Según el tipo de nutrición, todos los organismos vivos conocidos se dividen en dos grandes tipos: heterótrofos y autótrofos. Una característica distintiva de estos últimos es su capacidad para construir nuevos elementos de forma independiente a partir de dióxido de carbono y otras sustancias inorgánicas.
Las fuentes de energía que sustentan su actividad vital determinan su división en fotoaftótrofos (la fuente es la luz) y quimioautótrofos (la fuente son los minerales). Y dependiendo del nombre del sustrato oxidado por los quimioautortófitos, se dividen en hidrógeno y bacterias nitrificantes, así como en bacterias del azufre y del hierro.
Este artículo estará dedicado al grupo más común entre ellos: las bacterias nitrificantes.
Historial de descubrimientos
Incluso a mediados del siglo XIX, científicos alemanes demostraron que el proceso de nitrificación es biológico. De forma empírica, demostraron que cuando se añadía cloroformo a las aguas residuales, se detenía la oxidación del amoníaco. Pero para explicar por qué sucede esto, nopodría.
Esto lo hizo unos años más tarde el científico ruso Vinogradsky. Identificó dos grupos de bacterias que participaban gradualmente en el proceso de nitrificación. Así, un grupo aseguró la oxidación del amonio a ácido nitroso, y el segundo grupo de bacterias fue responsable de su conversión en ácido nítrico. Todas las bacterias nitrificantes involucradas en este proceso son Gram-negativas.
Características del proceso de oxidación
El proceso de formación de nitritos por oxidación del amonio tiene varias etapas, durante las cuales se forman compuestos que contienen nitrógeno con diferentes grados de oxidación del grupo NH.
El primer producto de la oxidación del amonio es la hidroxilamina. Lo más probable es que se forme debido a la inclusión de oxígeno molecular en el grupo NH4, aunque este proceso no se ha probado finalmente y sigue siendo discutible.
A continuación, la hidroxilamina se convierte en nitrito. Presuntamente, el proceso se lleva a cabo mediante la formación de NOH (hiponitrito) con liberación de óxido nitroso. En este caso, los científicos consideran que la producción de óxido nitroso es solo un subproducto de la síntesis, debido a la reducción de nitrito.
Además de la producción de elementos químicos, durante la desnitrificación se libera una gran cantidad de energía. Similar a lo que sucede en los organismos aeróbicos heterótrofos, en este caso la síntesis de moléculas de ATP está asociada con procesos redox, como resultado de lo cual los electrones se transfieren al oxígeno.
Cuando se oxida el nitrito, el proceso de transporte inverso juega un papel importanteelectrones La inclusión de sus electrones en la cadena se produce directamente en los citocromos (tipo C y/o tipo A), y esto requiere una cantidad de energía bastante grande. Como resultado, las bacterias nitrificantes quimioautotróficas cuentan con la reserva de energía necesaria, que se utiliza para los procesos de construcción y asimilación de dióxido de carbono.
Tipos de bacterias nitrificantes
Cuatro géneros de nitrobacterias participan en la primera fase de la nitrificación:
- nitrosomonas;
- nitrocistis;
- nitrosolubus;
- nitrosospira.
Por cierto, puedes ver las bacterias nitrificantes en la imagen sugerida (foto bajo un microscopio).
Experimentalmente, entre ellos es bastante difícil y, a menudo, completamente imposible destacar una de las culturas, por lo que su consideración es predominantemente compleja. Todos los microorganismos enumerados tienen un tamaño de hasta 2-2,5 micrones y son predominantemente de forma ovalada o redonda (con la excepción de la nitrospira, que tiene la forma de un palo). Son capaces de fisión binaria y movimiento dirigido debido a flagelos.
Participa la segunda fase de la nitrificación:
- género Nitrobacter;
- tipo nitrospin;
- nitrococo.
La cepa de bacteria más estudiada del género Nitrbacter, llamada así por su descubridor Vinogradsky. Estas bacterias nitrificantes tienen células en forma de pera, se multiplican por gemación, con la formación de una célula hija móvil (debido al flagelo).
Estructura de las bacterias
Las bacterias nitrificantes estudiadas tienen una estructura celular similar a la de otros microorganismos gramnegativos. Algunas de ellas tienen un sistema bastante desarrollado de membranas internas que forman un apilamiento en el centro de la célula, mientras que en otras se ubican más en la periferia o forman una estructura en forma de copa, formada por varias hojas. Aparentemente, es con estas formaciones que se asocian enzimas que están involucradas en el proceso de oxidación de sustratos específicos por nitrificantes.
