Theo kiểu dinh dưỡng, tất cả các sinh vật sống đã biết được chia thành hai dạng lớn: dị dưỡng và tự dưỡng. Một tính năng đặc biệt của loại thuốc này là khả năng tạo ra các nguyên tố mới một cách độc lập từ carbon dioxide và các chất vô cơ khác.
Các nguồn năng lượng hỗ trợ hoạt động sống của chúng xác định sự phân chia của chúng thành quang dưỡng (nguồn là ánh sáng) và hóa dưỡng (nguồn là khoáng chất). Và tùy thuộc vào tên của chất nền bị oxy hóa bởi chemoauthorthophytes, chúng được chia thành vi khuẩn hydro và nitrat hóa, cũng như vi khuẩn lưu huỳnh và sắt.
Bài viết này sẽ dành cho nhóm phổ biến nhất trong số đó - vi khuẩn nitrat hóa.
Lịch sử khám phá
Ngay cả vào giữa thế kỷ 19, các nhà khoa học Đức đã chứng minh rằng quá trình nitrat hóa là sinh học. Theo kinh nghiệm, họ cho thấy rằng khi thêm cloroform vào nước thải, quá trình oxy hóa amoniac sẽ dừng lại. Nhưng để giải thích tại sao điều này xảy ra, họ khôngcó thể.
Điều này đã được thực hiện vài năm sau đó bởi nhà khoa học người Nga Vinogradsky. Ông đã xác định được hai nhóm vi khuẩn dần dần tham gia vào quá trình nitrat hóa. Do đó, một nhóm đảm bảo quá trình oxy hóa amoni thành axit nitơ, và nhóm vi khuẩn thứ hai chịu trách nhiệm chuyển đổi nó thành axit nitric. Tất cả các vi khuẩn nitrat hóa tham gia vào quá trình này đều là vi khuẩn Gram âm.
Đặc điểm của quá trình oxy hóa
Quá trình hình thành nitrit bằng quá trình oxy hóa amoni có nhiều giai đoạn, trong đó các hợp chất chứa nitơ có mức độ oxy hóa khác nhau của nhóm NH được hình thành.
Sản phẩm đầu tiên của quá trình oxy hóa amoni là hydroxylamine. Rất có thể, nó được hình thành do sự bao gồm oxy phân tử trong nhóm NH4, mặc dù quá trình này cuối cùng vẫn chưa được chứng minh và vẫn còn đang tranh cãi.
Tiếp theo, hydroxylamine được chuyển thành nitrit. Có lẽ, quá trình được thực hiện thông qua sự hình thành NOH (hyponitrit) với sự giải phóng oxit nitơ. Trong trường hợp này, các nhà khoa học coi việc sản xuất oxit nitơ chỉ là sản phẩm phụ của quá trình tổng hợp, do quá trình khử nitrit.
Ngoài việc sản xuất các nguyên tố hóa học, một lượng lớn năng lượng được giải phóng trong quá trình khử nitơ. Tương tự như những gì xảy ra ở các sinh vật hiếu khí dị dưỡng, trong trường hợp này, quá trình tổng hợp các phân tử ATP được liên kết với các quá trình oxy hóa khử, do đó các electron được chuyển thành oxy.
Khi nitrit bị oxy hóa, quá trình vận chuyển ngược lại đóng vai trò quan trọngcác electron. Việc đưa các điện tử của nó vào chuỗi xảy ra trực tiếp trong các cytochromes (loại C và / hoặc loại A), và điều này đòi hỏi một lượng năng lượng khá lớn. Do đó, vi khuẩn nitrat hóa hóa trị được cung cấp đầy đủ năng lượng dự trữ cần thiết, được sử dụng cho quá trình xây dựng và đồng hóa carbon dioxide.
Các loại vi khuẩn nitrat hóa
Bốn chi vi khuẩn nitrobacteria tham gia vào giai đoạn đầu của quá trình nitrat hóa:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Nhân tiện, bạn có thể nhìn thấy vi khuẩn nitrat hóa trong hình ảnh gợi ý (ảnh dưới kính hiển vi).
