Нитрификация

– окисления азота в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, до нитратов и нитритов нитрифицирующими бактериями. Нет бактерии, которая бы прямо превращала аммиак в нитрат. В его окислении всегда участвуют две группы бактерий: одни окисляют аммиак, образуя нитрит («нитритные» бактерии, роды Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio), а другие окисляют нитрит в нитрат («нитратные» бактерии — Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus). Наиболее известные виды нитрифицирующих бактерий — это Nitrosomonas и Nitrobacter. Все они — грамотрицательные, в очень мелкие, подвижные, с полярными/перитрихиальными (по всей пов-ти) жгутиками.

• Nitrosomonas окисляет аммиак:NH₃ + 1½ O₂ = (NO_2-) + 2H+ + H₂O

• Nitrobacter окисляют нитрит: (NO_2-) + ½ O₂ = NO^3-

Бактерии, окисляющие аммиак, поставляют субстрат для бактерий, окисляющих нитрит. Поскольку высокие концентрации аммиака оказывают на Nitrobacter токсическое действие, Nitrosomonas, используя аммиак и образуя кислоту, тем самым улучшает и условия существования для Nitrobacter. По типу метаболизма хемолитоавтотрофы (используют энергию окисления NH3/HNO₂ для синтеза орг. вещ. из CO₂). Окисление аммиака и нитритов – на ЦМ.

Иммобилизация азота. Иммобилизированный N – наиболее лабильная (неустойчивая) часть орг-го N в почве. Минерализуется в первую очередь, ближайший резерв питания растений. Поступив в клетки МО, N выводится из круговорота (т.к. недоступен для растений). Это сказывается на применении удобрений: происходит снижение коэффициента использования азотных удобрений растениями в условиях микробной конкуренции за субстрат.

Денитрификация

– (восстановление нитрата) — восстановление нитратов до нитритов и далее до газообразных оксидов (NO, N₂O) и молекулярного азота. В результате их азот возвращается в атмосферу и становится недоступным большинству организмов. Осуществляется только прокариотами (причём как бактериям, так и археями) в анаэробных условиях и связана с получением ими энергии.

Все денитрифицирующие бактерии — факультативные анаэробы, восст-ют нитраты только в отсутствие свободного кислорода. Аэробно – могут переключаться на дыхание для получения энергии, а нитраты использовать в процессах ассимиляционной нитратредукции как источники N. ВСЕ денитрификаторы способны к азотфиксации.

Пример: азотфиксатор Azospirillum lipoferum при наличии нитратов в анаэробных условиях проводит денитрификацию, а в аэробных — ассимилирует нитрат. В определенных условиях процессы азотфиксации и нитратредукции могут идти в клетке параллельно.

в рез-те в атмосферу ежегодно поступает 270-330 млн т N₂, большая часть – потери из почвы (особенно в переувлажненных п); в сухих бесструктурных почвах: при увлажнении – денитрификация, при иссушении – нитрификация, и быстрое чередование процессов => быстрая потеря N почвой

• Денитрификация бывает: ассимиляционная и диссимиляционная.

• Ассимиляционная денитрификация (или а. нитратредукция) – восстановление нитратов до NH₄, далее из него – синтез азотсодержащих клеточных компонентов. Аэробно и анаэробно. Диссимиляционная нитратредукция – анаэробно, МО получают энергию, но происходит потеря восстановленных соде-ий N или N₂.

Денитрификация анаэробна, подавляется O₂. Нитраты выступают акцепторами электронов с окисляемого субстрата (как орг-го, так и неорг-го). Орг. субстрат – хемоорганотрофы, неорг. – хемолитотрофы. Ферменты диссимиляционной н. – нитратредуктазы с MoFeS-белками (сидят в клеточной мембране). Конечные продукты газообразны (NO, N₂O, N₂ – зависит от среды и вида). Восстановление нитратов: NO₃^- -> NO₂^- -> NО -> N₂О -> N₂. Также называют «анаэробным нитратным дыханием», потому что при переносе электронов к NO₂- и N₂O энергетический выход ок. 70% энергетического выхода при дыхании со свободным кислородом.

Хемоорганототрофные бактерии-денитрификаторы. Нитраты до нитритов восстанавливают прокариоты, эукариоты (водоросли, грибы, дрожжи). Полная денитрификация до N₂ – только прокариоты. Это факультотивно анаэробные хемоорганотрофы, им нужны нитраты для окисления орг. субстрата, и они окисляют его до CO₂ b H₂O с потерей газообразного азота: Органическое вещество + KN03 -> С0₂ + Н₂0 + N₂.

Хемолитототрофные бактерии-денитрификаторы: Thiobacillus denitrificans, Thiomicrospira denitrificans, Paracoccus denitrificans. Нитраты для них выступают в качестве окислителей неорганических веществ, например серы, Н₂ или тиосульфата, восстанавливаясь при этом либо полностью до N₂, либо только до нитритов (у Thiobacillus thioparus).

Процессы ассимиляционной и диссимиляционной нитратредукции, азотфиксации и денитрификации взаимно связаны и могут осуществляться одними и теми же бактериями:

Проблема образования стока и закиси азота (=> разрушение озонового слоя стратосферы, фотохимические реакции). Источник N₂O – микробная денитрификация. Ацетилен – ингибитор восст-я N₂O в N₂, при его добавлении в почву N₂O в среде накапливается. Также избыток N₂О получается при нитрификации при лимите O₂.

Пути удаления N₂O в аэробиозе: с помощью МО, образующих H₂O₂ и каталазу. В этих окислительных условиях из закиси азота образуются NO и NO^2-.

Пути удаления N₂O в анаэробиозе: использование N2O как субстрата нитрогеназы, и она восстановит N2O до N2 или NH4.

На денитрификацию влияет аэрация и pH. Большая аэрация и кислая среда снижают скорость денитрификации, повышают N2O:N2 в конечных продуктах. Из-за денитрификации растения не полностью используют N из вносимых удобрений. Для решения нужно вносить гранулированные удобрения, вносить дробно, создать определенный водный режим, меняя аэрацию.