Превращения азотсодержащих веществ

Превращения азота и азотсодержащих соединений достаточно сложны. Некоторые бактерии способны фиксировать атмосферный азот (растениям он недоступен), растения превращают его в растительный белок, который животными превращается в животный белок и далее по истечении определенного времени возвращается в почву с растительными и животными остатками, которые разлагают разнообразные микроорганизмы. Образующиеся аминокислоты разлагаются с выделением аммиака, окисляющегося особыми бактериями (нитрификаторами) до нитратов и нитритов, которые в свою очередь восстанавливаются определенными бактериями (денитрификатрами) до газообразного азота. Нитрификация — это процесс окисления кислородом воздуха аммонийного азота до нитритов и нитратов, денитрификация — процесс восстановления нитритов и нитратов до свободного азота, который и выделяется в атмосферу.

Небольшую часть азота из воздуха связывают свободноживущие бактерии или симбионты растений, что обогащает азотом почву и дает питание растениям. Процесс разложения азотсодержащих соединений, в том числе белков, микроорганизмами до аммиака называется минерализацией азота, или аммонификацией. В состав белков входит 20 аминокислот, по составу белки бывают простые (при гидролизе образуются только аминокислоты) и сложные, типа нуклеопротеидов, липопротеидов и др., при гидролизе которых образуются аминокислоты и другие органические и неорганические вещества.

Среди процессов, осуществляемых микроорганизмами по превращениям азотсодержащих веществ, наиболее важное занимает гниение. Гниение — процесс глубокого разложения белковых веществ микроорганизмами. Очень часто под определением «гниение» подразумевают самые разные процессы, но гниением является только разложение белков. Некоторые микробы разлагают сами белки, другие — «умеют» только разлагать аминокислоты.

Продукты разложения белковых веществ микроорганизмы используют в качестве продуктов питания и в качестве источника энергии при дальнейшем разложении. Белки разлагают аэробные и анаэробные бактерии, актиномицеты и грибы. Особенно активными являются следующие бактерии: семейство Pseudomonadaceae, род Pseudomonas (P.jluorescens, Р. aeruginosa), семейство Bacilliaceae, роды Bacillus (В. mycoides, В. cereus, В. suhtilis) и Clostridium (С. sporogenes, С. putrijicus), семейство Enterobacteriaceae, род Proteus (Р. vulgaris) и др.

Гниение — сложный многоступенчатый биохимический процесс. Крупные белковые молекулы не могут проникнуть в микробные клетки, поэтому их использовать могут только микроорганизмы, обладающие экзопротеазами и выделяющие их в окружающую клетку среду. Процесс распада белков начинается с их гидролиза на пептоны и пептиды, которые далее расщепляются с помощью пептидаз до аминокислот.

Многие микроорганизмы используют аминокислоты, а могут и дезаминировать их с образованием аммиака и разнообразных соединений. Дезаминированием называется процесс расщепления аминокислот с отсоединением аммиака. Различают дезаминирование гидролитическое (с образованием оксикислот и аммиака), окислительное (образуются кетокислоты и аммиак) и восстановительное (образуются кислоты и аммиак).

Среди продуктов разложения аминокислот обнаруживаются различные соединения: кислоты (уксусная, масляная, муравьиная, нропионовая, и др.), спирты (амиловый, бутиловый, пропиловый и др.) и пр. После дезаминирования углеродный остаток подвергается воздействию микроорганизмов в аэробных или анаэробных условиях до образования углекислого газа и органических соединений.

Конечными продуктами гниения в аэробных и анаэробных условиях являются разные вещества. При доступе кислорода это вода, углекислый газ, аммиак, сероводород и соли фосфорной кислоты. В анаэробных условиях, из-за того что полного окисления промежуточных продуктов распада аминокислот не происходит, в среде кроме аммиака, диоксида углерода, сероводорода накапливаются различные органические соединения. Они придают гниющему материалу отвратительный запах. Кроме аммиака и углекислого газа образуются дурно пахнущие скатол, индол, фенол, крезол. При распаде серосодержащих аминокислот образуются сероводород и его производные — меркаптаны, обладающие запахом тухлых яиц. При гниении образуются так называемые трупные яды, в состав которых входят кадаверин, путресцин и другие амины (птомаины).