Theo thực nghiệm, trong số đó khá khó, và thường hoàn toàn không thể xác định được một trong các nền văn hóa, vì vậy việc xem xét của họ chủ yếu là phức tạp. Tất cả các vi sinh vật được liệt kê đều có kích thước lên đến 2-2,5 micron và chủ yếu có hình bầu dục hoặc hình tròn (ngoại trừ nitrospira, có dạng hình que). Chúng có khả năng phân hạch nhị phân và chuyển động có định hướng do trùng roi.
Giai đoạn thứ hai của quá trình nitrat hóa diễn ra:
- chi Nitrobacter;
- loại nitrospin;
- nitrococus.
Dòng vi khuẩn được nghiên cứu nhiều nhất thuộc giống Nitrbacter, được đặt theo tên người phát hiện ra nó là Vinogradsky. Những vi khuẩn nitrat hóa này có các tế bào hình quả lê, nhân lên bằng cách nảy chồi, với sự hình thành của tế bào con (do trùng roi) di động.
Cấu trúc của vi khuẩn
Vi khuẩn nitrat hóa được nghiên cứu có cấu trúc tế bào tương tự với các vi sinh vật gram âm khác. Một số loài có hệ thống màng bên trong khá phát triển tạo thành một ngăn xếp ở trung tâm tế bào, trong khi một số loài khác lại nằm ở ngoại vi nhiều hơn hoặc tạo thành cấu trúc dạng cốc, bao gồm một số lá. Rõ ràng, với sự hình thành này, các enzym được liên kết có liên quan đến quá trình oxy hóa các chất nền cụ thể bằng chất nitrat hóa.
Thực phẩm chứa vi khuẩn nitrat hóa
Vi khuẩn nitrobacteria là sinh vật tự dưỡng bắt buộc, vì chúng không thể sử dụng các chất hữu cơ ngoại sinh. Tuy nhiên, khả năng sử dụng một số hợp chất hữu cơ của một số chủng vi khuẩn nitrat hóa đã được thực nghiệm cho thấy.
Người ta thấy rằng chất nền có chứa men tự phân giải, serine và glutamate ở nồng độ thấp, đã kích thích sự phát triển của vi khuẩn nitrobacteria. Điều này xảy ra cả khi có nitrit và không có trong môi trường dinh dưỡng, mặc dù quá trình này diễn ra chậm hơn nhiều. Ngược lại, khi có nitrit, quá trình oxy hóa axetat bị ngăn chặn, nhưng sự kết hợp cacbon của nó vào protein, các axit amin khác nhau và các thành phần tế bào khác sẽ tăng lên đáng kể.
Kết quả của nhiều thí nghiệm, dữ liệu thu được cho thấy vi khuẩn nitrat hóa vẫn có thể chuyển sang dinh dưỡng dị dưỡng, nhưng chúng có thể tồn tại hiệu quả như thế nào và bao lâu trong điều kiện như vậy vẫn còn phải xem. Miễn là đủ dữ liệukhông nhất quán để đưa ra kết luận cuối cùng về vấn đề này.
Môi trường sống và tầm quan trọng của vi khuẩn nitrat hóa
Vi khuẩn nitrat hóa là sinh vật tự dưỡng và phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Chúng được tìm thấy ở khắp mọi nơi: trong đất, các chất nền khác nhau, cũng như các vùng nước. Quá trình hoạt động quan trọng của chúng đóng góp lớn vào chu trình nitơ tổng thể trong tự nhiên và trên thực tế có thể đạt đến tỷ lệ rất lớn.
Ví dụ, một vi sinh vật như nitrocystis oceanus, được phân lập từ Đại Tây Dương, thuộc về loài ưa chảy bắt buộc. Nó chỉ có thể tồn tại trong nước biển hoặc các chất nền có chứa nó. Đối với những vi sinh vật như vậy, không chỉ môi trường sống là quan trọng mà còn là các hằng số như pH và nhiệt độ.
Tất cả các vi khuẩn nitrat hóa đã biết đều được phân loại là vi khuẩn hiếu khí bắt buộc. Chúng cần oxy để oxy hóa amoni thành axit nitơ và axit nitơ thành axit nitric.
