Przemiany azotu:

Żywa masa biosfery zawiera ok.

13 x 10

9

ton azotu

(związki organiczne).

Na pow. 1 ha znajduje się

8

10

ton azotu

.

W atmosferze nad pow. 1 ha znajduje się

80 tys. ton azotu

(forma pierwiastkowa).

Azot wyst. w przyrodzie w:

•

formie pierwiastka (N

2

),

•

związków organicznych:

białko, mocznik, kwasy nukleinowe, zasady organiczne, kwas

hipurowy

•

związków mineralnych:

azotany i sole amonowe

Przemiany związków zawierających azot dokonują się w procesach:

proteolizy

amonifikacji

nitryfikacji

denitryfikacji

wiązania azotu atmosferycznego.

Proteoliza i amonifikacja

są procesami rozkładu białek.

Proteoliza

przeprowadzana jest przy udziale

enzymów proteolitycznych (proteinazy, często enzymy

indukowane, egzoenzymy, hydrolazy powodujące rozpad połączeń CO-NH.

Powstają

peptony, polipeptydy, peptydy i aminokwasy

.

Proteinazy są często enzymami indukowanymi.

Drobnoustroje proteolityczne –

liczne

bakterie, grzyby i promieniowce.

Typowe drobnoustroje proteolityczne to te, które rozkładają białko w nadmiarze:

Pseudomonas

i

Bacillus

.

Amonifikacja

to odszczepienie z aminokwasu grupy aminowej (NH

2

) (

dezaminacja

). Powstaje

amoniak

(NH

3

), pobierany następnie przez rośliny.

Amonifikatory

żywią się azotem z aminokwasów powstałych w procesie

proteolizy

.

Podstawowe drogi dezaminacji aminokwasów przedstawiono na przykładzie alaniny:

Dezaminacja hydrolityczna:

CH

3

CH(NH

2

)COOH + H

2

O = CH

3

CH(OH)COOH + NH

3

(alanina + woda = kwas mlekowy + amoniak)

Dezaminacja hydrolityczna połączona z dekarboksylacją:

CH

3

CH(NH

2

)COOH + H

2

O = CH

3

CH

2

OH + NH

3

+ CO

2

(alanina + woda = alkohol etylowy + amoniak + dwutlenek węgla)

Dezaminacja przez utlenianie:

CH

3

CH(NH

2

)COOH + 0,5 O

2

= CH

3

COCOOH + NH

3

(alanina + tlen = kwas pirogronowy + amoniak)

Dezaminacja przez utlenianie połączona z dekarboksylacją:

CH

3

CH(NH

2

)COOH + O

2

= CH

3

COOH + NH

3

+ CO

2

(alanina + tlen = kwas octowy + amoniak + dwutlenek węgla)

Dezaminacja reduktywna (redukcja aminokwasu):

CH

3

CH(NH

2

)COOH + H

2

= CH

3

CH

2

COOH + NH

3

(alanina + wodór = kwas propionowy + amoniak)

Dezaminacja reduktywna połączona z dekarboksylacją:

CH

3

CH(NH

2

)COOH + H

2

= CH

3

CH

3

+ NH

3

+ CO

2

(alanina + wodór = etan + amoniak + dwutlenek węgla)

Procesy oksydoredukcyjne połączone z dezaminacją i dekarboksylacją:

3 CH

3

CH(NH

2

)COOH + 2 H

2

O = 2 CH

3

CH

2

COOH + CH

3

COOH + 3 NH

3

+ CO

2

(alanina + woda = kwas propionowy + kwas octowy + amoniak + dwutlenek węgla)

Dezaminacja desaturatywna:

CH

3

CH(NH

2

)COOH = CH

2

++

+ CH

3

COO

-

+ NH

3

(alanina = rodnik metanowy + anion kwasu octowego + amoniak)

Amonifikację przeprowadzają:

•

bakterie tlenowe:



Bacillus

subtilis, B. mycoides (silny amonifikator), B. megatherium,



Pseudomonas

fluorescens, P. aeruginosa,



Serratia marcescens,



Halobacterium salinarium (halofilny = sololubny)

•

bakterie beztlenowe:



Clostridium

sporogenes, C. putrificum

•

względne beztlenowce:



Escherichia coli

,



Enterobacter

aerogenes,



Proteus vulgaris (najsilniejszy amonifikator).

