ตามประเภทของโภชนาการ สิ่งมีชีวิตที่รู้จักทั้งหมดแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ ๆ ได้แก่ hetero- และ autotrophs คุณลักษณะที่โดดเด่นของอย่างหลังคือความสามารถในการสร้างองค์ประกอบใหม่อย่างอิสระจากคาร์บอนไดออกไซด์และสารอนินทรีย์อื่น ๆ
แหล่งพลังงานที่สนับสนุนกิจกรรมที่สำคัญของพวกเขาเป็นตัวกำหนดการแบ่งตัวออกเป็น photoaphtotrophs (แหล่งที่มาคือแสง) และ chemoautotrophs (แหล่งที่มาคือแร่ธาตุ) และขึ้นอยู่กับชื่อของสารตั้งต้นที่ออกซิไดซ์โดย chemoauthortophytes พวกมันถูกแบ่งออกเป็นไฮโดรเจนและแบคทีเรียไนตริไฟริ่ง เช่นเดียวกับแบคทีเรียกำมะถันและธาตุเหล็ก
บทความนี้จะกล่าวถึงกลุ่มที่พบบ่อยที่สุดในหมู่พวกเขา - แบคทีเรียไนตริไฟริ่ง
ประวัติการค้นพบ
แม้ในกลางศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้พิสูจน์แล้วว่ากระบวนการไนตริฟิเคชั่นเป็นกระบวนการทางชีววิทยา จากการทดลองพบว่าเมื่อเติมคลอโรฟอร์มลงในน้ำเสีย การเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนียจะหยุดลง แต่เพื่ออธิบายว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น พวกเขาไม่ได้
ไม่กี่ปีต่อมาโดย Vinogradsky นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย เขาระบุแบคทีเรียสองกลุ่มที่ค่อยๆ มีส่วนร่วมในกระบวนการไนตริฟิเคชัน ดังนั้นกลุ่มหนึ่งจึงรับรองการเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนียมเป็นกรดไนตรัส และแบคทีเรียกลุ่มที่สองมีหน้าที่ในการเปลี่ยนสภาพเป็นกรดไนตริก แบคทีเรียไนตริไฟริ่งทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้เป็นแกรมลบ
คุณสมบัติของกระบวนการออกซิเดชัน
กระบวนการสร้างไนไตรต์โดยแอมโมเนียมออกซิเดชันมีหลายขั้นตอน ซึ่งในระหว่างนั้นจะมีสารประกอบที่ประกอบด้วยไนโตรเจนซึ่งมีระดับการเกิดออกซิเดชันที่แตกต่างกันของกลุ่ม NH
ผลิตภัณฑ์ตัวแรกของแอมโมเนียมออกซิเดชันคือไฮดรอกซิลามีน เป็นไปได้มากที่มันจะถูกสร้างขึ้นเนื่องจากการรวมของโมเลกุลออกซิเจนในกลุ่ม NH4 แม้ว่ากระบวนการนี้จะไม่ได้รับการพิสูจน์ในท้ายที่สุดและยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่
ถัดไป ไฮดรอกซิลามีนจะถูกแปลงเป็นไนไตรต์ สันนิษฐานได้ว่ากระบวนการนี้ดำเนินการผ่านการก่อตัวของ NOH (ไฮโปไนไตรต์) ด้วยการปล่อยไนตรัสออกไซด์ ในกรณีนี้ นักวิทยาศาสตร์ถือว่าการผลิตไนตรัสออกไซด์เป็นเพียงผลพลอยได้จากการสังเคราะห์อันเนื่องมาจากการลดลงของไนไตรต์