Bacterias nitrificantes tipo de alimento
Las nitrobacterias son autótrofas obligadas, ya que no son capaces de utilizar sustancias orgánicas exógenas. Sin embargo, se ha demostrado experimentalmente la capacidad de algunas cepas de bacterias nitrificantes para utilizar algunos compuestos orgánicos.
Se encontró que el sustrato que contenía autolisados de levadura, serina y glutamato en bajas concentraciones, estimulaba el crecimiento de nitrobacterias. Esto ocurre tanto en presencia de nitrito como en su ausencia en el medio nutritivo, aunque el proceso es mucho más lento. Por el contrario, en presencia de nitrito, se suprime la oxidación del acetato, pero la incorporación de su carbono a las proteínas, varios aminoácidos y otros componentes celulares aumenta significativamente.
Como resultado de varios experimentos, se obtuvieron datos de que las bacterias nitrificantes aún pueden cambiar a la nutrición heterótrofa, pero queda por ver cuán productivas y durante cuánto tiempo pueden existir en tales condiciones. Siempre que los datos sean suficientesinconsistente para sacar conclusiones finales sobre este asunto.
Hábitat e importancia de las bacterias nitrificantes
Las bacterias nitrificantes son quimioautótrofas y están ampliamente distribuidas en la naturaleza. Se encuentran en todas partes: en el suelo, diversos sustratos, así como en cuerpos de agua. El proceso de su actividad vital hace una gran contribución al ciclo general del nitrógeno en la naturaleza y, de hecho, puede alcanzar proporciones enormes.
Por ejemplo, un microorganismo como nitrocystis oceanus, aislado del Océano Atlántico, pertenece a los halófilos obligados. Solo puede existir en agua de mar o sustratos que la contengan. Para tales microorganismos, no solo es importante el hábitat, sino también constantes como el pH y la temperatura.
Todas las bacterias nitrificantes conocidas se clasifican como aerobias obligadas. Necesitan oxígeno para oxidar el amonio a ácido nitroso y el ácido nitroso a ácido nítrico.
Condiciones del hábitat
Otro punto importante que los científicos han identificado es que el lugar donde viven las bacterias nitrificantes no debe contener materia orgánica. Se planteó la teoría de que estos microorganismos, en principio, no pueden utilizar compuestos orgánicos del exterior. Incluso se les ha llamado autótrofos obligados.
Posteriormente, se demostró repetidamente el efecto perjudicial de la glucosa, la urea, la peptona, la glicerina y otros compuestos orgánicos sobre las bacterias nitrificantes, pero los experimentos no se detienen.
La importancia de las bacterias nitrificantes parasuelo
Hasta hace poco, se creía que los nitrificantes tienen un efecto beneficioso sobre el suelo, aumentando su fertilidad al descomponer el amonio en nitratos. Estos últimos no solo son bien absorbidos por las plantas, sino que también aumentan por sí mismos la solubilidad de ciertos minerales.
Sin embargo, en los últimos años, los puntos de vista científicos han ido cambiando. Se reveló el efecto negativo de los microorganismos descritos sobre la fertilidad del suelo. Las bacterias nitrificantes, formando nitratos, acidifican el ambiente, lo que no siempre es positivo, y además provocan la saturación del suelo con iones de amonio en mayor medida que los nitratos. Además, los nitratos tienen la capacidad de reducirse a N2 (durante la desnitrificación), lo que a su vez conduce al agotamiento del nitrógeno en el suelo.
¿Cuál es el peligro de las bacterias nitrificantes?
Algunas cepas de nitrobacterias en presencia de un sustrato orgánico pueden oxidar el amonio, formar hidroxilamina y, posteriormente, nitritos y nitratos. Además, como resultado de tales reacciones, pueden producirse ácidos hidroxámicos. Además, una serie de bacterias llevan a cabo el proceso de nitrificación de diversos compuestos que contienen nitrógeno (oximas, aminas, amidas, hidroxamatos y otros compuestos nitro).
La escala de nitrificación heterótrofa bajo ciertas condiciones puede ser no solo enorme, sino también muy perjudicial. El peligro radica en el hecho de que en el curso de tales transformaciones, se produce la formación de sustancias tóxicas, mutágenos y cancerígenos. Por lo tanto, los científicos están estrechamenteestán trabajando para estudiar este tema.