Intensywny rozkład

mocznika

przeprowadzają:

Urobacillus

pasteuri, U. freudenreichii, U. hesmogenes, U. jakschii, U.

bejerinckii,

Sarcina

ureae,

Micrococcus

ureae, M. aureus,

Sporosarcina ureae,

Bacillus pasteuri.

Gatunkiem chitynolitycznym jest

Beneckea chitinovora.

Na ogół obserwuje się współpracę i następstwo drobnoustrojów różnych grup.

Amoniak

może być uwalniany z

mocznika

( = produkt rozkładu kwasów

nukleinowych w moczu) lub nawóz:

CO(NH

2

)

2

+ H

2

O = 2 NH

3

+ CO

2

(mocznik + woda = amoniak dwutlenek węgla)

Cyjanamid wapnia

jest składnikiem

azotniaku

(nawóz obecnie nie stosowany). Obecnie stosowany do

obróbki stali (cyjanowanie):

CaCN

2

+ 2 H

2

O = H

2

CN

2

+ Ca(OH)

2

(cyjanamid wapnia + woda = sól diazoniowa + wodorotlenek wapnia)

H

2

CN

2

+ H

2

O = CO(NH

2

)

2

+ H

2

O = 2 NH

3

+ CO

2

(sól diazoniowa + woda = mocznik + woda = amoniak + dwutlenek węgla)

Amoniak

może być uwalniany z

chityny

:

C

18

H

30

N

2

O

12

+ 4 H

2

O = 2 C

6

H

11

O

5

NH

2

+ 3 CH

3

COOH

(chityna + woda = glukozamina + kwas octowy)

C

6

H

11

O

5

NH

2

+ H

2

O = C

6

H

12

O

6

+ NH

3

(glukozamina + woda = glukoza + amoniak)

Amoniak

może być uwalniany z kwasów nukleinowych rozkładanych stopniowo na polinukleotydy,

nukleotydy, zasady purynowe i pirymidynowe, rybozę (lub dezoksyrybozę) i kwas fosforowy,

amoniak

, wodę i dwutlenek węgla.

W warunkach tlenowych (

butwienie

) powstają:

amoniak, ketokwasy, oksokwasy, lotne kwasy tłuszczowe

oraz proste związki powstające w wyniku

pełnej mineralizacji: CO

2

, H

2

O, H

2

S, NH

3

.

W warunkach beztlenowych (

gnicie

) okresowo powstają:

aminokwasy, fenole, aminy

, które ulegają dalszemu rozkładowi dopiero po zmianie warunków na

tlenowe.

Unieruchomienie azotu

(zbiałczanie azotanów, immobilizacja).

Komórki bakterii zawierają ok.

1,8 % azotu

.

Podobną ilość azotu muszą pobrać.
Intensywność pobierania zależy od ilości azotu w glebie.

Najlepiej dostosowaną do potrzeb mikroorganizmów i roślin jest substancja zawierająca

1,8 % azotu

.

Stosunek C : N wynosi wówczas

20 - 30 (średnio 25).

Jeżeli jest go dużo, np.

w słomie roślin motylkowatych

(stosunek

C : N jest mniejszy od 20

), to część

azotu pozostaje niewykorzystana przez mikroorganizmy i jest wykorzystany przez rośliny.

Jeżeli jest go dużo, np. w słomie zbóż (stosunek

C : N powyżej 30

), nie zapewnia drobnoustrojom

wystarczającej ilości azotu.
Są zmuszone do

pobierania azotu z mineralnej formy azotanów

powodując jego

niedostępność dla

roślin (unieruchomienie azotu).

Gwałtowne

zbiałczanie azotanów

wywołuje

braki azotu w glebie

. W okresie wegetacji, zbiałczanie

jest

zdecydowanie niekorzystne dla roślin

i wywołuje

spadek plonu

. Zapobiegamy przez stosowanie

dodatkowych dawek mineralnych nawozów azotowych.
Zbiałczanie może być

korzystne jesienią

, gdy przejście mineralnego azotu azotanowego w azot

zawarty w substancji białkowej

zabezpiecza go przed wymywaniem z gleby

.