Điều kiện môi trường sống
Một điểm quan trọng nữa mà các nhà khoa học đã xác định là nơi vi khuẩn nitrat hóa sinh sống không được chứa chất hữu cơ. Lý thuyết được đưa ra rằng những vi sinh vật này, về nguyên tắc, không thể sử dụng các hợp chất hữu cơ từ bên ngoài. Chúng thậm chí còn được gọi là sinh vật tự dưỡng bắt buộc.
Sau đó, tác động bất lợi của glucose, urê, peptone, glycerin và các chất hữu cơ khác đối với vi khuẩn nitrat hóa đã được chứng minh nhiều lần, nhưng các thí nghiệm vẫn chưa dừng lại.
Tầm quan trọng của vi khuẩn nitrat hóa đối vớiđất
Cho đến gần đây, người ta tin rằng chất nitrat hóa có tác dụng có lợi cho đất, làm tăng độ phì nhiêu của đất bằng cách phân hủy amoni thành nitrat. Chất sau không chỉ được cây hấp thụ tốt mà còn tự nó làm tăng khả năng hòa tan của một số khoáng chất.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, quan điểm khoa học ngày càng thay đổi. Ảnh hưởng tiêu cực của các vi sinh vật được mô tả đối với độ phì nhiêu của đất đã được tiết lộ. Vi khuẩn nitrat hóa, tạo thành nitrat, axit hóa môi trường, không phải lúc nào cũng là điều tích cực, và cũng kích thích độ bão hòa của đất với các ion amoni ở mức độ lớn hơn nitrat. Hơn nữa, nitrat có khả năng bị khử thành N2(trong quá trình khử nitơ), do đó dẫn đến cạn kiệt nitơ trong đất.
Sự nguy hiểm của vi khuẩn nitrat hóa là gì?
Một số chủng vi khuẩn nitrobacteria khi có chất nền hữu cơ có thể oxy hóa amoni, tạo thành hydroxylamine, và sau đó là nitrit và nitrat. Ngoài ra, do kết quả của các phản ứng như vậy, axit hydroxamic có thể xảy ra. Hơn nữa, một số vi khuẩn thực hiện quá trình nitrat hóa các hợp chất khác nhau có chứa nitơ (oxim, amin, amit, hydroxamat và các hợp chất nitro khác).
Quy mô của quá trình nitrat hóa dị dưỡng trong những điều kiện nhất định có thể không chỉ rất lớn mà còn rất bất lợi. Điều nguy hiểm nằm ở chỗ, trong quá trình biến đổi đó, sẽ hình thành các chất độc hại, chất gây đột biến và chất gây ung thư. Do đó, các nhà khoa học đang sátđang nghiên cứu chủ đề này.
Bộ lọc sinh học luôn ở trong tầm tay
Vi khuẩn nitrat hóa không phải là một khái niệm trừu tượng, mà là một dạng sống rất phổ biến. Hơn nữa, chúng thường được con người sử dụng.
Ví dụ, những vi khuẩn này là một phần của bộ lọc sinh học cho bể cá. Loại làm sạch này ít tốn kém hơn và không tốn nhiều công sức như làm sạch cơ học, nhưng đồng thời nó yêu cầu tuân thủ các điều kiện nhất định để đảm bảo sự phát triển và hoạt động quan trọng của vi khuẩn nitrat hóa.
Vi khí hậu thuận lợi nhất cho chúng là nhiệt độ môi trường (trong trường hợp này là nước) từ 25-26 độ C, nguồn cung cấp oxy liên tục và sự hiện diện của các loài thực vật thủy sinh.
Vi khuẩn nitrat hóa trong nông nghiệp
Để tăng năng suất, nông dân sử dụng nhiều loại phân bón có chứa vi khuẩn nitrat hóa.
