Занятие № 9 превращение микрорганизмами соединений азота

Цель: Изучить особенности процессов превращения микроорганизмами минеральных соединений азота.

Задачи

1. Изучить особенности протекания процессов нитрификации (I, II фаза) и участвующих в них микроорганизмов.

2. Изучить особенности протекания процессов денитрификации и участвующих в них микроорганизмов.

3. Изучить особенности протекания процессов азотфиксации и участвующих в них микроорганизмов.

Материалы и оборудование. Колбы с жидкой средой Эшби для культивирования азотфиксаторов, средой Виноградского для культивирования нитрификаторов, средой Гильтая для культивирования денитрификаторов, оборудование для окраски микропрепаратов, микроскопы.

Основные понятия. Нитрификация (I и II фазы), иммобилизация азота, ассимиляционная нитратредукция, диссимиляционная нитратредукция (денитрификация), азотфиксация свободноживущими микроорганизмами, ассоциативная азотфиксация, симбиотическая азотфиксация, леггемоглобин, нитрогеназа, нитратредуктаза.

Ход работы

Задание № 1. Изучить микроорганизмы, участвующие в процессах нитрификации, сделать рисунок. Для накопления нитрифицирующих бактерий пользуются питательной средой С. Н. Виноградского (г/л дистиллированной воды):

Для первой фазы нитрификации: (NH4)2 SO4 - 2,0 K2HPО4 - 1,0 MgSO4 - 0,5 NaCl - 2,0 FeSO4 - 0,4 CaCO3 - 5,0

Для второй фазы нитрификации: NaNО2 - 1,0 Na2CO3 - 1,0 NaCl - 0,5 K2HPO4 - 0,5 MgSO4 - 0,5 FeSO4 - 0,4

Среды стерилизуют и разливают в колбы слоем 1,0-1,5 см и заражают комочком парниковой почвы. Колбы закрывают ватными пробками и помещают в термостат при температуре 25-28 °С на 14–21-й день.

Микроскопирование. Для изучения нитрифицирующих бактерий из жидкости в колбах готовят микропрепараты. В поле зрения микроскопа видны скопления овальных или кокковидных клеток Nitrosomonas (первая фаза) и коротких палочковидных клеток Nitrobacter (вторая фаза). Представители рода Nitrosomonas (рис. № 6 приложения) имеют овальную форму, в от­дельных случаях прибли­жающуюся к шарику, об­ладают подвижностью и снабжены одним длинным жгутиком. Разные виды Nitrosomonas очень широко распро­странены в почве и отли­чаются друг от друга ве­личиной или формой кле­ток, а также отношением к активной реакции среды. Наиболее изучен Nitrosomonas europea. Клетки кокковидные, или овальные, размером 0,5-1,5 мкм, подвижные, с длин­ным полярно расположенным жгутиком. Nitrobacter – мелкие округлые, яйцевидные или гру­шевидные палочки неподвижные, одиночные или соединенные в небольшие группы, окруженные слизистой кап­сулой (рис. № 7 приложения). Среди бактерий этого рода принято различать два вида: Nitrobacter winogradskii и Nitrobacter agilis.

Окисление аммонийной формы в нитритную также осуществляют Nitrosocystis и Nitrosospira, нитритной в нитратную Nitrospina.

Задание № 2. Изучить микроорганизмы, осуществляющие процессы денитрификации, сделать рисунок. Для накопления денитрифицирующих бактерий используют следующую среду (в г/л): сегнетова соль – 20; KNO₃ – 2,0; К₂НРО₄ – 0,5; MgSO₄ · 7Н₂О – 0,2; FeSO₄ · 7Н₂О – следы. Среду разливают высоким слоем в большие пробирки до края и стерилизуют. Тщательно перемешивают с почвой для удаления пузырьков воздуха и закрывают каучуковой трубкой, в которую вставлена открытая с 2-х сторон стеклянная трубка, расширенная в средней части. Пробка вытесняет часть жидкости в стеклянную трубку. Под пробкой не должны оставаться пузырьки воздуха. В трубку над средой наливают вазелиновое масло небольшим слоем для создания анаэробных условий помещают в термостат при температуре 30 – 35 °С на 5-6 дней.

Микроскопирование. Из середины субстрата чистой пипеткой берут каплю и готовят фиксированный и окрашенный препарат, который затем рассматривают под микроскопом с иммерсионной системой. На препарате преобладают неспорообразующие сферические клетки или короткие палочки Paracoccus denitrificans (Bacterium denitrificans) (рис. № 7 приложения). На среде с сегнетовой солью чаще развивается P. stutzeri (Achromobacter stutzeri – палочковидные клетки размером 2,0 – 4,0 мкм, подвижные) (рис. № 7 приложения). В этом случае культура образует зеленовато-желтый флюоресцирующий пигмент. Также к денитрификаторам относятся: Pseudomonas aeruginosa – мелкие палочки (размером 1,0 – 1,5 мкм), одиночные или соединенные в пары, подвижные, несут 1 – 2 полярных жгутика. Нередко наблюдается позеленение среды, особенно при использовании углерода лимонной кислоты, что указывает на развитие Pseudomonas fluorescens – мелкие палочки (размером 1,0 – 2,0 мкм), подвижные, имеют 3 – 4 полярных жгутика.

Задание № 3. Изучить микроорганизмы, участвующие в фиксации атмосферного азота, сделать рисунок. Для накопления свободноживущих азотфиксаторов используют среду Эшби. Состав питательной среды (г/л дистиллированной воды): маннит, глюкоза, или сахароза – 20,0; К₂НРО₄ – 0,2; MgSO₄ – 0,2; NaCl – 0,2; K₂SО₄ – 0,1; СаСОз – 5,0.

Питательную среду, не стерилизуя, разливают в колбы объемом 100 – 150 мл, слоем 1 – 1,5 см и заражают парниковой почвой (1/3 чайной ложки). Колбы закрывают ватными пробками и помещают в термостат при температуре 28 – 30 °С.

Через 5 – 7 суток на поверхности среды образуется коричнево-бурая пленка азотобактера. Жидкость в колбе пенится и издает запах масляной кислоты, что указывает на развитие в среде бактерий Cl. pasteurianum.

Микроскопирование. Готовят фиксированный микропрепарат из поверхностной пленки. Наиболее распространены два вида азотобактера: Azotobacter chroococcum – в молодой культуре имеет палочковидные клетки, подвижные, размером 3 – 7 мкм (рис. № 8 приложения). В старой культуре клетки кокковидные, соединены в пары и сарциноподобные пакеты, обычно окружены слизистой капсулой. В клетках много блестящих зерен волютина. Колонии на плотных питательных средах слизистые, растекающиеся или выпуклые, бесцветные или окрашенные в темно-коричневый до черного цвет; Azotobacter vinelandii – в молодой культуре клетки палочковидные, размером 2-3 мкм. В старой культуре форма клеток шаровидная. Из капли жидкости готовят препарат Clostridium pasteurianum – подвижные палочковидные клетки, размером 3 – 7 мкм, одиночные или расположенные парами и короткими цепочками (рис. № 1,10 приложения). Споры овальные, формируются эксцентрально, при этом клетки-спороносцы принимают форму лимона. В клетках накапливается много гранулезы. Колонии беловатые, гладкие, блестящие.

Контрольные вопросы см. занятие № 8.