Filtro biológico siempre a mano
Las bacterias nitrificantes no son un concepto abstracto, sino una forma de vida muy común. Además, los humanos suelen utilizarlos.
Por ejemplo, estas bacterias forman parte de los filtros biológicos de los acuarios. Este tipo de limpieza es menos costosa y menos laboriosa que la limpieza mecánica, pero al mismo tiempo requiere el cumplimiento de ciertas condiciones para asegurar el crecimiento y la actividad vital de las bacterias nitrificantes.
El microclima más favorable para ellos es la temperatura ambiente (en este caso agua) del orden de 25-26 grados centígrados, un suministro constante de oxígeno y la presencia de plantas acuáticas.
Bacterias nitrificantes en la agricultura
Para aumentar los rendimientos, los agricultores utilizan varios fertilizantes que contienen bacterias nitrificantes.
La nutrición del suelo en este caso es proporcionada por nitrobacterias y azotobacterias. Estas bacterias extraen las sustancias necesarias del suelo y el agua, que forman una cantidad suficientemente grande de energía durante el proceso de oxidación. Este es el llamado proceso de quimiosíntesis, cuando la energía recibida se utiliza para formar moléculas complejas de origen orgánico a partir de dióxido de carbono y agua.
Estos microorganismos no requieren nutrientes de su entorno, pueden producirlos ellos mismos. Entonces, si las plantas verdes, que también son autótrofas, necesitanla luz del sol, entonces no es necesario para las bacterias nitrificantes.
Tierra autolimpiante
El suelo es un sustrato ideal para el crecimiento y la reproducción no solo de las plantas, sino también de muchos organismos vivos. Por lo tanto, su condición normal y su composición equilibrada son extremadamente importantes.
Cabe recordar que las bacterias nitrificantes también proporcionan una limpieza biológica del suelo. Ellos, estando en el suelo, reservorios o humus, convierten el amoníaco, que es liberado por otros microorganismos y materiales orgánicos de desecho, en nitratos (para ser más precisos, en sales de ácido nítrico). Todo el proceso consta de dos pasos:
- Oxidación de amoníaco a nitrito.
- Oxidación de nitrito a nitrato.
Al mismo tiempo, cada etapa es proporcionada por tipos separados de microorganismos.
El llamado círculo vicioso
La circulación de la energía y el mantenimiento de la vida en la Tierra es posible gracias a la observancia de ciertas leyes de la existencia de todos los seres vivos. A primera vista, es difícil entender lo que está en juego, pero en realidad todo es bastante simple.
Imaginemos la siguiente imagen de un libro de texto escolar:
- Las sustancias inorgánicas son procesadas por microorganismos y crean así condiciones favorables en el suelo para el crecimiento y la nutrición de las plantas.
- Ellos, a su vez, son una fuente indispensable de energía para la mayoría de los herbívoros.
- La siguiente cadena de este eslabón de vida son los depredadores, cuya energía es,respectivamente, sus homólogos herbívoros.
- Se sabe que las personas son grandes depredadores, lo que significa que podemos obtener energía tanto del mundo vegetal como del mundo animal.
- Y ya nuestra propia vida permanece, así como esas mismas plantas y animales, sirven como sustrato nutritivo para los microorganismos.
Así se obtiene un círculo vicioso, funcionando continuamente y dando vida a toda la vida en la Tierra. Conociendo estos principios, no es difícil imaginar cuán multifacético y realmente ilimitado es el poder de la naturaleza y todos los seres vivos.
Conclusión
En este artículo, tratamos de responder a la pregunta de qué son las bacterias nitrificantes en biología. Como puede ver, a pesar de la evidencia irrefutable de la actividad vital, el funcionamiento y la influencia de estos microorganismos, todavía hay muchos temas controvertidos que requieren más investigación experimental.
Las bacterias nitrificantes se clasifican como quimiotrofas. Varios minerales sirven como fuente de energía para ellos. A pesar de su tamaño microscópico, estos organismos vivos tienen un gran impacto en el mundo que los rodea.
Como saben, los quimiotrofos no pueden absorber los compuestos orgánicos que se encuentran en el sustrato (suelo o agua). Por el contrario, producen el material de construcción para crear una célula viva y funcional.
