატორ ბაქტერიების შემცველ სხვადასხვა სასუქებს.
მიწის კვებას ამ შემთხვევაში უზრუნველყოფს ნიტრობაქტერიები და აზოტობაქტერიები. ეს ბაქტერიები ნიადაგიდან და წყლიდან ამოიღებენ საჭირო ნივთიერებებს, რომლებიც წარმოქმნიან საკმარისად დიდ ენერგიას ჟანგვის პროცესში. ეს არის ეგრეთ წოდებული ქიმიოსინთეზის პროცესი, როდესაც მიღებული ენერგია გამოიყენება ნახშირორჟანგისა და წყლისგან ორგანული წარმოშობის რთული მოლეკულების ფორმირებისთვის.
ამ მიკროორგანიზმებს არ სჭირდებათ საკვები ნივთიერებები მათი გარემოდან - მათ შეუძლიათ მათი გამომუშავება თავად. ასე რომ, თუ საჭიროა მწვანე მცენარეები, რომლებიც ასევე ავტოტროფები არიანმზის სინათლე, მაშინ არ არის აუცილებელი ბაქტერიების ნიტრიფიკაციისთვის.
თვითწმენდადი ნიადაგი
ნიადაგი იდეალური სუბსტრატია არა მხოლოდ მცენარეების, არამედ მრავალი ცოცხალი ორგანიზმის ზრდისა და გამრავლებისთვის. ამიტომ მისი ნორმალური მდგომარეობა და დაბალანსებული შემადგენლობა უაღრესად მნიშვნელოვანია.
უნდა გვახსოვდეს, რომ ნიტრიფიცირებული ბაქტერიები ასევე უზრუნველყოფენ ნიადაგის ბიოლოგიურ გაწმენდას. ისინი, ნიადაგში, რეზერვუარებში ან ჰუმუსში ყოფნისას, გარდაქმნიან ამიაკს, რომელიც გამოიყოფა სხვა მიკროორგანიზმებით და ნარჩენი ორგანული მასალებით, ნიტრატებად (უფრო ზუსტად, აზოტის მჟავის მარილებად). მთელი პროცესი შედგება ორი ეტაპისგან:
- ამიაკის დაჟანგვა ნიტრიტად.
- ნიტრიტის დაჟანგვა ნიტრატად.
ამავდროულად, თითოეული ეტაპი უზრუნველყოფილია ცალკეული ტიპის მიკროორგანიზმებით.
ე.წ. მოჯადოებული წრე
ენერგიის მიმოქცევა და სიცოცხლის შენარჩუნება დედამიწაზე შესაძლებელია ყველა ცოცხალი არსების არსებობის გარკვეული კანონების დაცვით. ერთი შეხედვით ძნელია იმის გაგება, თუ რა არის სასწორზე, მაგრამ სინამდვილეში ყველაფერი საკმაოდ მარტივია.
წარმოვიდგინოთ შემდეგი სურათი სკოლის სახელმძღვანელოდან:
- არაორგანული ნივთიერებები მუშავდება მიკროორგანიზმების მიერ და ამგვარად ქმნის ხელსაყრელ პირობებს ნიადაგში მცენარეების ზრდისა და კვებისათვის.
- ისინი, თავის მხრივ, ენერგიის შეუცვლელი წყაროა ბალახისმჭამელთა უმეტესობისთვის.
- ამ სიცოცხლის რგოლის შემდეგი ჯაჭვი არიან მტაცებლები, რომელთა ენერგიაც არის,შესაბამისად, მათი ბალახისმჭამელი ანალოგი.
- ადამიანები ცნობილია, როგორც მწვერვალი მტაცებლები, რაც ნიშნავს, რომ ჩვენ შეგვიძლია მივიღოთ ენერგია როგორც მცენარეთა სამყაროდან, ასევე ცხოველთა სამყაროდან.
- და უკვე რჩება ჩვენი სიცოცხლე, ისევე როგორც ეს მცენარეები და ცხოველები, მიკროორგანიზმების მკვებავ სუბსტრატს წარმოადგენს.
ამგვარად, იქმნება მანკიერი წრე, რომელიც მუდმივად ფუნქციონირებს და უზრუნველყოფს სიცოცხლეს დედამიწაზე მთელი სიცოცხლისთვის. ამ პრინციპების ცოდნით, ძნელი წარმოსადგენია, რამდენად მრავალმხრივი და რეალურად შეუზღუდავია ბუნების და ყველა ცოცხალი არსების ძალა.
დასკვნა
ამ სტატიაში შევეცადეთ გაგვეპასუხა კითხვაზე, თუ რა არის ნიტრიფიკატორი ბაქტერიები ბიოლოგიაში. როგორც ხედავთ, ამ მიკროორგანიზმების სასიცოცხლო აქტივობის, ფუნქციონირებისა და გავლენის უტყუარი მტკიცებულების მიუხედავად, ჯერ კიდევ არსებობს მრავალი საკამათო საკითხი, რომელიც საჭიროებს შემდგომ ექსპერიმენტულ კვლევას.
ნიტრიფიკაციის ბაქტერიები კლასიფიცირდება როგორც ქიმიოტროფები. სხვადასხვა მინერალები მათთვის ენერგიის წყაროა. მიუხედავად მათი მიკროსკოპული ზომისა, ეს ცოცხალი ორგანიზმები დიდ გავლენას ახდენენ მათ გარშემო არსებულ სამყაროზე.
მოგეხსენებათ, ქიმიოტროფებს არ შეუძლიათ სუბსტრატში (ნიადაგი ან წყალი) ორგანული ნაერთების შთანთქმა. პირიქით, ისინი აწარმოებენ სამშენებლო მასალას ცოცხალი და მოქმედი უჯრედის შესაქმნელად.