นอกจากการผลิตองค์ประกอบทางเคมีแล้ว ยังมีการปล่อยพลังงานจำนวนมากในระหว่างการดีไนตริฟิเคชั่น คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตแอโรบิก heterotrophic ในกรณีนี้ การสังเคราะห์โมเลกุล ATP เกี่ยวข้องกับกระบวนการรีดอกซ์ อันเป็นผลมาจากการที่อิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนไปยังออกซิเจน
เมื่อไนไตรท์ถูกออกซิไดซ์ กระบวนการขนส่งทางย้อนกลับก็มีบทบาทสำคัญอิเล็กตรอน การรวมอิเล็กตรอนในสายโซ่เกิดขึ้นโดยตรงในไซโตโครม (ชนิด C และ / หรือ A) และต้องใช้พลังงานในปริมาณที่ค่อนข้างมาก ด้วยเหตุนี้ แบคทีเรียเคมีออโตโทรฟิกจึงได้รับพลังงานสำรองที่จำเป็นอย่างเต็มที่ ซึ่งใช้สำหรับกระบวนการสร้างและดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์
ประเภทของแบคทีเรียไนตริไฟดิ้ง
ไนโตรแบคทีเรียสี่สกุลมีส่วนร่วมในขั้นตอนแรกของไนตริฟิเคชั่น:
- ไนโตรโซโมนัส;
- ไนโตรซิสติส;
- nitrosolubus;
- ไนโตรโซสไปรา
อย่างไรก็ตาม คุณสามารถเห็นแบคทีเรียไนตริไฟริ่งในภาพที่แนะนำ (ภาพถ่ายภายใต้กล้องจุลทรรศน์)
จากการทดลอง ในหมู่พวกเขามันค่อนข้างยากและมักจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะแยกแยะวัฒนธรรมใดวัฒนธรรมหนึ่งออกไป ดังนั้นการพิจารณาของพวกเขาจึงซับซ้อนเป็นส่วนใหญ่ จุลินทรีย์ที่อยู่ในรายการทั้งหมดมีขนาดไม่เกิน 2-2.5 ไมครอนและมีลักษณะเป็นวงรีหรือกลมเป็นส่วนใหญ่ (ยกเว้นไนโตรสไปราซึ่งมีรูปแท่ง) พวกมันมีความสามารถในการแตกตัวแบบไบนารีและการเคลื่อนไหวโดยตรงเนื่องจากแฟลเจลลา
กิจกรรมไนตริฟิเคชั่นระยะที่สอง:
- สกุล Nitrobacter;
- ประเภทไนโตรปิน;
- ไนโตรโคคัส
แบคทีเรียในสกุล Nitrbacter ที่มีการศึกษามากที่สุด ตั้งชื่อตามผู้ค้นพบ Vinogradsky แบคทีเรียไนตริไฟริ่งเหล่านี้มีเซลล์รูปลูกแพร์ คูณด้วยการแตกหน่อ โดยมีเซลล์ลูกเคลื่อนที่ (เนื่องจากแฟลเจลลัม)
โครงสร้างของแบคทีเรีย
แบคทีเรียไนตริไฟริ่งที่ทำการศึกษามีโครงสร้างเซลล์ที่คล้ายคลึงกันกับจุลินทรีย์แกรมลบอื่นๆ บางส่วนมีระบบเยื่อหุ้มภายในที่พัฒนาอย่างเป็นธรรมซึ่งก่อตัวเป็นกองตรงกลางเซลล์ในขณะที่บางส่วนตั้งอยู่บริเวณรอบนอกหรือสร้างโครงสร้างในรูปแบบของถ้วยซึ่งประกอบด้วยใบไม้หลายใบ เห็นได้ชัดว่าเอ็นไซม์มีส่วนเกี่ยวข้องกับกระบวนการออกซิเดชันของสารตั้งต้นจำเพาะโดยไนตริไฟเออร์ในการก่อตัวของเอนไซม์เหล่านี้ด้วยรูปแบบเหล่านี้
อาหารประเภทแบคทีเรียไนตริไฟอิ้ง
Nitrobacteria เป็น autotrophs ที่มีผลบังคับ เนื่องจากไม่สามารถใช้สารอินทรีย์จากภายนอกได้ อย่างไรก็ตาม ได้มีการทดลองความสามารถของแบคทีเรียไนตริไฟริ่งบางสายพันธุ์ในการใช้สารประกอบอินทรีย์บางชนิด
