Контрольні питання
1. Характеристика збудників спиртового бродіння.
2. Оптимальні умови для спиртового бродіння.
3. Характеристика типових і нетипових збудників молочнокислого бродіння.
4. Яке практичне значення має молочнокисле бродіння?
5. Характеристика збудників маслянокислого, пектинового бродіння, аеробного і анаеробного розкладання клітковини.
6. Характеристика збудників окислення етилового спирту в оцтову кислоту і перетворення вуглеводів в лимонну кислоту.
7. Мікрофлора, що руйнує жири та жирні кислоти.
8. Характеристика процесів окислення вуглеводнів.
Розділ 5 перетворення мікроорганізмами сполук азоту
Азот поряд з такими мінеральними елементами, як сірка, фосфор, залізо, калій та ін., є складовою частиною живої матерії. Великий запас на нашій планеті складає атмосферний молекулярний азот. Масова частка вільного азоту в сухому повітрі 0,755 (75,5%), а його об'ємна частка - 0,781 (78,1%). Над кожним гектаром ґрунту піднімається стовп повітря, в якому зосереджено 80 000 т молекулярного азоту. Рослини не можуть засвоювати цей азот, проте деякі ґрунтові мікроорганізми мають здатність за допомогою ферментів фіксувати атмосферний азот і синтезувати білок. Таким чином, перший етап перетворення азоту в природі полягає в його фіксації мікроорганізмами.
Рис.30. Круговорот азоту
Білковий азот мікроорганізмів, так само як і азот рослин і тварин, після їх загибелі мінералізується в ґрунті великою групою амоніфікуючих бактерій до аміаку. Тому другий етап перетворення азоту носить назву амоніфікації.
На третьому етапі амонійний азот нітрифікуючими бактеріями частково окислюється в нітрати, цей процес отримав назву н і т р і ф і к а ц і ї.
Нарешті, на четвертому етапі нітратний азот деякими видами бактерій за певних умов частково відновлюється до молекулярного азоту – відбувається процес денітрифікації.
Етапи перетворення азоту та роль мікроорганізмів в цих процесах показані на схемі (рис.30).
Фіксація молекулярного азоту
Біологічна фіксація азоту має велике значення у підвищенні родючості ґрунту і врожайності сільськогосподарських культур, а також в економії мінеральних добрив. Вперше азотфіксуючий мікроорганізм був виділений у чисту культуру Н.С.Виноградським (1893). Це був анаеробний, спороутворюючий, паличкоподібний азотфіксатор - Clostridium pasteurianum. Пізніше, у 1901 р., голандський мікробіолог М. Бейєрінг відкрив аеробну азотфіксуючу бактерію Azotobacter. За останній час здатність фіксувати молекулярний азот виявлена у багатьох інших видів бактерій, численних водоростей і ряду ґрунтових грибів.
Відомі дві основні групи азотфіксуючих бактерій: ті, що вільно рухаються в ґрунті і симбіотичні.
З вільнорухаючихся у грунті, азотфіксуючих бактерій найбільший інтерес представляють бактерії роду Clostridium и Azotobacter.
Clostr. pasteurianum - великі товсті палички довжиною 1,5-8,0 мкм з перитріхально розташованими джгутиками, облігатні анаероби. Після утворення спор клітина потовщується в середині або на кінці клітини і приймає форму веретена. Як джерело вуглецевого живлення Clostr. pasteurianum може використовувати моносахариди, дисахариди, деякі полісахариди і органічні кислоти. На 1 г збродженого цукру цей мікроб може пов'язувати до 10-12 мг азоту. Бактерії цього роду для азотного харчування можуть використовувати солі амонію, нітрати, а при дефіциті азоту засвоюють молекулярний азот.
Здатністю фіксувати атмосферний азот володіють і інші види роду Clostridium (Clostr. Pectinоvorum, Clostr. Felsineum, Clostr. Butyricum та ін.).
