Превращение микроорганизмами азотсодержащих органических веществ

Азот – важнейший элемент, определяющий урожайность сельскохозяйственных структур и продуктивность водоёмов. На образование растительных клеток ежегодно требуется около 1,5 млрд. тонн азота в форме доступных растениям азотистых соединений. Но растения часто испытывают азотный голод вследствие того, что только очень небольшая часть азота находится в доступной для растений форме.

Особый интерес представляет превращение микроорганизмами соединений азота в почве и водоёме – это процессы аммонификации (превращение органического азота в минеральную форму); нитрификации (окисление аммиака сначала в азотистую, а затем в азотную кислоту за счёт нитрифицирующих бактерий); азотфиксации (усвоение молекулярного азота азотфиксирующими бактериями, его связывание с другими элементами и перевод в органические соединения); денитрификации (восстановление нитритов и нитратов до свободного азота или аммония).

Аммонификация белковых веществ (гниение)

- процесс глубокой минерализации (разложения) белковых веществ (белков тканей отмерших животных, растений), протекающий с выделением АММИАКА или образованием АММОНИЙНЫХ СОЛЕЙ.

Химизм разложения белковых веществ

Микроорганизмы, осуществляющие аммонификацию белковых веществ, называются ГНИЛОСТНЫМИ - широко распространены в природе – встречаются в воде, воздухе, почве.

Белковые вещества, относящиеся к высокомолекулярным соединениям, не могут усваиваться бактериальной клеткой в неизменном виде. Поэтому расщепление белков происходит вначале за пределами микробной клетки под воздействием ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ микробов – ЭКЗОПРОТЕАЗ в несколько этапов в результате ГИДРОЛИЗА:

БЕЛОК → ПЕПТОНЫ → ПОЛИПЕПТИДЫ → АМИНОКИСЛОТЫ.

Образующиеся при расщеплении аминокислоты диффундируют внутрь микробной клетки и могут использоваться микроорганизмами в качестве ИСТОЧНИКА УГЛЕРОДА и АЗОТА для СИНТЕЗА КЛЕТОЧНОГО ВЕЩЕСТВА, в качестве ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА или подвергаться ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЮ или ДЕЗАМИНИРОВАНИЮ.

ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ аминокислот сопровождается отщеплением аминогруппы, из которой образуется АММИАК и разнообразные ОРГАНИЧЕСКИЕ КИСЛОТЫ (уксусная, муравьиная, масляная), ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПИРТЫ.

Дальнейшая судьба азотистых и безазотистых органических соединений, получающихся при распаде различных аминокислот, зависит от окружающих условий и состава микрофлоры.

В АЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ под воздействием аэробных микроорганизмов процесс гниения протекает интенсивно вплоть до полной минерализации белковых веществ – образуется аммиак и частично молекулярный азот, углекислый газ, сульфаты, вода, соли фосфорной кислоты и другие простые соединения.

В АЭРОБНЫХ условиях ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ полностью окисляются с образованием в качестве конечных продуктов (кроме аммиака) УГЛЕКИСЛОТЫ, ВОДЫ, СЕРОВОДОРОДА и иногда МЕРКАПТАНОВ, обладающих запахом тухлых яиц.

Сероводород и меркаптаны образуются из серосодержащих аминокислот – цистина, цистеина, метионина.

В АНАЭРОБНЫХ условиях полного окисления ЖИРНЫХ КИСЛОТ не происходит, и они накапливаются в среде.

Из АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ (фенилаланин, тирозин, триптофан) образуются дурно пахнущие вещества – ИНДОЛ, СКАТОЛ, ФЕНОЛ (индол и скатол образуются обычно из триптофана).

1. Гидролитическое дезаминирование - образование гидроксикислот и аммиака:

RCHNH₂COOH + Н₂О → RCHOHCOOH + NH₃

Если при этом происходит и декарбоксилирование аминокислоты, то образуется спирт, аммиак и углекислый газ:

RCHNH₂COOH + H₂О → RCH₂OH + CO₂ + NH₃

2. Восстановительное дезаминирование – образование карбоновых кислот и аммиака:

RCHNH₂COOH + 2Н → RCH₂COOH + NH₃

3. Окислительное дезаминирование - образуются кетокислоты и аммиак:

RCHNH₂COOH + О₂ → RCOCOOH + NH₃

ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ входящих в состав белков диаминокислот приводит к образованию наряду с CO₂ первичных аминов. Например, из ЛИЗИНА образуется КАДАВЕРИН, из ОРНИТИНА – ПУТРЕСЦИН, которые получили название ТРУПНЫХ ЯДОВ:

декарбоксилаза

NH₂(CH₂)₄CHNH₂COOH → NH₂(CH₂)₅NH₂ + СО₂

лизин кадаверин

декарбоксилаза

NH₂(CH₂)₃CHNH₂COOH → NH₂(CH₂)₄NH₂ + СО₂

орнитин путресцин

Различают несколько групп гнилостных микроорганизмов:

1. АЭРОБНЫЕ ГНИЛОСТНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ

- ГРАМПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ БАКТЕРИИ:

1. Bacillus subtilis (сенная палочка) – подвижная (перетрих), небольшая палочка. Споры овальные (центральные), термоустойчивы (выдерживают 120 ⁰С). Бактерии могут разлагать углеводы с образованием ацетона и уксусного альдегида. Обладают высокой протеолитической активностью. Бактерии широко распространены в природе, вызывают энергичную аммонификацию белков.

