3. CHARAKTERYSTYKA DROBNOUSTROJÓW BIORĄCYCH UDZIAŁ W PRZEMIANACH ORGANICZNYCH ZWIĄZKU AZOTU

1. Obieg azotu

Azot jest wprowadzany do gleby w formie nieorganicznej wraz z nawozami mineralnymi oraz w formie organicznej razem z nawozami organicznymi i ze szczątkami obumarłych roślin i zwierząt. Związki te dzięki działalności mikroorganizmów glebowych ulegają rozkładowi do form dostępnych dla roślin. Dodatkowo azot cząsteczkowy, niedostępny dla większości organizmów żywych, może być asymilowany z atmosfery przez mikroorganizmy i włączony do obiegu tego pierwiastka w przyrodzie. Zasoby azotu ulegałyby wyczerpaniu, gdyby nie udział mikroorganizmów glebowych przeprowadzających procesy mineralizacji organicznej, które wprowadzają ten pierwiastek w ponowny obieg i przekształcają do form wykorzystywanych przez rośliny (azotany (V), sole amonowe).

Cykl krążenia związków azotu w środowisku składa się z kilku wzajemnie związanych etapów:

- symbiotyczne i niesymbiotyczne wiązanie azotu atmosferycznego,

- rozkład organicznych połączeń azotu, uwalnianie jonów amonowych (NH₄⁺) – proteoliza i amonifikacja,

- asymilacja jonów NH₄⁺ i synteza białka przez drobnoustroje i rośliny,

- nitryfikacja jonów NH₄⁺, wytwarzanie azotanów (V) z pośrednim wytwarzaniem azotanów (III),

- asymilacja azotanów (V) przez rośliny i mikroorganizmy (zbiałczanie),

- redukcja w warunkach beztlenowych azotanów (V) do azotanów (III) lub azotu cząsteczkowego – denitryfikacja.

1. Formy azotu w glebie

Azot jest wprowadzany do gleby w formie nieorganicznej wraz z nawozami mineralnymi oraz w formie organicznej razem z nawozami organicznymi i ze szczątkami obumarłych roślin i zwierząt. Związki te dzięki działalności mikroorganizmów glebowych ulegają rozkładowi do form dostępnych dla większości organizmów żywych, może być asymilowany do atmosfery przez mikroorganizmy i włączany do obiegu tego pierwiastka w przyrodzie. (W glebie N organiczny – 94%; N mineralny – 6%).

Głównym źródłem azotu w glebie są resztki roślinne. Azot występuje w formach

organicznych reprezentowanych przez:

- swoiste związki próchniczne
- aminokwasy
- aminocukry
- kwasy nukleinowe

Ponadto niewielkie ilości azotu występują w glebie w postaci glicerofosforanów, amin, witamin i pestycydów oraz produktów ich rozkładu.

1. Czynniki determinujące zawartość azotu

- nawozy zawierające potas i fosfor obniżają zawartość azotu w glebie,

- niedobór azotu w glebie uzupełnia się nawozami azotowymi,

- na zawartość azotu w glebie mają wpływ rośliny pobierające go i akumulowane w tkankach,

- odpowiedni odczyn pH gleby wpływa na większą zasobność,

- intensyfikacja procesu mineralizacjo azotu,

- największe tempo uwalniania azotu przypada na letnie miesiące, pod wpływem ciepła w glebie zmniejsza się ilość N.

1. Amonifikacja

• Warunki

Rozkładowi białka w glebie towarzyszy powstawanie amoniaku. Jest to proces zwany amonifikacją. Białka rozkłada wiele grzybów i bakterii m.in w tym Bacillus cereus var. mycoides, Proteus vulgaris i bakterie z rodzaju Pseudomonas. Proces przebiega w kilku etapach, najpierw następuje dekarboksylacja, w wyniku której powstają aminy pierwszorzędowe i CO₂. Produktami amonifikacji są NH₃ i NH₄⁺, wydziela się woda i przenośnik elektronów np. NAD.

Amonifikacja zachodzi zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych - nie wymaga udziału tlenu. Do jej przebiegu niezbędna jest obecność odpowiednich mikroorganizmów przeprowadzających ten proces.

Hydrolityczna zachodzi u bakterii; prowadzi do powstania hydroksykwasów:

Reduktywna zachodzi u bakterii; prowadzi do powstania kwasów nasyconych:

Saturatywna zachodzi u bakterii, zwierząt i roślin. Prowadzi do wytworzenia kwasów nienasyconych. Katalizowana przez deaminazy (reakcja odwracalna)

HOOC- CH₂- CH(NH₂)-COOH HOOC- CH=CH-COOH + NH₃

_{ASPARAGINIAN FUMARAN}

Oksydatywna zachodzi u kręgowców; następuje odwodorowanie aminokwasu przy udziale enzymu dehydrogenazy (koenzym FAD, rzadziej NAD+) do iminokwasu, następnie samorzutne dołączenie wody z odłączeniem amoniaku:

typu Sticklanda

alanina + 2 glicyna → 3 kwas octowy + 3 NH₃ + CO₂

kwas octowy po przekształceniu w acetylo-Co-A jest metabolizowany w cyklu Krebsa.

