לפי סוג התזונה, כל היצורים החיים המוכרים מחולקים לשני סוגים גדולים: הטרו- ואוטוטרופים. מאפיין ייחודי של האחרונים הוא יכולתם לבנות באופן עצמאי יסודות חדשים מפחמן דו חמצני וחומרים אנאורגניים אחרים.
מקורות האנרגיה התומכים בפעילותם החיונית קובעים את חלוקתם לפוטואפטוטרופים (המקור הוא אור) ולכימואוטוטרופים (המקור הוא מינרלים). ובהתאם לשם המצע מחומצן על ידי chemoauthorthophytes, הם מחולקים למימן ולחיידקים מחנקים, וכן לחיידקי גופרית וברזל.
מאמר זה יוקדש לקבוצה הנפוצה ביותר מביניהם - חיידקים מחנקים.
היסטוריית גילוי
אפילו באמצע המאה ה-19, מדענים גרמנים הוכיחו שתהליך הניטריפיקציה הוא ביולוגי. מבחינה אמפירית, הם הראו שכאשר הוסף כלורופורם למי הביוב, החמצון של אמוניה נעצר. אבל כדי להסביר למה זה קורה, הם לא עושים זאתיכול.
זה נעשה כמה שנים מאוחר יותר על ידי המדען הרוסי וינוגרדסקי. הוא זיהה שתי קבוצות של חיידקים שלקחו חלק בהדרגה בתהליך הניטריפיקציה. כך, קבוצה אחת הבטיחה את חמצון האמוניום לחומצה חנקתית, וקבוצת החיידקים השנייה הייתה אחראית להפיכתו לחומצה חנקתית. כל החיידקים המחנקים המעורבים בתהליך זה הם גראם שליליים.
תכונות של תהליך החמצון
תהליך היווצרות ניטריט על ידי חמצון אמוניום כולל מספר שלבים, במהלכם נוצרות תרכובות המכילות חנקן בדרגות חמצון שונות של קבוצת NH.
התוצר הראשון של חמצון אמוניום הוא הידרוקסילאמין. ככל הנראה, הוא נוצר עקב הכללת חמצן מולקולרי בקבוצת NH4, למרות שתהליך זה לא הוכח סופית ונותר שנוי במחלוקת.
לאחר מכן, ההידרוקסילמין מומר לניטריט. ככל הנראה, התהליך מתבצע באמצעות היווצרות NOH (היפוניטריט) עם שחרור תחמוצת החנקן. במקרה זה, מדענים רואים בהפקת תחמוצת החנקן רק תוצר לוואי של הסינתזה, בשל הפחתת הניטריט.
בנוסף לייצור של יסודות כימיים, משתחררת כמות גדולה של אנרגיה במהלך הדניטריפיקציה. בדומה למה שקורה באורגניזמים אירוביים הטרוטרופיים, במקרה זה סינתזה של מולקולות ATP קשורה לתהליכי חיזור, כתוצאה מהם מועברים אלקטרונים לחמצן.
כאשר ניטריט מתחמצן, תהליך ההובלה ההפוכה ממלא תפקיד חשובאלקטרונים. הכללת האלקטרונים שלו בשרשרת מתרחשת ישירות בציטוכרומים (סוג C ו/או A), וזה דורש כמות גדולה למדי של אנרגיה. כתוצאה מכך, לחיידקים כימואוטוטרופיים הניטריפייתיים מסופקים במלואם עתודת האנרגיה הדרושה, המשמשת לתהליכי בנייה והטמעה של פחמן דו חמצני.
סוגי חיידקים מחנקים
ארבעה סוגים של ניטרובקטריה לוקחים חלק בשלב הראשון של הניטריפיקציה:
- nitrosomonas;
- nitrocystis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
אגב, אתה יכול לראות בתמונה המוצעת חיידקים מחנקים (תמונה במיקרוסקופ).
מבחינה נסיונית, ביניהם די קשה, ולעתים קרובות לחלוטין בלתי אפשרי לייחד אחת מהתרבויות, כך שהשיקול שלהן מורכב בעיקרו. כל המיקרואורגניזמים הרשומים הם בגודל של עד 2-2.5 מיקרון וצורתם סגלגלה או עגולה בעיקרה (למעט ניטרוספירה, שיש לה צורה של מקל). הם מסוגלים לביקוע בינארי ולתנועה מכוונת עקב דגלים.
השלב השני של הניטריפיקציה משתתף:
- סוג Nitrobacter;
- סוג nitrospin;
- ניטרוקוקוס.
זן החיידקים הנחקר ביותר מהסוג Nitrbacter, הנקרא על שם מגלהו וינוגרדסקי. לחיידקים המחנקים הללו יש תאים בצורת אגס, מתרבים על ידי ניצנים, עם היווצרות תא בת נייד (עקב הדגלון).
מבנה של חיידקים
לחיידקים המחנקים שנחקרו יש מבנה תאי דומה למיקרואורגניזמים גרם שליליים אחרים. לחלקם מערכת מפותחת למדי של ממברנות פנימיות היוצרות ערימה במרכז התא, בעוד שבאחרות הן ממוקמות יותר בפריפריה או יוצרים מבנה בצורת גביע, המורכב ממספר עלים. ככל הנראה, עם תצורות אלה קשורים אנזימים המעורבים בתהליך החמצון של מצעים ספציפיים על ידי ניטריפירים.