2. Bacillus mesentericus (картофельная палочка) – небольшая споровая палочка, подвижная (перетрих), одиночная или образует цепочки клеток. Оптимум развития 35-45 ⁰С. При разложении белков картофельная палочка образует много сероводорода. Встречается на картофеле, попадая из почвы.

3. Bacillus cereus – споровая палочка, подвижная (перетрих). Оптимальная температура развития 30 ⁰С. Может вызывать пищевые отравления.

4. Bacillus mycoides (грибовидная или земляная палочка) – очень распространенная гнилостная бактерия. На твёрдых питательных средах образует грибовидные колонии. Это небольшая палочка подвижная (перетрих), споры овальной формы и разной величины.

2. АЭРОБНЫЕ ГРАМОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ БАКТЕРИИ

1. Pseudomonas fluorescens – мелкая бесспоровая подвижная (лофотрих) палочка. Образует желто-зелёный флуоресцирующий пигмент, который, проникая в субстрат, окрашивает его в желто-зеленый цвет. Бактерии холодоустойчивы.

2. Pseudomonas putrefaciens – мелкие бесспоровые подвижные палочки. Температурный оптимум около 20 ⁰С, но способны активно развиваться при температуре 5-10 ⁰С.

Бактерии расщепляют жиры, разжижают желатин, образуют триметиламин. При росте на искусственных питательных средах образуют красно-коричневый и розовый пигменты.

3. Serratia marcescens - подвижная палочка, образующая кроваво-красный пигмент. На агаре колонии напоминают округлые кровавые пятна с ровными краями, приподнятыми в центре, слизистой консистенции.

3. ФАКУЛЬТАТИВНО-АНАЭРОБНЫЕ ГНИЛОСТНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ

1. Proteus vulgaris (палочка Протея, вульгарный протей) – один из наиболее типичных возбудителей гнилостного распада белка. Часто встречается на загнившем мясе, кишечнике человека и животных, в воде и почве.

Клетки полиморфны – в суточных культурах это мелкие палочки, затем начинают образовываться извитые нитевидные клетки. Это грамотрицательные бесспоровые палочки, сильно подвижные (перетрихи). Температурный оптимум 25-37 ⁰С. Обладают сильными протеолитическими ферментами, разлагают белки с образованием индола и сероводорода, вызывают резкое изменение pH среды – среда становится сильно щелочной.

2. Escherichia coli – грамотрицательная подвижная бесспоровая палочка. Обитает в кишечнике человека и животных, откуда вместе в фекальными массами попадет в почву и водоёмы. Принимает активное участие в разложении белка.

4. АНАЭРОБНЫЕ ГНИЛОСТНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ

1. Clostridium putrificum – грамположительные палочки, спора на конце клетки (барабанная палочка). Подвижные (перетрихи). Температурный оптимум развития 37 ⁰С. Расщепляют жиры, белки разлагают с образованием аммиака и сероводорода, углеводы не сбраживает. Бактерии развиваются в почве, воде, кишечнике человека и животных.

2. Clostridium sporogenes – грамположительные споровые подвижные палочки (перетрихи). Споры располагаются центрально и образуются очень быстро. Температурный оптимум развития 30-40 ⁰С. Бактерии разжижают желатин, углеводы расщепляют с образованием кислоты и газа, при разложении белка выделяется много сероводорода и других неприятно пахнущих продуктов.

Аммонификация протекает в толще воды, но наибольшее количество аммонификаторов имеется в поверхностном слое ила. В результате анаэробного разложения белков (где обитают преимущественно споровые бактерии) в иловых отложениях в водоём поступают большое количество аммиака, сероводорода, углекислоты. Из придонных слоев воды аммиак поступает в поверхностные, где подвергается дальнейшим превращением (нитрификации и денитрификации).

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ АММОНИФИКАЦИИ БЕЛКОВЫХ ВЕЩЕСТВ.

За счет процесса аммонификации в почву и водоёмы ВОЗВРАЩАЕТСЯ АЗОТ В ФОРМЕ АММОНИЯ, т.е. форму, доступной для первичных продуцентов органического вещества.

С другой стороны, гнилостные микробы наносят большой вред, вызывая ПОРЧУ БОГАТЫХ БЕЛКАМИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ – молока, яиц, мясных продуктов, рыбы и рыбных продуктов.