Nitryfikacja

– utlenianie amoniaku poprzez azotany III do azotanów V

. Przeprowadzana przez

glebowe chemolitotrofy

, asymilujące CO

2

kosztem energii chemicznej uzyskiwanej w trakcie

utleniania połączeń azotu.

Proces nitryfikacji poznano

w XVII w

. Dopiero w XIX w. zaczęto badać go dokładniej.

Bakterie nitryfikacyjne zostały odkryte i wyosobnione przez

S. Winogradskiego

, dzięki zastosowaniu

pożywek mineralnych.

Bakterie nitryfikacyjne należą do dwóch grup:

1.

Grupa Nitroso

– przeprowadza

pierwszy etap nitryfikacji

. Wykorzystuje

amoniak

, który

utleniany jest do

azotanów III. Sole amonowe są utleniane do kwasu azotowego III, który

neutralizowany przez zasady znajdujące się w środowisku naturalnym, przekształca się w
azotany III.

NH

4

+

+ 1,5 O

2

= NO

2

-

+ H

2

O + 2 H

+

+ 267,2 kJ

Grupa Nitroso:

•

Nitrosomonas

pałeczki (

N. europea, N. javanensis, N. monocella

),

•

Ntrosococcus

ziarniaki (

N. nitrosus i N. oceanus

),

•

Nitrosospira

spiralnie skręconych pałeczek (

N. antarctica, N. briensis, N. coccoides, N.

javanensis

),

•

Nitrosolobus

sześcianki.

•

Bezwzględne tlenowce, odporne na wysuszenie,

•

optimum wzrostu przy pH = 7, wrażliwe na kwaśny odczyn środowiska,

•

Obecność substancji organicznej (zwłaszcza glukozy lub peptonu) hamuje wzrost i
oddychanie bakterii Nitroso.

Grupa Nitro

– przeprowadza

drugi etap nitryfikacji

,

wykorzystuje powstałe azotany III lub utlenia je

do kwasu azotowego V, który neutralizowany przez zasady znajdujące się w środowisku naturalnym
tworzy azotany V.

NO

2

+ 0,5 O

2

= NO

3

-

+ 73,3 kJ

Grupa Nitro:

•

Nitrobacter (N. winogradski, N. agilis, N. sarcinoides)

•

Nitrospira

•

Nitrococcus

.

Występują w glebie w niezbyt dużych ilościach i roną umiarkowanie szybko. Odkryte zostały przez S.
Winogradskiego pracującego w 1872 r. ze swoją córką.

Proces nitryfikacji może przebiegać przez wiele związków pośrednich:

NH

4

OH – 2 H =NH

2

OH

(wodorotlenek amonu – wodór =hydroksyloamina)

NH

2

OH – 2 H = NOH

(hydroksyloamina – wodór = nitroksyl)

NOH + H

2

O = NH(OH)

2

(nitroksyl + woda = dihydroksyamoniak)

NH(OH)

2

– 2 H = HNO

2

(dihydroksyamoniak – wodór = kwas azotowy III)

Produkty metabolizmu bakterii

Nitroso

są substratami dla bakterii

Nitro

. Obserwuje się zawsze

ich

łączne występowanie

.

Oba etapy nitryfikacji są

mało wydajne pod względem energetycznym

.

Aby związać

1 drobinę węgla z CO

2

, bakterie

Nitroso utleniają 35,4 cząsteczek azotu amonowego

.

NH

4

+

+ 1,5 O

2

= NO

2

-

+ H

2

O + 2 H

+

+ 267,2 kJ

Stosunek utlenianego azotu do pobranego węgla jest stały i wynosi N : C = 35,4 : 1.


Aby związać

1 drobinę węgla z CO

2

, bakterie

Nitro utleniają 135 cząsteczek azotu azotanowego

.

NO

2

+ 0,5 O

2

= NO

3

-

+ 73, 3 kJ

Stosunek utlenianego azotu do pobranego węgla jest stały i wynosi

N : C = 135 : 1.

Grupa bakterii

Nitro

, musi pracować o wiele energiczniej, niż grupa

Nitroso

. Jest to

zjawisko

korzystne

. Grupa

Nitro bowiem likwiduje ewentualnie gromadzące się w glebie azotany III.