พบว่าสารตั้งต้นที่มียีสต์ autolysates, serine และ glutamate ในระดับความเข้มข้นต่ำ กระตุ้นการเจริญเติบโตของ nitrobacteria สิ่งนี้เกิดขึ้นทั้งในที่ที่มีไนไตรต์และไม่มีอยู่ในอาหารแม้ว่ากระบวนการจะช้ากว่ามาก ในทางกลับกัน เมื่อมีไนไตรต์ การเกิดออกซิเดชันของอะซิเตทจะถูกระงับ แต่การรวมตัวของคาร์บอนเข้ากับโปรตีน กรดอะมิโนต่างๆ และส่วนประกอบของเซลล์อื่นๆ เพิ่มขึ้นอย่างมาก
จากการทดลองหลายครั้ง ได้ข้อมูลมาว่าแบคทีเรียไนตริไฟริ่งยังสามารถเปลี่ยนไปใช้โภชนาการเฮเทอโรโทรฟิกได้ แต่จะให้ผลผลิตดีเพียงใดและนานแค่ไหนในสภาวะดังกล่าวยังคงต้องติดตามกัน ตราบใดที่ข้อมูลเพียงพอไม่สอดคล้องกับข้อสรุปสุดท้ายในเรื่องนี้
ที่อยู่อาศัยและความสำคัญของแบคทีเรียไนตริไฟริ่ง
แบคทีเรียไนตริไฟอิ้งคือคีโมออโตโทรฟและมีอยู่ทั่วไปในธรรมชาติ พบได้ทุกที่: ในดินสารตั้งต้นต่าง ๆ รวมถึงแหล่งน้ำ กระบวนการของกิจกรรมที่สำคัญของพวกมันมีส่วนอย่างมากต่อวัฏจักรไนโตรเจนโดยรวมในธรรมชาติ และในความเป็นจริงนั้นสามารถบรรลุถึงสัดส่วนที่มหาศาล
ตัวอย่างเช่น จุลินทรีย์เช่น nitrocystis oceanus ที่แยกได้จากมหาสมุทรแอตแลนติก เป็นของ halophiles ที่ผูกพัน มันสามารถมีอยู่ในน้ำทะเลหรือพื้นผิวที่บรรจุมันเท่านั้น สำหรับจุลินทรีย์ดังกล่าว ไม่เพียงแต่ที่อยู่อาศัยเท่านั้นที่สำคัญ แต่ยังมีค่าคงที่เช่น pH และอุณหภูมิ
แบคทีเรียไนตริไฟดิ้งที่รู้จักกันทั้งหมดจัดอยู่ในประเภทแอโรบิก พวกเขาต้องการออกซิเจนในการออกซิไดซ์แอมโมเนียมเป็นกรดไนตรัส และกรดไนตรัสเป็นกรดไนตริก
สภาพที่อยู่อาศัย
จุดสำคัญอีกประการหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ได้ระบุคือสถานที่ที่มีแบคทีเรียไนตริไฟดิ้งไม่ควรมีอินทรียวัตถุ ทฤษฎีนี้เสนอว่าโดยหลักการแล้วจุลินทรีย์เหล่านี้ไม่สามารถใช้สารประกอบอินทรีย์จากภายนอกได้ พวกเขาถูกเรียกว่าออโตโทรฟบังคับ
จากนั้น ผลเสียของกลูโคส ยูเรีย เปปโตน กลีเซอรีน และสารอินทรีย์อื่นๆ ต่อแบคทีเรียไนตริไฟดิ้งได้รับการพิสูจน์ซ้ำแล้วซ้ำเล่า แต่การทดลองไม่หยุด
ความสำคัญของแบคทีเรียไนตริไฟริ่งสำหรับดิน
เมื่อไม่นานมานี้ เชื่อกันว่าสารไนตริไฟเออร์มีผลดีต่อดิน เพิ่มความอุดมสมบูรณ์ด้วยการทำลายแอมโมเนียมให้เป็นไนเตรต อย่างหลังไม่เพียงแต่ดูดซึมได้ดีจากพืชเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความสามารถในการละลายของแร่ธาตุบางชนิดด้วยตัวมันเองด้วย
อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มุมมองทางวิทยาศาสตร์ได้เปลี่ยนแปลงไป ผลกระทบเชิงลบของจุลินทรีย์ที่อธิบายไว้ต่อความอุดมสมบูรณ์ของดินถูกเปิดเผย แบคทีเรียไนตริไฟริ่งสร้างไนเตรตทำให้สภาพแวดล้อมเป็นกรดซึ่งไม่ใช่สิ่งที่ดีเสมอไปและยังกระตุ้นความอิ่มตัวของดินด้วยแอมโมเนียมไอออนในระดับที่มากกว่าไนเตรต นอกจากนี้ ไนเตรตยังมีความสามารถในการลดลงเป็น N2 (ในระหว่างการดีไนตริฟิเคชั่น) ซึ่งจะทำให้ดินสูญเสียไนโตรเจน
