Аммонификация

Круговорот азота

В природе происходит постоянный круговорот азота, в котором участвуют растения, животные, микроорганизмы. Азот входит в состав белков и продуктов их разложения (пептиды, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания), а также в состав мочевины и мочевой кислоты, азотсодержащего полисахарида хитина, гумусовых кислот. Аммонифицирующие микроорганизмы осуществляют разложение органических веществ, переводя азот органических соединений в минеральную форму (аммонийные соли, соли азотистой и азотной кислоты, молекулярный азот и аммиак), а также органические вещества своих клеток. Нитрифицирующие бактерии способны превращать аммиак в азотистую кислоту, а затем в азотную. Затем в процессе денитрификации происходит выделение свободного азота в атмосферу. Зеленые растения при синтезе белков способны использовать только азот минеральных солей - нитратов и нитритов (в меньшей степени аммонийных солей), свободный азот воздуха и связанный в органических соединениях азот им недоступен. Азот из атмосферного воздуха способны ассимилировать только специальные азотфиксирующие бактерии.

Аммонификация белка. Высокомолекулярные соединения, которыми являются белки, не могут непосредственно усваиваться микроорганизмами. Они должны быть расщеплены на составные части. Процесс минерализации белковых веществ микроорганизмами с выделением аммиака или образованием аммонийных солей называется аммонификациейбелка, или гниением, а микроорганизмы, вызывающие этот процесс – аммонифицирующими, или гнилостными микроорганизмами.

Аммонификация белков начинается с их гидролиза под действием протеолитических экзоферментов микроорганизмов. Происходит последовательное образование пептонов, пептидов и аминокислот. Из полученных соединений наиболее доступными для микроорганизмов являются аминокислоты, которые растворимы в воде. В таком виде они поступают внутрь микробной клетки, где подвергаются воздействию эндоферментов, в частности дезаминированию под воздействием ферментов дезаминаз. Существуют несколько типов дезаминирования (гидролитическое, окислительное, восстановительное и др.), которые приводят к образованию аммиака, оксикислот (гидрокислот), жирных кислот, кетокислот. Во всех случаях при любом типе дезаминирования среди конечных продуктов всегда обнаруживается аммиак:

+H2O

Гидролитическоедезаминирование: R-CHNH2-COOH → R-CHOH-COOH +NH3

гидрокислота

+H2

Восстановительноедезаминирование: R-CHNH2-COOH → R-CH2-COOH +NH3

жирная кислота

+O2

Окислительноедезаминирование: R-CHNH2-COOH → R-C=O-COOH +NH3

кетокислота

В аэробных условиях, кроме аммиака, образуется диоксид углерода, сероводород, в анаэробных - жирные и ароматические кислоты (бензойная и др.), спирты, индол, скатол, фенол, меркаптаны. В аэробных условиях происходит полное окисление жирных кислот с образованием СО2 и H2O.

Кроме дезаминирования внутри микробной клетки возможны и другие превращения аминокислот – 1) декарбоксилирование, в результате которого появляются первичные амины (предшественники трупных ядов); 2) переаминирование, приводящее к появлению новых аминокислот; 3) синтез белка.

Декарбоксилирование происходит под воздействием эндоферментов декарбоксилаз с образованием СО2 и первичных аминов:

R-CHNH2-COOH → R- CH2 - NH2 + СО2

Сероводород образуется из аминокислот, содержащих серу:

+H2O

SH-CH2CH-NH2-COOH → CH2OH-CHOH-COOH + H2S + NH3

цистеин глицериновая кислота

В анаэробных условиях не происходит полного окисления жирных кислот, и они накапливаются в среде. Из ароматических аминокислот в анаэробных условия образуются неприятно пахнущие вещества – индол, скатол, фенол.

тирозин крезол фенол

триптофан скатол индол

Из серусодержащих аминокислот образуются меркаптаны:

SH-CH2CH-NH2-COOH → SH-CH2-CH3OH + СО2 + NH3

цистеин этил меркаптан

Индол, скатол, крезол, меркаптаны являются ядовитыми веществами. Первичные амины (диамины и птомаины) называются также биогенными аминами. Они являются токсическими соединениями, предшественниками трупных ядов.

