Żywa masa biosfery zawiera ok. 13 x 109 ton azotu (związki organiczne).
Na pow. 1 ha znajduje się 810 ton azotu.
W atmosferze nad pow. 1 ha znajduje się 80 tys. ton azotu (forma pierwiastkowa).
Azot wyst. w przyrodzie w:
• formie pierwiastka (N2),
• 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 (NH2) (dezaminacja). Powstaje amoniak (NH3), pobierany następnie przez rośliny.
Amonifikatory żywią się azotem z aminokwasów powstałych w procesie proteolizy.
Podstawowe drogi dezaminacji aminokwasów przedstawiono na przykładzie alaniny: Dezaminacja hydrolityczna:
CH3CH(NH2)COOH + H2O = CH3CH(OH)COOH + NH3
(alanina + woda = kwas mlekowy + amoniak)
Dezaminacja hydrolityczna połączona z dekarboksylacją:
CH3CH(NH2)COOH + H2O = CH3CH2OH + NH3 + CO2
(alanina + woda = alkohol etylowy + amoniak + dwutlenek węgla)
Dezaminacja przez utlenianie:
CH3CH(NH2)COOH + 0,5 O2 = CH3COCOOH + NH3
(alanina + tlen = kwas pirogronowy + amoniak)
Dezaminacja przez utlenianie połączona z dekarboksylacją:
CH3CH(NH2)COOH + O2 = CH3COOH + NH3 + CO2
(alanina + tlen = kwas octowy + amoniak + dwutlenek węgla)
Dezaminacja reduktywna (redukcja aminokwasu):
CH3CH(NH2)COOH + H2 = CH3CH2COOH + NH3
(alanina + wodór = kwas propionowy + amoniak)
Dezaminacja reduktywna połączona z dekarboksylacją:
CH3CH(NH2)COOH + H2 = CH3CH3 + NH3 + CO2
(alanina + wodór = etan + amoniak + dwutlenek węgla)
Procesy oksydoredukcyjne połączone z dezaminacją i dekarboksylacją:
3 CH3CH(NH2)COOH + 2 H2O = 2 CH3CH2COOH + CH3COOH + 3 NH3 + CO2
(alanina + woda = kwas propionowy + kwas octowy + amoniak + dwutlenek węgla)
Dezaminacja desaturatywna:
CH
++
3CH(NH2)COOH = CH2
+ CH3COO- + NH3
(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(NH2)2 + H2O = 2 NH3 + CO2
(mocznik + woda = amoniak dwutlenek węgla)
Cyjanamid wapnia jest składnikiem azotniaku (nawóz obecnie nie stosowany). Obecnie stosowany do obróbki stali (cyjanowanie):
CaCN2 + 2 H2O = H2CN2 + Ca(OH)2
(cyjanamid wapnia + woda = sól diazoniowa + wodorotlenek wapnia)
H2CN2 + H2O = CO(NH2)2 + H2O = 2 NH3 + CO2
(sól diazoniowa + woda = mocznik + woda = amoniak + dwutlenek węgla)
Amoniak może być uwalniany z chityny:
C18H30N2O12 + 4 H2O = 2 C6H11O5NH2 + 3 CH3COOH
(chityna + woda = glukozamina + kwas octowy)
C6H11O5NH2 + H2O = C6H12O6 + NH3
(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: CO2, H2O, H2S, NH3.
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 CO2 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 O2 = NO2 + H2O + 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 O2 = NO3 + 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: NH4OH – 2 H =NH2OH
(wodorotlenek amonu – wodór =hydroksyloamina)
NH2OH – 2 H = NOH
(hydroksyloamina – wodór = nitroksyl)
NOH + H2O = NH(OH)2
(nitroksyl + woda = dihydroksyamoniak)
NH(OH)2 – 2 H = HNO2
(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 CO2, bakterie Nitroso utleniają 35,4 cząsteczek azotu amonowego.
NH +
-
4 + 1,5 O2 = NO2 + H2O + 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 CO2, bakterie Nitro utleniają 135 cząsteczek azotu azotanowego.
NO
-
2 + 0,5 O2 = NO3 + 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 N2O, H2O, lub N2.
Chemizm denitryfikacji:
HNO3 + H2 = HNO2 + H2O
(kwas azotowy III + wodór = kwas azotowy III + woda)
HNO2 + H2 = HNO + H2O
(kwas azotowy III + wodór = nitroksyl + woda)
2 HNO + 2 H2 = 2 NH2OH + H2 = NH3 + H2O
(nitroksyl + wodór = hydroksyloamina + wodór = amoniak + woda)
2 HNO – H2O = N2O
(nitroksyl – woda = podtlenek azotu)
N2O + H2 = N2 + H2O
(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.
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: N2 + H2 = 2 NH + H2 = 2 NH2 + H2 = 2 NH3
(azot + wodór = dimid + wodór = hydrazyna + wodór = amoniak)
NH3 + CO(CH2)2(COOH)2 + H2 = CH(NH2)(CH2)2(COOH)2 + H2O
(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.