Після відкриття М. Бейєринком аеробного азотфіксатора - Azotobacter chroococcum, що зв'язує молекулярний азот, був описаний ряд інших видів азотобактера Az. vinelandii, Az. beierinckii, Az. agile та ін.. (рис. 31). Ці види мають багато спільних ознак, але різняться між собою за деякими морфологічними ознаками та обміном речовин. Розміри клітин азотобактера коливаються в межах 2,0-7,0 X 1,0-2,5 мкм, у молодому віці вони паличкоподібні, рухомі, а потім перетворюються в великі коки, вкриваються капсулою і продукують пігмент. Змінюючи склад середовища при вирощуванні азотобактера, можна викликати зміну його морфології. Всі види азотобактера - аероби, гетеротрофи. Вони можуть асимілювати азот із солей амонію, нітритів, нітратів і амінокислот, а за відсутності пов'язаних форм азоту фіксують молекулярний азот.
Як джерело вуглецю азотобактер використовує різні цукри (гексози, пентози), одноатомні та багатоатомні спирти (метиловий, етиловий, бутиловий, гліцерин) і органічні кислоти (оцтову, масляну та ін.)
Зустрічається азотобактер лише в ґрунтах з рН від 5,8 до 8,5. Оптимальна температура для його розвитку 28 ° С. Якщо в ґрунті знаходяться доступні джерела зв’язаного азоту, азотобактер використовує їх, а якщо цих джерел немає, то він фіксує молекулярний азот атмосфери. За даними М.В.Федорова, засвоєння вільного азоту азотобактером здійснюється за участі фермента нітрогеноксидази.
Для нормального росту клітин і фіксації молекулярного азоту азотобактер потребує фосфору, кальцію, сірки, заліза, калію і деяких мікроелементів, особливо в молібдені та борі.
У тілі азотобактера фіксований молекулярний азот акумулюється у вигляді білкових сполук. Відмираючи в ґрунті, клітини мінералізують, і накопичений в них азот стає доступним рослинам.
Азотобактер синтезує також ростові речовини (типу ауксинів), що стимулюють ріст і розвиток рослин, вітаміни (біотин, інозит, тіамін, піридоксин та ін..)
Рис.32.
Клубеньки на коренях люпину.
Останнім часом встановлено, що багато ґрунтових мікроорганізмів також володіють здатністю зв’язувати атмосферний азот. Так, описані азотфіксатори з сімейства Pseudomonadaceae, Spirilaceae, Rhizobiaceae, Enterobacteriaceae та ін.
Азотфіксуюча здатність встановлена і у деяких мікробактерій, актиноміцетів, проактиноміцетів і в окремих грибів. Функція азотозасвоєння поширена і серед синьо-зелених водоростей. До теперішнього часу така здатність зареєстрована майже у 40 видів цих організмів. Це різні види родів Anabaena, Nostos, Calothrix та ін.
Симбіотична фіксація азоту. Вільний азот атмосфери пов'язується і накопичується в ґрунті також особливими бактеріями, представленими їх симбіотичними асоціаціями з вищими рослинами. На коренях бобових рослин можна побачити бородавчасті круглі здуття, наповнені білим каламутним соком - бульбочки(рис. 32). У гороху, конюшини, вики бульбочки утворюються на дрібних розгалуженнях коренях, у люпину вони знаходяться на головному корені.
М. С. Вороніним (1865) і М. Бейєринком (1888) було встановлено, що молекулярний азот засвоюється бактеріями що живуть в бульбочках. Звідси їх і називають бульбочковими. Після виділення бульбочкових бактерій в чисту культуру М. Бейеринком вони були названі Bacillus radiciсola, через рік А. Пражмовським перейменовані в Bacterium radicicola. Одночасно Франк запропонував назвати бульбочкові бактерії Rhizobium. Цією назвою в літературі користуються досі.
Молоді бульбочкові бактерії мають форму паличок розміром приблизно 0,5-0,9 X 1,2-3,0 мкм, рухливі. Бактерії як в середовищах, так і в бульбочках формують потовщення, розгалужені, грушоподібні або сферичні утворення, які значно крупніші звичайних клітин бульбочкових бактерій (1,2-1,6 Х 2,0-4,0 мкм). Такі форми бактерій отримали назву бактероїдів.