แบคทีเรียไนตริไฟดิ้งมีอันตรายอย่างไร
ไนโตรแบคทีเรียบางสายพันธุ์ต่อหน้าสารตั้งต้นอินทรีย์สามารถออกซิไดซ์แอมโมเนียม เกิดเป็นไฮดรอกซิลามีน และต่อมากลายเป็นไนไตรต์และไนเตรต นอกจากนี้ จากปฏิกิริยาดังกล่าว กรดไฮดรอกซามิกสามารถเกิดขึ้นได้ นอกจากนี้ แบคทีเรียจำนวนหนึ่งยังดำเนินกระบวนการไนตริฟิเคชันของสารประกอบต่างๆ ที่มีไนโตรเจน (ออกซีม เอมีน เอไมด์ ไฮดรอกซาเมต และสารประกอบไนโตรอื่นๆ)
ระดับของไนตริฟิเคชั่นแบบเฮเทอโรโทรฟิกภายใต้เงื่อนไขบางประการไม่เพียงแต่จะมีขนาดใหญ่มากเท่านั้น แต่ยังเป็นอันตรายอีกด้วย อันตรายอยู่ในความจริงที่ว่าในระหว่างการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว การก่อตัวของสารพิษ สารก่อกลายพันธุ์และสารก่อมะเร็งเกิดขึ้น ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงมีความใกล้ชิดกำลังศึกษาหัวข้อนี้อยู่
ตัวกรองชีวภาพที่พร้อมเสมอ
แบคทีเรียไนตริไฟริ่งไม่ใช่แนวคิดที่เป็นนามธรรม แต่เป็นรูปแบบชีวิตทั่วไป ยิ่งกว่านั้นมนุษย์มักใช้พวกมัน
ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของตัวกรองชีวภาพสำหรับพิพิธภัณฑ์สัตว์น้ำ การทำความสะอาดประเภทนี้มีราคาไม่แพงและไม่ลำบากเท่าการทำความสะอาดด้วยกลไก แต่ในขณะเดียวกันก็ต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขบางประการเพื่อให้แน่ใจว่าการเจริญเติบโตและกิจกรรมที่สำคัญของแบคทีเรียไนตริไฟริ่ง
ปากน้ำที่ดีที่สุดสำหรับพวกเขาคืออุณหภูมิแวดล้อม (ในกรณีนี้คือน้ำ) ที่ 25-26 องศาเซลเซียส ปริมาณออกซิเจนคงที่และการปรากฏตัวของพืชน้ำ
แบคทีเรียไนตริไฟอิ้งในการเกษตร
เพื่อเพิ่มผลผลิต เกษตรกรใช้ปุ๋ยหลายชนิดที่มีแบคทีเรียไนตริไฟดิ้ง
สารอาหารของดินในกรณีนี้คือไนโตรแบคทีเรียและอะโซโตแบคทีเรีย แบคทีเรียเหล่านี้จะดึงสารที่จำเป็นออกจากดินและน้ำ ซึ่งก่อให้เกิดพลังงานจำนวนมากเพียงพอในระหว่างกระบวนการออกซิเดชัน นี่คือกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมีที่เรียกว่า เมื่อพลังงานที่ได้รับถูกใช้เพื่อสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อนของแหล่งกำเนิดอินทรีย์จากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ
จุลินทรีย์เหล่านี้ไม่ต้องการสารอาหารจากสิ่งแวดล้อม แต่สามารถผลิตได้เอง ดังนั้นถ้าพืชสีเขียวซึ่งเป็นออโตโทรฟก็จำเป็นแสงแดดก็ไม่จำเป็นสำหรับแบคทีเรียไนตริไฟดิ้ง
ดินทำความสะอาดตัวเอง
