Азот – это второй из наиболее важных биогенных элементов. Прокариоты участвуют во всех этапах цикла азота.
I этап. Аммонификация
Белки составляют большую долю живой биомассы. На долю белков приходится не менее 50% сухой массы клетки. Животные ткани богаты белками (50-80 %), в том числе структурными (образующими хрящи, связки, шерсть, когти и т.д.), содержание липидов – 10-15 %, полисахариды – 5-10 %, НК – 5 %.
При разложении микроорганизмами белков и других азотсодержащих соединений азот освобождается в виде аммиака.
Этот процесс называется аммонификацией или минерализацией азота. Иначе процесс аммонификацииназывают гниением.
Значительная часть белков попадает в почву с остатками отмерших растений, животных и микроорганизмов, где активно идут процессы минерализации азота.
В водоемах процессы минерализации отмершего планктона начинаются в водной массе, а образование аммиака наблюдается преимущественно в поверхностном слое ила.
Микроорганизмы, способные использовать белки и аминокислоты в качестве энергетического субстрата, относят к группе аммонифицирующих микроорганизмов (аммонификаторов).
Группа аммонифицирующих микроорганизмов представлена прежде всего Грам(+) спорообразующими аэробными бактериями рода Bacillus: B. subtilis, B. megaterium и др. Неспоробразующие аммонификаторы представлены бактериями родов Pseudomonas, Proteus, Micrococcus, Mycobacterium и др. В анаэробных условиях белки разлагают бактерии рода Clostridium. К разложению белков способны микроскопические грибы и актиномицеты.
Белки расщепляются вне клетки экзоферментами – протеазами. Протеазы катализируют разрыв пептидных связей. В результате образуются пептиды – отдельные фрагменты. Пептиды поглощаются клеткой и расщепляются внутриклеточными протеазами – пептидазами до отдельных аминокислот.
|
|
Аминокислоты могут использоваться в биосинтетических процессах для синтеза белка или в энергетическом обмене.
Аминокислоты подвергаются декарбоксилированию или дезаминированию.
1. Декарбоксилирование протекает без участия молекулярного кислорода:
R – CHNH2 – COOH → R – CH2NH2 + CO2
первичные амины
В результате декарбоксилирования выделяется СО2 и образуются первичные амины – трупные яды. Первичные амины образуются при анаэробном разложении белка – в трупах, а также при гнилостных процессах в кишечнике.
2. Дезаминирование – это отщепление аминогруппы от аминокислоты в виде аммиака. Наиболее распространенный тип распада аминокислот – окислительное дезаминирование:
R – CHNH2 – COOH + ½ O2 → R – CO – COOH + NH3
кетокислоты
Органические кислоты (кетокислоты), образующиеся при дезаминировании, включаются в клеточный метаболизм.
II этап. Нитрификация
Нитрификация – это окисление аммиака до азотной кислоты. Процесс осуществляют хемолитотрофные бактерии, объединяемые в семейство Nitrobacteriaceae.
Нитрификация протекает в два этапа.
1. Окисление аммиака до нитрита:
NH4+ + 1,5 O2 → NO2 ֿ + H2O + 2 H+
Первую фазу нитрификации осуществляют бактерии родов: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira, Nitrosovibrio.
Процесс нитрификации локализован на ЦПМ и внутрицитоплазматических мембранах. Аммоний поглощается клеткой, перенос через ЦПМ осуществляется при помощи медьсодержащей транслоказы. Окисление аммиака до нитрита происходит через ряд промежуточных продуктов: NH3 → NH2OH → NO2ֿ. Сначала аммиак окисляется до гидроксиламина (NH2OH), реакцию катализирует фермент монооксигеназа. Далее гидроксиламин окисляется до нитрата (NO2ֿ), реакцию катализирует фермент гидроксиламиноксидоредуктаза. Электроны, высвобождаемые при окислении гидроксиламина передаются в дыхательную цепь на уровне цитохрома с.
|
|
2. Окисление нитрита до нитрата:
NO2ֿ + ½ O2 → NO3ֿ
Процесс локализован на внутренней стороне мембраны, реакция катализируется ферментом нитритоксидазой. Электроны, высвобождаемые при окислении, поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома а1.
Вторую фазу нитрификации осуществляют бактерии родов: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus.
Значение нитрификации. Нитрифицирующие бактерии встречаются там, где идет минерализация органического вещества и выделяется аммоний.
В почвах длительное применение аммонийных удобрений привело к значительному обогащению обрабатываемых земель нитрифицирующими бактериями. В хорошо аэрируемых почвах нитрификация может приводить к подкислению почвы. Это ведет к растворению солей калия, магния, фосфора, которые необходимы для растений. Большинство растений предпочтительнее усваивает нитрат, чем аммоний. Однако нитрит и нитрат, как отрицательно заряженные ионы, легко вымываются из почвы, что ведет к обеднению почвы азотом.
В водоемах нитрифицирующие бактерии развиваются у поверхности донных отложений и в зоне термоклина.
Роль нитрификаторов в процессе очистки сточных вод. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммоний – продукт разложения органических отходов – до нитрата, который на последующем этапе очистки денитрифицирующие бактерии превращают в молекулярный азот.