Аммонификацию белков вызывают микроорганизмы, обладающие протеолитическими ферментами (протеазами). К аэробным аммонификаторам относятся в основном спорообразующие палочки рода Bacillus (B.mesentericus, B.subtilis, B.mycoides, B.megaterium и др.), неспорообразующие палочки рода Pseudomonas (например, P.fluorescens). Факультативно-анаэробные аммонификаторы - это в основном представители семейства Enterobacteriaceae (Proteus vulgaris, Escherichia coli). Аммонифицирующие микроорганизмы встречаются среди актиномицетов, микроскопических грибов, (например, грибы родов Penicillium, Mucor, Apergillus, Trichoderma и др.). Гнилостные анаэробные микроорганизмы – это спорообразующие бактерии рода Clostridium (C.perfringens, C.sporogenes, C.putrificum).

Аммонификация нуклеиновых кислот. Аммонификацию нуклеиновых кислот вызывают микроорганизмы, продуцирующие нуклеазы.Нуклеазы (внеклеточные ДНК-азы и РНК-азы) найдены у многих микроорганизмов – представителей родов Bacillus, Mycobacterium, Nocardia и др. (например, B.megatherium). При распаде нуклеиновых кислот и их производных (пуриновых и пиримидиновых оснований) тоже выделяется аммиак.

Аммонификация мочевины. Мочевина (карбамид) попадает во внешнюю среду в основном с мочой. Человек за сутки выделяет с мочой до 80 г мочевины. Азот в мочевине составляет 46%. За год люди и животные выделяют с мочой свыше 10 млн. т азота. Азот мочевины может усваиваться растениями только после ее разложения. Аммонификацию мочевины осуществляют микроорганизмы, продуцирующие фермент уреазу, под воздействием которого мочевина разлагается до углекислого аммония, который легко распадается на аммиак, углекислый газ и воду:

(NH2)2CO + H2O → (NH4)2СО3 → 2 NH3 + СО2 + H2O

Микроорганизмы, разлагающие мочевину, были открыты в 1862 г. Л.Пастером и названы уролитическими. Это аэробы бактерии, образующие споры. Среди них есть кокки (Micrococcus urea), сарцины (Planosarcina urea), бациллы (Bacillus probates, B.pasteurii). Благодаря образованию углекислого аммония при развитии уробактерий происходит подщелачивание среды (до рН 9-10). Уробактерии относятся к наиболее щелочелюбивым микроорганизмам, оптимум их развития при рН 7,5-8,5. Уробактерии обитают в почве, в рубце жвачных животных, в сточных водах. За счет разложения мочевины почва и водоемы обогащаются доступными для растений формами азота.

Аммонификация мочевой кислоты. Одним из конечных продуктов белкового обмена животных (птиц, пресмыкающихся, насекомых) является мочевая кислота. В помете птиц (гуано) она составляет 25%. В мочек млекопитающих концентрация мочевой кислоты незначительна. Разложение мочевой кислоты осуществляется рядом микроорганизмов (например, Clostridium acidiurici) с образованием мочевины и тартроновой кислоты (НООС-СНОН-СООН).

Аммонификация хитина. Хитин – очень стойкое соединение. Это сложный азотсодержащий полисахарид. Структурными элементами хитина являются остатки N-ацетилглюкозамина, соединенные 1,4-глико-зидными связями. Хитин является основным компонентом клеточной стенки многих грибов (например, базидиомицетов, аскомицетов), а также панцирных покровов насекомых, ракообразных, некоторых беспозвоночных. После отмирания этих микроорганизмов хитин попадает в почву, водоемы, где разлагается микроорганизмами, продуцирующими хитиназы. Хитиназы широко распространены у актиномицетов, мукоровых грибов, представителей рода Bacterium (B. chitino-vorum, B.chitinophilum). В 1 г почвы содержится до 106 клеток микроорганизмов, использующих хитин. При разложении хитина образуется аммиак, глюкоза и уксусная кислота.

Аммонификация гумусовых веществ. Значительная часть связанного азота в почве содержится в форме перегнойных (гумусовых) веществ. Их разложение происходит медленно и осуществляется различными группами почвенных бактерий.