Круговорот углерода: фиксация и возвращение
Углерод — основа любой органики. Его глобальный цикл начинается с фиксации, когда растения, водоросли и цианобактерии захватывают углекислый газ ($CO_2$) из атмосферы. Этот процесс осуществляется благодаря механизмам фотосинтеза.
Когда живые организмы погибают, за дело берутся микробы, запуская процесс возвращения углерода путем разложения органических остатков. Скорость и продукты этого распада зависят от доступа кислорода:
- Аэробное разложение: протекает при участии кислорода. Органические молекулы окисляются полностью, а конечными продуктами становятся диоксид углерода ($CO_2$) и обычная вода ($H_2O$).
- Анаэробное брожение: происходит в бескислородной среде. Органика расщепляется не до конца, поэтому помимо $CO_2$ образуются различные кислоты и спирты.
Типы анаэробного брожения
В зависимости от ферментативного аппарата конкретных микроорганизмов, выделяют несколько путей сбраживания углеводов.
| Тип брожения | Основные микроорганизмы | Конечные продукты |
|---|---|---|
| Спиртовое | Дрожжи | Этиловый спирт и $CO_2$ |
| Молочнокислое | Молочнокислые бактерии | Молочная кислота, уксусная кислота, $CO_2$ |
| Пропионовокислое | Пропионибактерии | Пропионовая и другие кислоты, $CO_2$ |
| Маслянокислое | Клостридии (ацетонобутиловое брожение) | Масляная и соответствующие кислоты, $CO_2$ |
Круговорот азота: связывание и распад белков
Азотный цикл сложнее углеродного и критически зависит от активности бактерий на всех этапах. Сначала атмосферный азот необходимо «зафиксировать» — перевести в связанную форму. Это делают свободноживущие почвенные микроорганизмы и клубеньковые бактерии, вступающие в симбиоз с растениями.
Следующий важнейший этап — аммонификация, или минерализация азота. Это превращение сложного органического азота (накопленного в трупах животных, остатках растений и самих микробов) в простые соединения аммония. Разрушение белков осуществляют псевдомонады, бациллы, клостридии и бактерии рода Proteus.
Распад белков также имеет два сценария:
- Аэробный: образуются аммиак, сульфаты, вода и $CO_2$.
- Анаэробный (гниение): сопровождается образованием аммиака, аминов, органических кислот и $CO_2$. Именно при гниении выделяются токсичные и зловонные вещества: сероводород ($H_2S$), индол и скатол.
Примечание: Отдельно стоит выделить уробактерии. Они специализируются на расщеплении мочевины, превращая ее в аммиак, диоксид углерода и воду.
Нитрификация и денитрификация
Растения способны усваивать аммонийные соли, образующиеся при ферментации, но наиболее легкоусвояемой формой для них являются нитраты (азотнокислые соли). Процесс перевода аммиака в нитраты называется нитрификацией. Он повышает плодородие почвы и протекает в две строгие фазы:
- Первая фаза: бактерии рода Nitrosomonas окисляют аммиак до азотистой кислоты (формируются нитриты).
- Вторая фаза: бактерии рода Nitrobacter продолжают окисление, превращая азотистую кислоту в азотную (формируются нитраты).
Параллельно в почве протекает обратный процесс — денитрификация. При нем микроорганизмы восстанавливают полезные нитраты до свободного молекулярного азота, который улетучивается обратно в атмосферу. Это приводит к обеднению запасов солей азота и неуклонному снижению плодородия почвы.
Чтобы не путать фазы нитрификации и бактерии: первая фаза — Nitrosomonas (окончание -monas, от слова «моно», один — первая ступень, нитриты). Вторая фаза — Nitrobacter (от слова «бактерия», более длинное, финальная ступень — нитраты).
Вопросы с занятий и экзамена
В чем суть аммонификации?
Это процесс минерализации, при котором азот из органических остатков (белков) переводится в соединения аммония.
Какие бактерии вызывают молочнокислое и маслянокислое брожение?
Молочнокислое брожение осуществляют молочнокислые бактерии, а маслянокислое и ацетонобутиловое — бактерии рода клостридии.
Почему денитрификация считается негативным процессом для агрономии?
В ходе денитрификации почвенные нитраты восстанавливаются до свободного атмосферного азота, что лишает растения наиболее усвояемой формы питания и снижает плодородие земли.
Что ещё разобрать по теме
- Роль псевдомонад, протея и бацилл в аэробной деструкции белковых молекул
- Специфика уробактерий: механизмы и ферменты расщепления мочевины
- Различия между аэробным распадом белков и анаэробным гниением
- Симбиоз клубеньковых бактерий и высших растений при фиксации азота
Разберите тему целиком в курсе «Микробиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Роль микроорганизмов в круговороте веществ» и ещё 4 383 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 141 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Экология микробов — микроэкология»
Бесплатные видеоуроки: микробиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.