סוג מזון מחנק חיידקים
Nitrobacteria הם אוטוטרופים מחייבים, מכיוון שהם אינם מסוגלים להשתמש בחומרים אורגניים אקסוגניים. עם זאת, היכולת של כמה זנים של חיידקים מחנקים להשתמש בכמה תרכובות אורגניות הוכחה בניסוי.
נמצא שהמצע המכיל אוטוליזטים של שמרים, סרין וגלוטמט בריכוזים נמוכים, המריץ את הצמיחה של ניטרובקטריה. זה מתרחש הן בנוכחות ניטריט והן בהיעדרו בתווך התזונתי, אם כי התהליך איטי בהרבה. לעומת זאת, בנוכחות ניטריט, החמצון של אצטט מדוכא, אך שילוב הפחמן שלו בחלבון, חומצות אמינו שונות ורכיבים תאיים אחרים עולה באופן משמעותי.
כתוצאה ממספר ניסויים, התקבלו נתונים לפיהם חיידקים מחנקים עדיין יכולים לעבור לתזונה הטרוטרופית, אך עד כמה פרודוקטיבי ולכמה זמן הם יכולים להתקיים בתנאים כאלה נותר לראות. כל עוד הנתונים מספיקיםלא עקבי להסיק מסקנות סופיות בעניין זה.
בית גידול וחשיבותם של חיידקים מחנקים
חיידקים מחנקים הם כימואוטוטרופים ומופצים בטבע. הם נמצאים בכל מקום: באדמה, מצעים שונים, כמו גם מקווי מים. תהליך הפעילות החיונית שלהם תורם תרומה רבה למחזור החנקן הכולל בטבע ולמעשה יכול להגיע לממדים עצומים.
לדוגמה, מיקרואורגניזם כמו nitrocystis oceanus, מבודד מהאוקיינוס האטלנטי, שייך להלופילים מחייבים. הוא יכול להתקיים רק במי ים או במצעים המכילים אותם. עבור מיקרואורגניזמים כאלה, לא רק בית הגידול חשוב, אלא גם קבועים כמו pH וטמפרטורה.
כל החיידקים המחנקים הידועים מסווגים כאירובים חובה. הם צריכים חמצן כדי לחמצן אמוניום לחומצה חנקתית וחומצה חנקתית לחומצה חנקתית.
תנאי בית גידול
נקודה חשובה נוספת שמדענים זיהו היא שהמקום שבו חיים חיידקים מחנקים לא צריך להכיל חומר אורגני. התיאוריה הועלתה שמיקרואורגניזמים אלה, באופן עקרוני, אינם יכולים להשתמש בתרכובות אורגניות מבחוץ. הם אפילו כונו אוטוטרופים מחייבים.
לאחר מכן, ההשפעה המזיקה של גלוקוז, אוריאה, פפטון, גליצרין וחומרים אורגניים אחרים על חיידקים מחנקים הוכחה שוב ושוב, אבל הניסויים לא מפסיקים.
החשיבות של חנקת חיידקים עבוראדמה
עד לאחרונה, האמינו שלניטריפירים יש השפעה מועילה על הקרקע, ומגבירים את פוריותה על ידי פירוק אמוניום לחנקות. האחרונים לא רק נספגים היטב בצמחים, אלא גם בעצמם מגבירים את המסיסות של מינרלים מסוימים.
עם זאת, בשנים האחרונות הדעות המדעיות משתנות. נחשפה ההשפעה השלילית של המיקרואורגניזמים המתוארים על פוריות הקרקע. חיידקים מחנקים, יוצרים חנקות, מחמצים את הסביבה, וזה לא תמיד דבר חיובי, וגם מעוררים רוויה של קרקע ביוני אמוניום במידה רבה יותר מחנקות. יתר על כן, לחנקות יש את היכולת להיות מופחתת ל-N2 (במהלך דניטריפיקציה), מה שמוביל בתורו לדלדול הקרקע בחנקן.
מהי הסכנה של חנקת חיידקים?
זנים מסוימים של ניטרובקטריה בנוכחות מצע אורגני יכולים לחמצן אמוניום, ליצור הידרוקסילאמין, ולאחר מכן ניטריטים וניטראטים. כמו כן, כתוצאה מתגובות כאלה, חומצות הידרוקסמיות יכולות להתרחש. יתרה מכך, מספר חיידקים מבצעים תהליך ניטריפיקציה של תרכובות שונות המכילות חנקן (אוקסימים, אמינים, אמידים, הידרוקסמטים ותרכובות ניטרו נוספות).
קנה המידה של ניטריפיקציה הטרוטרופית בתנאים מסוימים יכול להיות לא רק עצום, אלא גם מזיק מאוד. הסכנה טמונה בעובדה שבמהלך טרנספורמציות כאלה מתרחשת היווצרות של חומרים רעילים, מוטגנים ומסרטנים. לכן, מדענים קרוביםעובדים על לימוד הנושא הזה.