Dinh dưỡng của đất trong trường hợp này được cung cấp bởi vi khuẩn nitrobacteria và azotobacteria. Những vi khuẩn này chiết xuất các chất cần thiết từ đất và nước, tạo thành một lượng năng lượng đủ lớn trong quá trình ôxy hóa. Đây được gọi là quá trình tổng hợp hóa học, khi năng lượng nhận được được sử dụng để tạo thành các phân tử phức tạp có nguồn gốc hữu cơ từ carbon dioxide và nước.
Những vi sinh vật này không yêu cầu chất dinh dưỡng từ môi trường của chúng - chúng có thể tự sản sinh ra chúng. Vì vậy, nếu cây xanh, cũng là cây tự dưỡng, cầnánh sáng mặt trời thì vi khuẩn nitrat hóa không cần thiết.
Đất tự làm sạch
Đất là chất nền lý tưởng cho sự phát triển và sinh sản của không chỉ thực vật mà còn của nhiều sinh vật sống. Do đó, tình trạng bình thường và thành phần cân bằng của nó là vô cùng quan trọng.
Cần nhớ rằng vi khuẩn nitrat hóa cũng cung cấp khả năng làm sạch sinh học cho đất. Chúng ở trong đất, hồ chứa hoặc mùn, chuyển đổi amoniac, được thải ra bởi các vi sinh vật khác và các chất hữu cơ thải thành nitrat (nói chính xác hơn là thành muối của axit nitric). Toàn bộ quá trình bao gồm hai bước:
- Quá trình oxy hóa amoniac thành nitrit.
- Quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat.
Đồng thời, mỗi giai đoạn được cung cấp bởi các loại vi sinh vật riêng biệt.
Cái gọi là vòng luẩn quẩn
Sự luân chuyển năng lượng và duy trì sự sống trên Trái đất có thể thực hiện được là do sự tuân thủ các quy luật nhất định về sự tồn tại của mọi sinh vật. Thoạt nhìn thì khó hiểu chuyện gì đang bị đe dọa, nhưng thực ra mọi thứ khá đơn giản.
Hãy tưởng tượng bức tranh sau đây từ sách giáo khoa:
- Các chất vô cơ được xử lý bởi vi sinh vật và do đó tạo điều kiện thuận lợi trong đất cho sự phát triển và dinh dưỡng của cây trồng.
- Chúng lại là nguồn năng lượng không thể thiếu đối với hầu hết các loài động vật ăn cỏ.
- Chuỗi tiếp theo của liên kết sự sống này là những kẻ săn mồi, năng lượng là,tương ứng là đối tác ăn cỏ của chúng.
- Con người được biết đến là những kẻ săn mồi đỉnh cao, có nghĩa là chúng ta có thể lấy năng lượng từ cả thế giới thực vật và động vật.
- Và cuộc sống của chính chúng ta cũng như những loài động thực vật đó, vẫn còn đóng vai trò là chất nền dinh dưỡng cho vi sinh vật.
Như vậy, một vòng luẩn quẩn có được, liên tục hoạt động và cung cấp sự sống cho tất cả sự sống trên Trái đất. Biết được những nguyên tắc này, không khó để hình dung sức mạnh của thiên nhiên và mọi sinh vật đa dạng và thực sự là vô hạn như thế nào.
Kết
Trong bài viết này, chúng tôi đã cố gắng trả lời câu hỏi vi khuẩn nitrat hóa là gì trong sinh học. Như bạn có thể thấy, bất chấp bằng chứng không thể chối cãi về hoạt động sống, chức năng và ảnh hưởng của các vi sinh vật này, vẫn còn nhiều vấn đề gây tranh cãi cần được nghiên cứu thử nghiệm thêm.
Vi khuẩn nitrat hóa được phân loại là sinh vật tự dưỡng. Các khoáng chất khác nhau đóng vai trò như một nguồn năng lượng cho chúng. Mặc dù có kích thước siêu nhỏ nhưng những sinh vật sống này có tác động rất lớn đến thế giới xung quanh.
Như bạn đã biết, sinh vật hóa dưỡng không thể hấp thụ các hợp chất hữu cơ có trong chất nền (đất hoặc nước). Ngược lại, chúng tạo ra vật liệu xây dựng để tạo ra một tế bào sống và hoạt động.
