Secondo il tipo di alimentazione, tutti gli organismi viventi conosciuti sono divisi in due grandi tipi: eterotrofi e autotrofi. Una caratteristica distintiva di questi ultimi è la loro capacità di costruire autonomamente nuovi elementi dall'anidride carbonica e da altre sostanze inorganiche.
Le fonti di energia che supportano la loro attività vitale determinano la loro divisione in fotoaftotrofi (la fonte è la luce) e chemioautotrofi (la fonte sono i minerali). E a seconda del nome del substrato ossidato dai chemioautofiti, si dividono in idrogeno e batteri nitrificanti, oltre a batteri solforati e ferrosi.
Questo articolo sarà dedicato al gruppo più comune tra loro: i batteri nitrificanti.
Cronologia delle scoperte
Anche a metà del 19° secolo, gli scienziati tedeschi hanno dimostrato che il processo di nitrificazione è biologico. Empiricamente, hanno dimostrato che quando il cloroformio è stato aggiunto alle acque reflue, l'ossidazione dell'ammoniaca si è interrotta. Ma per spiegare perché questo accade, non lo fannopotrebbe.
Ciò è stato fatto pochi anni dopo dallo scienziato russo Vinogradsky. Ha identificato due gruppi di batteri che gradualmente hanno preso parte al processo di nitrificazione. Pertanto, un gruppo ha assicurato l'ossidazione dell'ammonio in acido nitroso e il secondo gruppo di batteri è stato responsabile della sua conversione in acido nitrico. Tutti i batteri nitrificanti coinvolti in questo processo sono Gram-negativi.
Caratteristiche del processo di ossidazione
Il processo di formazione dei nitriti mediante ossidazione dell'ammonio ha diverse fasi, durante le quali si formano composti contenenti azoto con diversi gradi di ossidazione del gruppo NH.
Il primo prodotto dell'ossidazione dell'ammonio è l'idrossilammina. Molto probabilmente, si forma a causa dell'inclusione dell'ossigeno molecolare nel gruppo NH4, sebbene questo processo non sia stato definitivamente dimostrato e rimanga discutibile.
Successivamente, l'idrossilammina viene convertita in nitrito. Presumibilmente, il processo avviene attraverso la formazione di NOH (iponitrito) con rilascio di protossido di azoto. In questo caso, gli scienziati considerano la produzione di protossido di azoto solo un sottoprodotto della sintesi, dovuto alla riduzione dei nitriti.
Oltre alla produzione di elementi chimici, durante la denitrificazione viene rilasciata una grande quantità di energia. Analogamente a quanto accade negli organismi aerobici eterotrofi, in questo caso la sintesi di molecole di ATP è associata a processi redox, a seguito dei quali gli elettroni vengono trasferiti all'ossigeno.
Quando il nitrito viene ossidato, il processo di trasporto inverso gioca un ruolo importanteelettroni. L'inclusione dei suoi elettroni nella catena avviene direttamente nei citocromi (tipo C e/o tipo A), e ciò richiede una quantità di energia abbastanza grande. Di conseguenza, i batteri nitrificanti chemioautotrofi sono completamente forniti della necessaria riserva di energia, che viene utilizzata per i processi di costruzione e assimilazione dell'anidride carbonica.
Tipi di batteri nitrificanti
Quattro generi di nitrobatteri prendono parte alla prima fase della nitrificazione:
- nitrosomonas;
- nitrocisti;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
A proposito, puoi vedere i batteri nitrificanti nell'immagine suggerita (foto al microscopio).
Sperimentalmente, tra di loro è abbastanza difficile, e spesso del tutto impossibile, individuare una delle culture, quindi la loro considerazione è prevalentemente complessa. Tutti i microrganismi elencati hanno dimensioni fino a 2-2,5 micron e sono prevalentemente di forma ovale o rotonda (ad eccezione della nitrospira, che ha la forma di un bastoncino). Sono capaci di fissione binaria e movimento diretto dovuto ai flagelli.
Partecipa alla seconda fase di nitrificazione:
- genere Nitrobacter;
- tipo nitrospin;
- nitrococco.
Il ceppo batterico più studiato del genere Nitrbacter, dal nome del suo scopritore Vinogradsky. Questi batteri nitrificanti hanno cellule a forma di pera, che si moltiplicano per gemmazione, con la formazione di una cellula figlia mobile (a causa del flagello).