Оптимальна температура для росту бульбочкових бактерій 24-26 ° С. Всі бульбочкові бактерії грамнегативні, гетеротрофи, енергетичними джерелами для них служать вуглеводи рослин. Азот вони фіксують з атмосфери. Легко засвоюють моносахариди і дисахариди, гірше - полісахариди. Крім того, ці бактерії можуть використовувати в їжу і багатоатомні спирти.
Деякі представники бульбочкових бактерій при використанні вуглеводів утворюють слизисті речовини, що містять стимулятори росту (біотин). Ці слизові речовини захищають бактерії від ураження бактеріофагами та слугують джерелами вуглецю для деяких рас бульбочкових бактерії.
Бульбочкові бактерії можуть використовувати і різноманітні сполуки азоту. Дуже сприятливо впливає на їх ріст нітратний азот, хоча вони здатні засвоювати аміачний азот, пептони та амінокислоти.
Крім необхідних макроелементів (фосфор, калій, кальцій), бульбочкові бактерії потребують мікроелементах (залізо, молібден, бор та ін.)
У бульбочкових бактерій різко виражена видова специфічність (вибірковість) по відношенню до різноманітних бобових рослин. Кожному виду бобових рослин відповідає своя, особлива раса бактерій. Мікроб, що виділений з гороху, не приживається на коренях конюшини або люцерни, та навпаки.
У практиці заслуговують на увагу шість різновидностей бульбочкових бактерій, специфічних для визначених рослин.
Rhizobium trifoli - Утворюють бульби на коренях білого, червоного та інших видів конюшини.
Rhizobium japonicum - Формує бульбочки на коренях сої.
Rhizobium phaseoli - Утворює бульбочки на коренях квасолі.
Rhizobium meliloti - Живе на коренях люцерни та буркуну.
Rhizobium leguminosarum - Характерна культура бульбочок коренів гороху, вики, чини та нуту.
R uzabium lupini – утворює бульбочки на коренях люпину.
Бульбочкові бактерії проникають в тканину кореня бобових рослин крізь кореневі волоски. По мірі просування по кореневому волоску бактерії огортаються слизом, який виділяється і утворюють довгі слизисті нитки або тяжі, що нагадують міцелій гриба. Ці утворення отримали назву інфекційних ниток. Вони глибоко проникають у коріння рослин, де бактерії інтенсивно розмножуються і стимулюють швидкий поділ клітин навколо бактеріального вогнища, що й призводить до утворення бульбочки.
В тканинах бобових рослин бульбочкові бактерії розмножуються різними способами: в інфекційних нитках - діленням перегородкою, в цитоплазмі рослин-як ізоморфним (схожі за формою), так і гетероморфним діленням і брунькуванням (В.К.Шильникова, А.А.Авакян, Н.І.Коркіна, 1969).
Бульбочкові бактерії можуть жити не тільки в бульбах бобових рослин, але і самостійно в ґрунті. Іноді вдавалося виділити різні раси цих бактерій з ґрунту, на якому багато років не вирощувалися бобові рослини (М.В.Федоров).
На розвиток бульбочкових бактерій впливає реакція ґрунту. Так, ґрунту з рН нижче 6,0 містять менше бактерій, ніж ґрунти, близькі до нейтральних або лужних. Значне зниження чисельності Rhizobium в ґрунті спостерігається взимку. Навесні з підвищенням температури ґрунту починається швидке розмноження бульбочкових бактерій. Характер взаємовідносин між бульбочковими бактеріями і бобовими рослинами говорить на користь симбіозу. Бобові постачають бульбочковим бактеріям вуглеводи та мінеральні солі, а фіксований цими бактеріями азот надходить в надземні органи рослини. Численними дослідженнями доведено, що у бульбочкових бактерій біохімічні реакції фіксації азоту аналогічні азотобактеру.
Бульбочкові бактерії можуть накопичити за період вегетації 100-200 кг азоту на 1 га.
Фіксувати атмосферний азот можуть також бактерії, що живуть в бульбочках на коренях лоха, обліпихи, сосни, вільхи променистої і ряду інших рослин. Здатні до фіксації азоту і бактерії, що живуть у вузлах листя деяких тропічних чагарників.