Związki te, jako

niedotlenione, są silnie trujące dla roślin, człowieka

i większości innych

drobnoustrojów.
Tylko bakterie

z grupy Nitro są stosunkowo odporne na wysokie stężenia azotanów III.

Azotany III

- są to substancje chemiczne, stosowane do

preparowania i konserwowania bekonu i

innych wędlin

, by nadać im atrakcyjny czerwony kolor i zapobiec zakażeniu mięsa jadem kiełbasianym

i toksynami z pleśni.
Najczęściej stosowane są:

E – 249 i E – 250 = azotan III sodu i azotan III potasu

Funkcjonują jako

subst. antybakteryjne

. Są używane do produkcji charakterystycznych smaków,

tekstur i różowego koloru traktowanego mięsa (

bekon, kiełbasa poddana fermentacji, hot-dogi,

salami, peklowana wołowina, szynka, wędzone lub zakonserwowane mięso, ryby i drób, konserwy

).

Są toksyczne

, gdyż reagując z białkami tworzą:

nitrozaminy – substancje rakotwórcze, powstają podczas peklowania w podwyższonej temp.

Do ludzkiego organizmu azotany III dostają się dziś głównie z wodą i z pożywieniem:
warzywami, nowalijkami (sałata, rzodkiewka, płatki zbożowe, ziemniaki, ale przede wszystkim z
mięsem).

Obecność azotanów III w wodzie oraz w warzywach może być skutkiem stosowania nawozów
azotowych.

Należy unikać podgrzewania potraw zestawionych z sera i wędliny peklowanej, np. szynki.

Nie ma obecnie możliwości zrezygnowania z azotanów III (zwiększa ryzyko powstawania
nowotworów) w przemyśle mięsnym, gdyż nie ma lepszego środka, który gwarantowałby
odpowiednią jakość wędlin (który chroniłby przed jadem kiełbasianym, mogącym być przyczyną
śmierci) – uważają eksperci, zajmujący się technologią żywności.

Nitryfikacja

jest ważnym i

korzystnym procesem

.

Udostępnia bowiem roślinom dodatkowy pokarm azotowy.

Forma amonowa jest korzystniejsza dla

mikroorg.,

a

azotanowa

dla

roślin.

Azotany są niewykorzystywane przez większość mikroorg. z uwagi na brak

reduktazy azotanowej

rozkładającej te związki.

Znaczenie nitryfikacji wzrasta

w przypadku nawożenia roślin

amoniakiem lub mocznikiem

, z którego,

w wyniku hydrolizy, uwalniają się duże ilości

amoniaku

.

Procesom nitryfikacyjnym sprzyjają:

•

umiejętne zabiegi agrotechniczne

•

wapnowanie gleb kwaśnych

•

utrzymywanie gleb w dobrej kondycji

•

unikanie przesuszenia gleby (nitryfikatory są szczególnie czułe na brak wilgoci w glebie).

Do zakłóceń nitryfikacji dochodzi szybko

, pod wpływem

czynników naturalnych

lub

antropogenicznych

(wywołanych działalnością człowieka), np.:

o

brakiem powietrza w glebie

o

zmniejszoną zawartością azotu utlenionego.

Poziom nitryfikacji uważany jest za jeden z najbardziej czułych wskaźników zanieszczyszczenia gleby
subst. toksycznymi, np. pestycydami.

Denitryfikacja

Jest to przeprowadzana w warunkach beztlenowych, redukcja

azotanów V

:

•

do

azotanów III

lub

amoniaku (denitryfikacja niecałkowita),

•

do

azotu cząsteczkowego (denitryfikacja całkowita).

Denitryfikacja niecałkowita jest procesem odwrotnym do nitryfikacji.

Denitryfikacja całkowita jest procesem odwrotnym od wiązania azotu atmosferycznego.

Są dwie wersje denitryfikacji:

1.

Denitryfikacja asymilacyjna

– przebiega

w komórkach

poprzedzając wbudowanie azotu do

aminokwasów. W tym celu azot azotanowy, o wartościowości 5

+

, zostaje zredukowany do

formy amonowej, o wartościowości 3

-

.

