Откуда берется энергия нитрифицирующих бактерий?

Все живые существа нуждаются в питании. Для одних источником энергии является солнечный свет, другие используют для этой цели химические реакции, третьи получают питание за счет двух первых групп. В первую группу входят все растения, представители второй – нитрифицирующие бактерии, в третьей группе находятся все животные, в том числе и мы с вами.

Как организмы получают энергию из неорганических веществ?

Все зеленые растения и многие бактерии могут сами вырабатывать питательные органические вещества из неорганических (вода, углекислый газ и др.). Эта группа живых организмов получила название автотрофы (от лат. «самопитающиеся»), или продуценты, и является первым звеном пищевой цепи.

Организмы, получающие энергию от солнечного света в процессе фотосинтеза, носят название фототрофы. Нитрифицирующие бактерии относят к группе микроорганизмов, которые используют в качестве источника питания энергию химических реакций окисления. Такие организмы называют хемотрофами.

Нитрифицирующие бактерии (хемотрофы) не усваивают органику, содержащуюся в почве или воде. Они, напротив, синтезируют строительный материал для создания живой клетки.

Вещества, получаемые нитрифицирующей бактерией из почвы и воды, окисляются, а образующаяся при этом энергия идет на синтез сложных органических молекул из воды и углекислого газа. Это так называемый процесс хемосинтеза.

Хемосинтезирующие организмы, как и все автотрофы, обходятся без поступления извне необходимых питательных веществ, они вырабатывают их самостоятельно. Однако в отличие от зеленых растений нитрифицирующие бактерии не нуждаются даже в солнечном свете для процесса питания.

Есть организмы, использующие для получения энергии электричество. Недавно группа японских ученых опубликовала результаты исследования бактерий, живущих около глубоководных горячих источников. При трении водного потока о каменные выступы на дне образуется слабый заряд электричества, который и использовали изучаемые бактерии для получения пищи.

Что нужно для питания растений?

Обитающие в почве нитрифицирующие бактерии способом окисления разлагают аммиак, который образуется от гниения органики, до азотистой кислоты. Другие бактерии окисляют (добавляют кислород с выделением энергии) азотистую кислоту до азотной. В свою очередь обе эти кислоты с помощью минеральных веществ из почвы создают соли и фосфаты для питания растений.

Кроме этого, для питания необходим азот, содержащийся в окружающей среде. Однако самостоятельно добывать его растения не способны. На помощь приходят азотфиксирующие бактерии. Они усваивают азот, находящийся в воздухе, и переводят его в доступную для растительности форму – соединения аммония. Азотфиксирующие нитрифицирующие бактерии могут свободно жить в почве (азотобактер, клостридиум) или находиться в симбиозе с высшими растениями (клубеньковые).

Следующее звено в пищевой цепочке

Большая группа живых организмов не умеет самостоятельно синтезировать нужные органические соединения из неорганических. Такие организмы носят название гетеротрофы, или консументы (от лат. «употреблять»). Они получают органические вещества извне, а затем перестраивают молекулы для своего пользования, то есть напрямую зависят от продуктов фотосинтеза. Консументами являются грибы, животные, многие бактерии, паразиты и хищные растения.

Например, употребляя пищу растительного происхождения, мы напрямую используем продукт, синтезированный за счет энергии солнечного света. С животной пищей мы получаем готовые органические вещества, которые были получены животными из растений.

Однако полностью разложить получаемую органическую пищу гетеротрофы не могут. Всегда остаются отходы жизнедеятельности, которыми, в свою очередь, занимается отдельная группа микроорганизмов.

Кто занимается утилизацией отходов в природе

Бактерии и грибы, использующие отмершие остатки живых организмов, называют редуцентами (от лат. «восстановление»). Они разлагают органические остатки способом окисления до неорганики и простейших органических соединений. От прочих живых существ редуценты отличаются тем, что не имеют твердых непереваренных остатков.

В процессе биологической очистки принимают активное участие гетеротрофные и автотрофные нитрифицирующие бактерии, обитающие в почве, иле, гниющих остатках, водоемах. Они превращают аммиак, выделяемый другими живыми организмами вместе с отходами жизнедеятельности, в соли азотной кислоты (нитраты). Процесс нитрификации происходит в два этапа. Сначала аммиак окисляется до нитрита, затем следующая группа бактерий окисляет нитрит до нитрата.

Эта группа бактерий возвращает в почву и воду минеральные соли, которые вновь используются продуцентами-автотрофами. Таким способом замыкается оборот минеральных составляющих в природе.

Живые биологические фильтры

На практике свойства нитрифицирующих бактерий широко используют в создании биологических фильтров для аквариумов.

Аквариум с чистыми стенками и прозрачной водой, в которой плавают разноцветные рыбки, – украшение для любого помещения и предмет законной гордости владельца. Добиться чистоты в аквариуме не так-то просто. Остатки корма, экскременты рыб, частички отмерших водорослей не делают воду чище.

Довольно долгое время любители аквариумов использовали только способы механической очистки. В отличие от механики биологический фильтр — это не прибор, а некая совокупность процессов, в результате которых из воды удаляются токсичные соединения:

1. Содержащийся в мочевине аммоний, который при повышении рН воды превращается в более опасный аммиак. Соотношение температуры и рН воды в аквариуме напрямую связано с количеством токсичного аммиака. При 20⁰С и рН 7 содержание аммиака 0,5%, а при 25⁰С и рН 8,4 – уже 10%.
2. Следующая опасность – нитрит, получаемый при окислении аммиака.
3. Окисление нитрита дает нитрат, который тоже токсичен.

Понизить содержание токсичных веществ в воде аквариума можно многими способами. Некоторые зависят только от человека, например, своевременная смена воды. Другие происходят сами по себе – растения и микроорганизмы усваивают соединения азота для собственных надобностей.

Первый способ трудозатратен (кому захочется бегать с ведрами?), а второй требует определенных условий – бактериям нужна пища, комфортная температура и место для жизни.

В биологическом фильтре для аквариумов участвуют две группы бактерий – нитрифицирующие (Nitrosomonas) и нитробактерии (Nitrobacter). Нитрифицирующие бактерии делают из аммиака нитриты, а нитробактерии – из нитрита нитрат. Результат последней реакции частично используется водорослями, но основное количество нитрата можно удалить, только сменив воду в аквариуме. От необходимости бегать с ведрами не смогут освободить никакие бактерии.

Для комфортного проживания бактерий в аквариуме нужна температура 26 -27⁰С, наличие кислорода (аэрация) и фотосинтез (водные растения). Пищей их обеспечат обитатели аквариума, а домом послужит аквариумная почва.

Итак, микроорганизмы обрабатывают неорганические вещества, находящиеся в окружающей среде, и создают в почве условия для питания растений. Источником энергии для животных служат, в свою очередь, растения. На следующем этапе животные-хищники забирают энергию у своих травоядных собратьев. Человек, как все высшие хищники, может получать питание и от растений, и от животных. Остатки жизнедеятельности животных и растений служат пищей для микроорганизмов, поставляющих неорганические вещества. Круг замкнулся.

Поддержание жизни и получение энергии возможно в совершенно разных природных условиях. Возможность зарождения новой жизни в непредставимых, на первый взгляд, условиях доказывает, насколько многогранна и пока мало изучена наша среда обитания.