Микроорганизмы, вызывающие процесс гниения, называют гнилостными. Большинство гнилостных — бактерии, среди которых есть спорообразующие и бесспоровые, аэробные и анаэробные. Многие гнилостные — мезофилы, но есть психрофилы и термофилы. Далее дана краткая характеристика наиболее распространенных гнилостных микроорганизмов.

Bacillus subtilis (старые названия — сенная и картофельная палочки) — аэробные бактерии, подвижные, грамноложительные, с термоустойчивыми спорами (рис. 5.20). Пределы для развития — от 5 до 55 °C, при оптимуме 35—45°С. Способны не только разлагать белки, но и использовать пектины, полисахариды, углеводы. Эти микроорганизмы очень широко распространены в природе, являются возбудителями порчи многих продовольственных товаров.

Рис. 520. Bacillus subtilis

Pseudomonas (псевдомонас) — аэробные бактерии, палочковидные, подвижные, грамотрицательные, не образующие спор, но образующие слизь, многие виды холодоустойчивы — до -5°С, при оптимуме 20 °C (рис. 5.21). Многие псевдомонасы способны к протеолизу и липолизу, хорошо сбраживают углеводы. Условия pH ниже 5,5 и концентрация поваренной соли более 5% в субстрате неблагоприятны для этих микроорганизмов. Широко распространены в природе, многие являются антибиотикообразователями. Отдельные виды Pseudomonas являются возбудителями бактериозов культурных растений, плодоовощных товаров.

Рис. 5.21. Pseudomonas (х900).

Proteus vulgaris (протей) — мелкие грамотрицательные, полиморфные, подвижные, бесспоровые палочки с резко выраженными гнилостными свойствами, факультативные анаэробы, сбраживают углеводы с образованием кислот и газов, пределы для развития — от 5 до 50 °C при оптимуме 25—37°С. Некоторые виды протеев выделяют токсические для человека вещества.

Clostridium putrificum (клостридиум путрификум) — анаэробные, подвижные палочки с термоустойчивыми спорами, оптимум для развития — 37—43°С, минимальная температура — 5 °C; не сбраживают углеводы, разлагают белки с образованием большого количества газов: аммиака (NII₃), сероводорода (H₂S).

Clostridium sporogenes (клостридиум спорогенес) — анаэробные, подвижные палочковидные бактерии с термоустойчивыми спорами, не только разлагают белки, но и обладают липолитическими способностями и сбраживают углеводы с образованием кислоты и газа, температурный оптимум для развития — 35—40°С, минимум — около 5 °C.

Гнилостные микроорганизмы вызывают порчу белоксодержащих товаров (мясных, рыбных, яйцеиродуктов и др.). Но в круговороте веществ в природе эти микроорганизмы играют огромную положительную роль, минерализуя белковые вещества, попадающие в почву, воду.

Кроме гниения, микроорганизмы принимают и другое участие в превращении азотсодержащих веществ в природе.

Разложение мочевины. Мочевина — продукт жизнедеятельности многих макроорганизмов, которые за год на земле синтезируют до 30 млн т мочевины. Это соединение является хорошим удобрением, так как содержит до 46% азота. Микроорганизмы, содержащее фермент уреазу, способны превращать мочевину в нестойкую углеаммиачную соль, которая быстро разлагается на аммиак, углекислый газ и воду. Бактерии, разлагающие мочевину, называют уробактериями, примерами являются Micrococcus urea и Bacillus pasteurii.

Нитрификация — процесс последовательного окисления микроорганизмами аммиака до азотистой, а затем до азотной кислоты. Его возбудители — нитрифицирующие бактерии, или нитрификаторы, принадлежащие семейству Nitrobacteriaceae. С. Н. Виноградский установил (1890 г.), что процесс нитрификации двухфазный, на каждой из фаз действуют особые аэробные бактерии: нитрозные бактерии (Nitromonas и др.) окисляют аммиак до солей азотистой кислоты (нитритов) и далее нитратные бактерии {Nitrobacter и др.) окисляют нитриты (соли азотистой кислоты) в нитраты (соли азотной кислоты). Это почвенные бактерии, живут они и в природных водоемах, обогащая среду обитания нитратами, которые являются лучшим источником азотистого питания для растений. Оптимальная температура для развития этих бактерий — 25—30°С, но есть и психрофилы, pH 7,5—8,0; это облигатные аэробы.