2.

Denitryfikacja dysymilacyjna

– przebiega

w glebie

. Polega na wykorzystaniu przez bakterie

beztlenowe azotanów jako akceptora elektronów w procesie oddychania azotanowego, w
wyniku czego azotany zostają zredukowane do N

2

O, H

2

O, lub N

2

.

Chemizm denitryfikacji:

HNO

3

+ H

2

= HNO

2

+ H

2

O

(kwas azotowy III + wodór = kwas azotowy III + woda)

HNO

2

+ H

2

= HNO + H

2

O

(kwas azotowy III + wodór = nitroksyl + woda)

2 HNO + 2 H

2

= 2 NH

2

OH + H

2

= NH

3

+ H

2

O

(nitroksyl + wodór = hydroksyloamina + wodór = amoniak + woda)

2 HNO – H

2

O = N

2

O

(nitroksyl – woda = podtlenek azotu)

N

2

O + H

2

= N

2

+ H

2

O

(podtlenek azotu + wodór = azot cząsteczkowy + woda)

Bakterie denitryfikacyjne:

1. Chemoorganotrofy:

Pseudomonas

calcis,

P. denitrificans

, P. stutzeri, P. aeruginosa, P. fralucida,

Achromobacter liquefaciens, A. fischeri,

Escherichia coli,

Enterobacter

aerogenes,

Propionibacterium acidopropionici, P. pentosaceum,

Paracoccus denitrificans, P. halodenitrificans (sololubny),

Alcaligenes

odorans,

Clostridium

perfringens,

Corynebacterium nephridi.

2. Chemolitotrofy:

•

Thiobacillus denitrificans

– utlenia związki siarki w warunkach beztlenowych i

równocześnie redukuje azotany

•

Micrococcus denitrificans.

Wiązanie azotu atmosferycznego

Najprostszą formą azotu jest

azot cząsteczkowy

. jego zasoby są

olbrzymie (70% powietrza).

Jest on

niedostępny dla większości organizmów

.

Zdolność do

wiązania azotu atmosferycznego mają dość liczne bakterie

. Proces ten umożliwia

pobieranie azotu z powietrza i włączanie go do związków organicznych.

Wyróżniamy:
1.

Asymilatory współżyjące z roślinami

, uczestniczące w

symbiotycznym wiązaniu azotu

.

2.

Asymilatory wolno żyjące

, uczestniczące w

niesymbiotycznym wiązaniu azotu

.

Symbiotyczne wiązanie azotu

Realizowane przez bakterie z rodzajów

Rhizobium i Bradyrhizobium.

Współżyją one z roślinami motylkowymi. Każdy gat. rośliny współżyje z odrębnym gat. bakterii.

Rhizobium leguminosarum ma 3 biotypy:

1.

Rh. leguminosarum bs. vicia – współżyje z grochem (Pisum), soczewicą (Lens), wyką (Vicia),
groszkiem (Lathyrus)

2.

Rh. leguminosarum bs. phaseoli – współżyje z fasolą (Phaseolus)

3.

Rh. leguminosarum bs. trifolii – współżyje z koniczyną (Trifolium)

Rhizobium meliloti współżyje z lucerną (Medicago) i nostrzykiem (Melilotus).
Rhizobium loti współżyje z komonicą (Lotus).

W rodzaju Bradyrhizobium występuje;
1. B. japonicum współżyjący z soją (Glycine)
2. B. sp. współżyjący z łubinem (Lupinus).

1.

Bakterie wiążące azot atmosferyczny

żyją w glebie.

2.

Gromadzą się w

ryzosferze roślin motylkowatych (R/S około 1000).

3.

Stąd

wnikają do korzeni.

4.

Roślina

wydziela

tryptofan, który

jest przekształcany przez bakterie,

do kwasu

indolilooctowego (=heteroauksyna, subst. wzrostowa).

5.

Pod wpływem

heteroauksyny

dochodzi do

deformacji korzeni.

6.

Skręcanie i pękanie włośników

umożliwia

wtargnięcie bakterii do wnętrza.

7.

Bakterie silnie

kolonizują

warstwy korowe korzenia.

8.