ดินเป็นสารตั้งต้นในอุดมคติสำหรับการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์ของพืชไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังมีสิ่งมีชีวิตอีกมากมาย ดังนั้นสภาพปกติและองค์ประกอบที่สมดุลจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง
ควรจำไว้ว่าแบคทีเรียไนตริไฟริ่งยังช่วยทำความสะอาดดินทางชีววิทยาอีกด้วย พวกมันอยู่ในดิน แหล่งกักเก็บ หรือฮิวมัส เปลี่ยนแอมโมเนียซึ่งถูกปล่อยโดยจุลินทรีย์อื่นๆ และของเสียจากสารอินทรีย์ให้เป็นไนเตรต (เพื่อให้แม่นยำยิ่งขึ้น เป็นเกลือของกรดไนตริก) กระบวนการทั้งหมดประกอบด้วยสองขั้นตอน:
- ออกซิเดชันของแอมโมเนียเป็นไนไตรต์
- ออกซิเดชันของไนไตรต์เป็นไนเตรต
ในเวลาเดียวกัน แต่ละระยะมีจุลินทรีย์แยกจากกัน
ที่เรียกว่าวงจรอุบาทว์
การหมุนเวียนของพลังงานและการรักษาชีวิตบนโลกเป็นไปได้เนื่องจากการปฏิบัติตามกฎหมายบางประการของการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด เมื่อมองแวบแรก ยากที่จะเข้าใจว่าสิ่งใดเป็นเดิมพัน แต่จริงๆ แล้วทุกอย่างค่อนข้างง่าย
ลองนึกภาพต่อไปนี้จากหนังสือเรียน:
- สารอนินทรีย์ถูกแปรรูปโดยจุลินทรีย์จึงสร้างสภาพที่เอื้ออำนวยต่อการเจริญเติบโตและโภชนาการของพืชในดิน
- ในทางกลับกัน พวกมันเป็นแหล่งพลังงานที่ขาดไม่ได้สำหรับสัตว์กินพืชส่วนใหญ่
- ห่วงโซ่ชีวิตต่อไปคือผู้ล่า พลังงานคือตามลำดับ สัตว์กินพืชเป็นอาหาร
- คนรู้จักว่าเป็นสัตว์นักล่า ซึ่งหมายความว่าเราสามารถได้รับพลังงานจากทั้งโลกของพืชและโลกของสัตว์
- และแล้ว ชีวิตของเราก็ยังคงอยู่ เช่นเดียวกับพืชและสัตว์เหล่านั้น ทำหน้าที่เป็นสารอาหารสำหรับจุลินทรีย์
ดังนั้น วงจรอุบาทว์จึงเกิดขึ้น ทำงานอย่างต่อเนื่องและให้ชีวิตแก่ทุกชีวิตบนโลก เมื่อทราบหลักการเหล่านี้แล้ว ก็ไม่ยากเลยที่จะจินตนาการถึงพลังของธรรมชาติและสิ่งมีชีวิตทั้งหมดที่มีหลายแง่มุมและไร้ขีดจำกัด
สรุป
ในบทความนี้ เราพยายามตอบคำถามเกี่ยวกับแบคทีเรียไนตริไฟริ่งในชีววิทยา อย่างที่คุณเห็น แม้จะมีหลักฐานที่หักล้างไม่ได้เกี่ยวกับกิจกรรมสำคัญ การทำงาน และอิทธิพลของจุลินทรีย์เหล่านี้ แต่ก็ยังมีปัญหาที่ขัดแย้งมากมายที่ต้องมีการวิจัยเชิงทดลองเพิ่มเติม
แบคทีเรียไนตริไฟอิ้งจัดเป็นคีโมโทรฟ แร่ธาตุต่างๆ เป็นแหล่งพลังงานสำหรับพวกมัน แม้จะมีขนาดจิ๋ว แต่สิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีผลกระทบอย่างมากต่อโลกรอบตัวพวกเขา
อย่างที่คุณทราบ เคมีบำบัดไม่สามารถดูดซับสารประกอบอินทรีย์ที่อยู่ในสารตั้งต้น (ดินหรือน้ำ) ในทางกลับกัน พวกเขาผลิตวัสดุก่อสร้างสำหรับสร้างเซลล์ที่มีชีวิตและใช้งานได้