מסנן ביולוגי שתמיד בהישג יד
חיידקים מחנקים אינם מושג מופשט, אלא צורת חיים נפוצה מאוד. יתר על כן, הם משמשים לעתים קרובות על ידי בני אדם.
לדוגמה, חיידקים אלה הם חלק מהמסננים הביולוגיים לאקווריומים. סוג זה של ניקוי הוא זול יותר ואינו עמל כמו ניקוי מכני, אך יחד עם זאת הוא מצריך עמידה בתנאים מסוימים על מנת להבטיח צמיחה ופעילות חיונית של חיידקים מחנקים.
המיקרו אקלים הנוח ביותר עבורם הוא טמפרטורת הסביבה (במקרה זה מים) בסדר גודל של 25-26 מעלות צלזיוס, אספקה קבועה של חמצן ונוכחות צמחי מים.
חיידקים מחנקים בחקלאות
כדי להגדיל את היבול, החקלאים משתמשים בדשנים שונים המכילים חיידקים מחנקים.
הזנה של האדמה במקרה זה מסופקת על ידי ניטרובקטריה ואזוטובקטריה. חיידקים אלו מחלצים מהאדמה ומהמים את החומרים הדרושים, היוצרים כמות גדולה מספיק של אנרגיה בתהליך החמצון. זהו תהליך המכונה כימוסינתזה, כאשר האנרגיה המתקבלת משמשת ליצירת מולקולות מורכבות ממקור אורגני מפחמן דו חמצני ומים.
המיקרואורגניזמים הללו אינם דורשים חומרים מזינים מסביבתם - הם יכולים לייצר אותם בעצמם. אז, אם צמחים ירוקים, שהם גם אוטוטרופים, צריכיםאור השמש, אז זה לא הכרחי לחנקת חיידקים.
אדמה לניקוי עצמי
אדמה היא מצע אידיאלי לצמיחה ורבייה של לא רק צמחים, אלא גם אורגניזמים חיים רבים. לכן, מצבו התקין והרכבו המאוזן חשובים ביותר.
יש לזכור שחיידקים מחנקים מספקים גם ניקוי ביולוגי של האדמה. הם, בהיותם באדמה, במאגרים או בחומוס, הופכים אמוניה, המשתחררת על ידי מיקרואורגניזמים אחרים ופסולת חומרים אורגניים, לחנקות (ליתר דיוק, למלחים של חומצה חנקתית). כל התהליך מורכב משני שלבים:
- חמצון אמוניה לניטריט.
- חמצון של ניטריט לניטראט.
במקביל, כל שלב מסופק על ידי סוגים נפרדים של מיקרואורגניזמים.
מה שנקרא מעגל הקסמים
זרימת האנרגיה ותחזוקת החיים על פני כדור הארץ אפשרית עקב קיום חוקים מסוימים לקיומם של כל היצורים החיים. במבט ראשון קשה להבין מה עומד על הפרק, אבל למעשה הכל די פשוט.
בוא נדמיין את התמונה הבאה מתוך ספר לימוד של בית ספר:
- חומרים אי-אורגניים מעובדים על ידי מיקרואורגניזמים ובכך יוצרים תנאים נוחים בקרקע לצמיחה והזנה של צמחים.
- הם, בתורם, הם מקור אנרגיה הכרחי עבור רוב אוכלי העשב.
- השרשרת הבאה של חוליית החיים הזו הם טורפים, שהאנרגיה עבורם היא,בהתאמה, עמיתיהם אוכלי העשב.
- אנשים ידועים כטורפי פסגה, מה שאומר שאנחנו יכולים לקבל אנרגיה גם מעולם הצומח וגם מעולם החי.
- וכבר נשארו החיים שלנו, כמו גם אותם צמחים ובעלי חיים, משמשים כמצע מזין למיקרואורגניזמים.
לפיכך, מתקבל מעגל קסמים, המתפקד ללא הרף ומספק חיים לכל החיים על פני כדור הארץ. בהכרת העקרונות הללו, לא קשה לדמיין עד כמה כוחו של הטבע ושל כל היצורים החיים רב-פנים ולמעשה חסר גבולות.
מסקנה
במאמר זה, ניסינו לענות על השאלה מה הם חיידקים מחנקים בביולוגיה. כפי שניתן לראות, למרות העדויות הבלתי ניתנות להפרכה של הפעילות החיונית, התפקוד וההשפעה של מיקרואורגניזמים אלו, עדיין ישנן סוגיות רבות שנויות במחלוקת הדורשות מחקר ניסיוני נוסף.
חיידקים מחנקים מסווגים ככימוטרופים. מינרלים שונים משמשים עבורם מקור אנרגיה. למרות גודלם המיקרוסקופי, לאורגניזמים החיים הללו יש השפעה עצומה על העולם שסביבם.
כפי שאתם יודעים, כימוטרופים אינם יכולים לספוג תרכובות אורגניות שנמצאות במצע (אדמה או מים). להיפך, הם מייצרים את חומר הבנייה ליצירת תא חי ומתפקד.