Następuje pobudzenie rozwoju komórek diploidalnych (ich podział i różnicowanie) i

powstanie brodawek korzeniowych.

9.

Bakterie przekształcają się

w bakteroidy

(o kształcie

gruszkowatym lub X, Y i T

). Są

10 – 12 –

krotnie

większe od komórek wegetatywnych i

są pozbawione zdolności rozmnażania

. Lokują

się w brodawkach. W 1 komórce brodawki może ich być

500 000

. Jedna brodawka zbudowana

jest z

10 000 – 40 000 komórek

, każda brodawka zawiera

5 – 20 mld bakteroidów

.

10.

Bakteroidy

wiążą azot atmosferyczny

.

11.

W brodawkach wytwarzana jest

leg – hemoglobina o czerwonym zabarwieniu

. Jej obecność

jest dowodem skutecznie przebiegającego procesu wiązania azotu atmosferycznego.

12.

Po ustaniu wiązania azotu

leg- hemoglobina ulega rozkładowi, dając zielone zabarwienie

brodawek.

Enzymy aktywne to:

nitrogenaza. Hydrogenaza

aktywuje wodór.

13. Dochodzi do połączenia

azotu z tlenem i azotu z wodorem

.

14. Końcowym produktem połączenia jest

amoniak

, z którego tworzą się

aminokwasy.

15. Aminokwasy wykorzystywane są prze roślinę i bakteroidy.

Na wnikanie bakterii

do korzeni roślin motylkowatych wpływają:

•

pH gleby,

•

temp.,

•

obecność azotu mineralnego

(nadmiar działa hamująco)

•

stan odżywienia roślin.

Tworzenie się brodawek

stymulowane jest

dobrym naświetleniem (zapewnia roślinie wysoki poziom

fotosyntezy) oraz odpowiednią zawartością azotu i fosforu w glebie

.

Mechanizm wiązania azotu atmosferycznego polega na jego

wiązaniu redukcyjnym

:

N

2

+ H

2

= 2 NH + H

2

= 2 NH

2

+ H

2

= 2 NH

3

(azot + wodór = dimid + wodór = hydrazyna + wodór = amoniak)

NH

3

+ CO(CH

2

)

2

(COOH)

2

+ H

2

= CH(NH

2

)(CH

2

)

2

(COOH)

2

+ H

2

O

(amoniak + kwas α-ketoglutarowy + wodór = kwas glutaminowy + woda)


Tu powinny być 2 brakujące slajdy……….

Niesymbiotyczne wiązanie azotu

Odbywa się przy udziale mikroorganizmów niesymbiotycznych, żyjące w glebie (najczęściej
beztlenowe) bakterie z rodzaju

Clostridium

, tlenowe bakterie z rodzajów

Azotobacter, Azomonas,

Bacillus, Beijerinckia, Derxia, Achromobacter

, względnie beztlenowe

Arthrobacter, Pseudomonas,

Aerobacter, Flavobacterium,

beztlenowe bakterie siarkowe i zielone.

Clostridium

występują w glebach podmokłych i przewiewnych, lokuje sięw mikroniszach (do

100 000

komórek w 1 g gleby).

Mają niewielkie wymagania pokarmowe i są

bardzo tolerancyjne w stosunku

do odczynu podłoża

. Tworzą przetrwalniki.

Azotobacter

wyst. w ok.

50% polskich gleb

. Czynnikiem ograniczającym jest

kwaśny odczyn gleby

oraz

obecność azotu

. Wytwarza cysty. Wzrost populacji

Azotobacter

w glebie jest

wynikiem pracy całego

zespołu drobnoustrojów glebowych, które wytwarzają

„swoisty” dla niego klimat. Azotobacter

wiąże

5 – 20 mg N na 1 g zużytego cukru.

Dosyć powszechnym zjawiskiem jest wiązanie azotu atmosferycznego przez sinice z rodzaju

Nostoc i

Anabena.

Na całej kuli ziemskiej, średnio rocznie dochodzi do wiązania 10 kg azotu atmosferycznego na 1 ha. W
tym:



bakterie niesymbiotyczne – 3 kg,



bakterie brodawkowe – 2,5 – 5 kg,



sinice wiążą 2 – 4 kg,



porosty ok. 1 kg.