Денитрификация — процесс восстановления нитратов и нитритов в молекулярный азот или оксид азота. Его осуществляют денитрифицирующие бактерии. Это факультативные анаэробы, которые в анаэробных условиях восстанавливают нитраты до молекулярного азота, хотя не все — многие микроорганизмы восстанавливают нитраты только до нитритов. Интересно, что в аэробных условиях эти бактерии способны переходить на аэробный тип дыхания, а нитраты являются для них источником азота.

В процессе денитрификации микроорганизмы используют нитраты как окислители органических веществ (вместо молекулярного кислорода), что обеспечивает их энергией. Денитрификацию также называют нитратным дыханием, при котором органические вещества окисляются до углекислого газа, воды и азота (в газообразной форме). Денитрифицирующие бактерии встречаются в почве, воде. Только в почве их деятельность отрицательна, особенно в анаэробных условиях, так как азот нитратов, усваиваемый растениями, переходит в свободный азот, который растения использовать не могут.

Но в природе все находится в равновесии, и существуют бактерии, способные фиксировать свободный атмосферный азот. Азот составляет 78% воздуха, это инертный элемент и в свободном состоянии недоступен живым организмам. Единственными организмами, способными к азотфиксации, являются некоторые бактерии (эубактерии и архебактерии). Эти микроорганизмы, некоторые самостоятельно (они живут свободно в почве и в воде), а некоторые в симбиозе с высшими растениями, превращают молекулярный азот в органические соединения. Примерами свободных азотфиксаторов являются многие клостридии, такие как Clostridium pasteurianum, С. buturicum, С. pectinovorum и др.; бактерии родов Azotobacter, Azomonas и многие другие.

Многие бактерии осуществляют процессы азотфиксации, находясь в определенных взаимоотношениях (ассоциациях) с растениями. От растений (в виде корневых выделений и самих растений после гибели) им поступают источники углерода и энергии в виде сахаров, органических кислот и др. Под растениями или на их корнях развиваются многие микроорганизмы, в том числе энтеробактерии, бациллы, исевдомонасы и др.

Особыми азотфиксаторами являются клубеньковые бактерии. Они поселяются в особых бородавчатых вздутиях на корнях растений — клубеньках, что и дало название этим бактериям (рис. 5.22). Бактерии в этих клубеньках используют для питания органические соединения, которые синтезирует растение, а растение получает из клубеньков связанные соединения азота. Такие симбиотические отношения являются взаимовыгодными, клубеньковые бактерии обнаружены на корнях различных бобовых растений. Но и на многих не бобовых растениях существуют корневые клубеньки, способные связывать молекулярный азот. Симбионтами растений являются некоторые актиномицеты и бактерии.

Рис. 5.22. Клубеньки на корнях люпина (а) и разрез клубенька (б), стрелками указаны клетки бактерий Интересны исследования, позволившие установить наличие на активной части корней многих деревьев, и лиственных, и хвойных, грибного мицелия. Корни растений и гифы гриба образуют сложный комплекс, называемый микоризой (от греч. mykes — гриб + rhiza — корень, что в переводе означает грибной корень). Грибы-микоризообразователи усиливают и улучшают питание растений (самыми разными веществами, в том числе фосфором, железом и др.), что приводит к хорошему развитию корней и наземной части растения. Азотфиксирующие бактерии имеют большое значение, в результате их деятельности почва обогащается доступной для растений формой азотистого питания.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Что представляет собой спиртовое брожение и какие микроорганизмы являются его возбудителями?
• 2. Как различаются молочнокислые микроорганизмы по способности вызывать молочнокислое брожение?
• 3. Укажите, где встречаются пронионовокислые бактерии в природе.
• 4. Что представляет собой маслянокислое брожение и какие бактерии являются его возбудителями?
• 5. Какие виды порчи потребительских товаров вызывают молочнокислые и маслянокислые бактерии?
• 6. Какие углеводы и в каких условиях разлагают микроорганизмы?
• 7. Какие микроорганизмы способны разлагать углеводород?
• 8. Какую роль в природе играют жирорасщепляющие микроорганизмы?
• 9. Какие микроорганизмы и в каких условия способны разрушать целлюлозу?
• 10. Назовите особенности использования азота и азотных соединений микроорганизмами.