Struttura dei batteri
I batteri nitrificanti studiati hanno una struttura cellulare simile a quella di altri microrganismi gram-negativi. Alcuni di essi hanno un sistema abbastanza sviluppato di membrane interne che formano una pila al centro della cellula, mentre in altri si trovano più alla periferia o formano una struttura a forma di coppa, costituita da più foglie. Apparentemente, è a queste formazioni che sono associati gli enzimi coinvolti nel processo di ossidazione di substrati specifici da parte dei nitrificanti.
Tipo di cibo per batteri nitrificanti
I nitrobatteri sono autotrofi obbligati, poiché non sono in grado di utilizzare sostanze organiche esogene. Tuttavia, la capacità di alcuni ceppi di batteri nitrificanti di utilizzare alcuni composti organici è stata dimostrata sperimentalmente.
È stato riscontrato che il substrato contenente autolisati di lievito, serina e glutammato a basse concentrazioni, stimolava la crescita dei nitrobatteri. Ciò si verifica sia in presenza di nitrito che in sua assenza nel mezzo nutritivo, sebbene il processo sia molto più lento. Al contrario, in presenza di nitrito, l'ossidazione dell'acetato è soppressa, ma l'incorporazione del suo carbonio nelle proteine, nei vari aminoacidi e in altri componenti cellulari aumenta in modo significativo.
Come risultato di molteplici esperimenti, sono stati ottenuti dati che i batteri nitrificanti possono ancora passare alla nutrizione eterotrofica, ma resta da vedere quanto produttivamente e per quanto tempo possano esistere in tali condizioni. Finché i dati sono sufficientiincoerente per trarre conclusioni finali su questo argomento.
Habitat e importanza dei batteri nitrificanti
I batteri nitrificanti sono chemioautotrofi e sono ampiamente distribuiti in natura. Si trovano ovunque: nel terreno, vari substrati e corpi idrici. Il processo della loro attività vitale dà un grande contributo al ciclo generale dell'azoto in natura e infatti può raggiungere proporzioni enormi.
Ad esempio, un microrganismo come il nitrocystis oceanus, isolato dall'Oceano Atlantico, appartiene agli alofili obbligati. Può esistere solo nell'acqua di mare o nei substrati che la contengono. Per tali microrganismi, non solo l'habitat è importante, ma anche costanti come il pH e la temperatura.
Tutti i batteri nitrificanti conosciuti sono classificati come aerobi obbligati. Hanno bisogno di ossigeno per ossidare l'ammonio in acido nitroso e l'acido nitroso in acido nitrico.
Condizioni dell'habitat
Un altro punto importante che gli scienziati hanno identificato è che il luogo in cui vivono i batteri nitrificanti non dovrebbe contenere materia organica. È stata avanzata la teoria secondo cui questi microrganismi, in linea di principio, non possono utilizzare composti organici dall'esterno. Sono stati anche chiamati autotrofi obbligati.
Successivamente, l'effetto dannoso di glucosio, urea, peptone, glicerina e altre sostanze organiche sui batteri nitrificanti è stato ripetutamente dimostrato, ma gli esperimenti non si fermano.
L'importanza dei batteri nitrificanti persuolo
Fino a poco tempo si credeva che i nitrificanti avessero un effetto benefico sul suolo, aumentandone la fertilità scomponendo l'ammonio in nitrati. Questi ultimi non solo sono ben assorbiti dalle piante, ma aumentano anche da soli la solubilità di alcuni minerali.
Tuttavia, negli ultimi anni, le opinioni scientifiche sono cambiate. È stato rivelato l'effetto negativo dei microrganismi descritti sulla fertilità del suolo. I batteri nitrificanti, formando nitrati, acidificano l'ambiente, cosa non sempre positiva, e provocano anche la saturazione del suolo con ioni ammonio in misura maggiore rispetto ai nitrati. Inoltre, i nitrati hanno la capacità di essere ridotti a N2 (durante la denitrificazione), che a sua volta porta all'esaurimento del suolo in azoto.
Qual è il pericolo dei batteri nitrificanti?
Alcuni ceppi di nitrobatteri in presenza di un substrato organico possono ossidare l'ammonio, formando idrossilammina, e successivamente nitriti e nitrati. Inoltre, come risultato di tali reazioni, possono verificarsi acidi idrossamici. Inoltre, numerosi batteri effettuano il processo di nitrificazione di vari composti che contengono azoto (ossime, ammine, ammidi, idrossammati e altri nitrocomposti).
La scala della nitrificazione eterotrofica in determinate condizioni può essere non solo enorme, ma anche molto dannosa. Il pericolo sta nel fatto che nel corso di tali trasformazioni si verifica la formazione di sostanze tossiche, mutagene e cancerogene. Pertanto, gli scienziati sono da vicinostanno lavorando per studiare questo argomento.