• Znaczenie

- powstające z mineralizacji (amonifikacji) związki amonowe zawierają kation NH₄⁺, który jest absorbowany przez kompleks sorpcyjny gleby. Związki amonowe ulegają nitryfikacji do formy anionowej – azotanów NO₃, które mogą być pobrane przez rośliny i mikroorganizmy glebowe lub łatwo wypłukane z gleby oraz zredukowane do form gazowych ulatniających się do atmosfery (denitryfikacja).

• Drobnoustroje

Mikroorganizmy prowadzące amonifikację:

Rodzina: Enterobacteriaceae – Escherichia coli, Enterobacter aerogenes, Proteus vulgaris, Salmonella, Shigella

Rodzaj: Pseudomonas – P. fluorescens, P. aeruginosa

Rodzaj: Bacillus – B. mycoides, B. subtilis

Rodzaj: Micrococcus

grzyby z rodzajów: Aspergillus, Mucor, Cladosporium, Botritis

promieniowce

• hydroliza mocznika

Hydroliza mocznika CO(NH₂)₂ jest uważana za przykład deaminacji hydrolitycznej. Wiele bakterii mocznikowych (Urobacillus, Sporosarcina, Proteus, Providencia, Morganella) przy udziale enzymu - ureazy ma zdolność wykorzystania mocznika jako źródła azotu. Bakterie te hydrolizują cały dostępny mocznik do amoniaku, podwyższając przy tym pH do wartości 9-10, do jakiej są przystosowane. 

NH₂ - CO - NH₂ + 2H₂O ----> 2NH₃ + CO₂ + H₂O

Bakterie rozszczepiające mocznik - Bacillus pasteurii, Sporosarcina ureae, Proteus vulgaris.

1. Immobilizacja azotu

włączenie N mineralnego pochodzącego z gleby lub z nawozów w biomasę mikroorganizmów

Polega na pobieraniu azotanów przez drobnoustroje do budowy własnego białka. Przebiegać może w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. Intensywność i przebieg zbiałczania zależy od obecności w glebie łatwo dostępnych źródeł energii. Bakterie z rodzaju Pseudomonas.

1. Stosunek C:N a właściwości mikrobiologiczne gleby

Dostępność dla roślin azotu uwalnianego podczas rozkładu szczątków roślinnych zależy od stosunku C:N rozkładającej się substancji organicznej. Gdy stosunek ten jest zbyt szeroki (powyżej 32:1), wówczas następuje spowolnienie mineralizacji substancji organicznej oraz pobieranie azotu przyswajalnego dla roślin przez mikroorganizmy (uwstecznianie, zbiałczanie). Gdy jest on węższy, następuje intensyfikacja mineralizacji azotu, który nie jest wykorzystywany przez rośliny. (Thompson, Troeh 1978)

Jak można się spodziewać stosunek C:N próchnicy glebowej będzie niższy (węższy) niż nierozłożonych szczątków roślinnych, ponieważ:

 podczas rozkładu resztek przez mikroorganizmy następuje włączenie części węgla w ich organizmy, a reszta C wydziela się jako CO₂. Po kilku pierwszych miesiącach procesu rozkładu tylko 1/3 węgla wnoszonego ze szczątkami pozostaje w glebie.

 proces rozkładu jest połączony ze zmianą form organicznych N w formy mineralne, których część jest wykorzystana przez mikroorganizmy do budowy własnych komórek.

W glebach stosunek C:N jest różny w zależności od rodzaju gleby. W glebach darniowych jest zwykle węższy niż w glebach leśnych. Natomiast w poziomach próchnicznych profilu glebowego jest zwykle szerszy niż w poziomach mineralnych. Stosunek ten prawie zawsze szybko sią zawęża wraz ze wzrostem głębokości w profilu. Dla większości gleb stosunek C:N w poziomie próchnicznym wynosi od 8 do 15, najczęściej 10-12.

- Jeśli stosunek C:N w rozkładanej substancji organicznej jest szerszy niż 25:1 nastąpi immobilizacja azotu (zbiałczanie)

- Gdy stosunek C:N jest zbyt szeroki (powyżej 32:1) następuje spowolnienie mineralizacji i immobilizacji azotu

- Jeśli stosunek C:N jest mniejszy niż 25:1 to immobilizacja azotu nie zachodzi, następuje zatem intensywna mineralizacja azotu

- w poziomach próchnicznych profilu glebowego jest zwykle szerszy niż w poziomach mineralnych. Stosunek ten prawie zawsze szybko się zawęża wraz ze wzrostem głębokości w profilu. Dla większości gleb stosunek C:N w poziomie próchnicznym wynosi od 8 do 15, najczęściej 10-12