Filtro biologico sempre a portata di mano
I batteri nitrificanti non sono un concetto astratto, ma una forma di vita molto comune. Inoltre, sono spesso usati dagli esseri umani.
Ad esempio, questi batteri fanno parte dei filtri biologici per acquari. Questo tipo di pulizia è meno costoso e non laborioso come la pulizia meccanica, ma allo stesso tempo richiede il rispetto di determinate condizioni al fine di garantire la crescita e l'attività vitale dei batteri nitrificanti.
Il microclima più favorevole per loro è la temperatura ambiente (in questo caso l'acqua) dell'ordine di 25-26 gradi Celsius, un costante apporto di ossigeno e la presenza di piante acquatiche.
Batteri nitrificanti in agricoltura
Per aumentare i raccolti, gli agricoltori utilizzano vari fertilizzanti contenenti batteri nitrificanti.
L'alimentazione del suolo in questo caso è fornita da nitrobatteri e azotobatteri. Questi batteri estraggono le sostanze necessarie dal suolo e dall'acqua, che formano una quantità sufficientemente grande di energia durante il processo di ossidazione. Questo è il cosiddetto processo di chemiosintesi, quando l'energia ricevuta viene utilizzata per formare molecole complesse di origine organica da anidride carbonica e acqua.
Questi microrganismi non richiedono nutrienti dal loro ambiente: possono produrli da soli. Quindi, se servono piante verdi, che sono anche autotrofiluce solare, allora non è necessario per i batteri nitrificanti.
Terreno autopulente
Il suolo è un substrato ideale per la crescita e la riproduzione non solo delle piante, ma anche di molti organismi viventi. Pertanto, le sue condizioni normali e la sua composizione equilibrata sono estremamente importanti.
Va ricordato che i batteri nitrificanti forniscono anche la pulizia biologica del suolo. Essi, trovandosi nel terreno, nei serbatoi o nell'humus, convertono l'ammoniaca, che viene rilasciata da altri microrganismi e materiali organici di scarto, in nitrati (per essere più precisi, in sali di acido nitrico). L'intero processo consiste in due passaggi:
- Ossidazione dell'ammoniaca a nitrito.
- Ossidazione di nitriti in nitrati.
Allo stesso tempo, ogni stadio è fornito da tipi separati di microrganismi.
Il cosiddetto circolo vizioso
La circolazione dell'energia e il mantenimento della vita sulla Terra sono possibili grazie all'osservanza di alcune leggi dell'esistenza di tutti gli esseri viventi. A prima vista è difficile capire quale sia la posta in gioco, ma in re altà è tutto abbastanza semplice.
Immaginiamo la seguente immagine da un libro di testo scolastico:
- Le sostanze inorganiche vengono trasformate da microrganismi e creano così condizioni favorevoli nel terreno per la crescita e la nutrizione delle piante.
- Loro, a loro volta, sono una fonte di energia indispensabile per la maggior parte degli erbivori.
- La prossima catena di questo anello vitale sono i predatori, la cui energia è,rispettivamente, le loro controparti erbivore.
- Le persone sono note per essere predatori all'apice, il che significa che possiamo ottenere energia sia dal mondo vegetale che da quello animale.
- E già la nostra stessa vita rimane, così come quelle stesse piante e animali, servono come substrato nutritivo per i microrganismi.
Così, si ottiene un circolo vizioso, che funziona continuamente e fornisce vita a tutta la vita sulla Terra. Conoscendo questi principi, non è difficile immaginare quanto sia multiforme e in re altà illimitato il potere della natura e di tutti gli esseri viventi.
Conclusione
In questo articolo, abbiamo cercato di rispondere alla domanda su cosa sono i batteri nitrificanti in biologia. Come puoi vedere, nonostante le prove inconfutabili dell'attività vitale, del funzionamento e dell'influenza di questi microrganismi, ci sono ancora molte questioni controverse che richiedono ulteriori ricerche sperimentali.
I batteri nitrificanti sono classificati come chemiotrofi. Vari minerali servono come fonte di energia per loro. Nonostante le loro dimensioni microscopiche, questi organismi viventi hanno un enorme impatto sul mondo che li circonda.
Come sai, i chemiotrofi non possono assorbire i composti organici presenti nel substrato (suolo o acqua). Al contrario, producono il materiale da costruzione per creare una cellula viva e funzionante.
