1.5 Метаболизм микроорганизмов

Питательное вещество попав внутрь клетки микроорганизма, участвует во множестве разнообразных химических реакции. Эти реакции, а также все остальные химические проявления жизнедеятельности микроорганизмов носят общее название метаболизма (обмена веществ). Метаболизм включает две группы жизненно важных процессов – катаболизм и биосинтез.

Катаболизм (энергетический обмен) – это процессы расщепления пищевых веществ – углеводов, жиров и белков, которые происходят в основном за счет реакций окисления, в результате чего выделяется энергия. У микроорганизмов различают две основные формы катаболизма – аэробное дыхание и брожение. При аэробном дыхании осуществляется полное разрушение органических веществ с выходом большого количества энергии и образованием бедных энергией конечных продуктов (СО₂, Н₂О). При брожении происходит неполный распад органических веществ с высвобождением незначительного количества энергии и накоплением богатых энергией конечных продуктов (этилового спирта, молочной масляной и других кислот). Высвобождающаяся при катаболизме органических веществ свободная энергия аккумулируется в форме энергии фосфатных связей аденозинтрифосфата (АТФ).

Биосинтез (конструктивный обмен) объединяет процессы синтеза макромолекул клетки (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов) из более простых соединений, присутствующих в окружающей среде. Процессы биосинтеза связаны с потреблением свободной энергии, которая вырабатывается в результате аэробного дыхания или брожения (фотосинтезе или хемосинтезе) и поставляется в форме АТФ. Катаболизм и биосинтез протекают одновременно, многие реакции и промежуточные продукты являются для них общими.

1.6 Превращение микроорганизмами соединений азота и углерода

Микроорганизмы играют главную роль в круговороте всех биологически важных элементов в природе в том числе азота и углерода.

Азот – основной элемент, определяющий величину урожая сельскохозяйственных культур. Растениям недоступен газообразный азот, в огромном количестве находящийся в воздухе, а из большого разнообразия соединений азота, встречающихся в почве, они могут использовать для питания в основном только минеральные формы этого элемента. Поэтому вопрос о превращениях соединений азота в почве под воздействием микроорганизмов привлекает большое внимание ученых.

Цикл превращений азота и содержащих этот элемент соединений в почве весьма сложен:

Атмосферный азот  
Денитрификация Нитраты восстанавливаются в газообразный азот бактериями, главным образом Pseudomonas 	Фиксация азота Атмосферный азот фиксируют бактерии Azotobacter, Сlostridium, Rhizobium, цианобактерии и другие микроорганизмы (фиксированный азот используют растения и превращают его в растительный белок; растения поедаются животными, образуется животный белок) 
Нитрификация Аммиак окисляют в нитриты бактерии Nitrosomonas, а нитриты – в нитраты бактерии Nitrobacter	Аммонификация белков и аминокислот Белки животных и растительных остатков (экскременты, трупы животных и растительные ткани) разлагаются в почве разнообразными микроорганизмами, например Pseudomonas, Bacillus, Сlostridium. В результате образуются аминокислоты, затем дезаминируются с выделением NH3 и других соединений

Некоторую часть атмосферного азота связывают свободноживущие или находящиеся в симбиозе растениями микроорганизмы. Этот процесс обогащает азотом и почву и растения. Органические азотсодержащие соединения в тканях растений и животных, попадая в почву, подвергаются минерализации и превращаются в аммоний и его соединения. Часть растительных остатков трансформируется в темноокрашенное, содержащее азот вещество – гумус.

Аммонийная форма азота подвергается в почве окислению нитрифицирующими бактериями и превращается в соединения азотной кислоты. При определенных условиях нитраты могут восстанавливаться до молекулярного азота и теряться из почвы. Значительное количество азотсодержащих соединений ассимилируется микроорганизмами и временно переходит в недоступную растениям форму.

Микроорганизмы вызывают мобилизационные процессы и накапливают доступные для растений минеральные азотсодержащие вещества. В то же время могут происходить диаметрально противоположные иммобилизационные процессы, обедняющие почву ценными для растений соединениями.

В круговороте углерода различают два процесса, связанных с выделением и поглощением кислорода:

1. фиксация СО₂ в процессе кислородного фотосинтеза;

2. минерализация органических веществ с выделением СО₂.

Первый процесс осуществляют высшие растения, водоросли и цианобактерии. Он обеспечивает перевод окисленной формы углерода (СО₂) в востановленную (в этой форме углерод находится в органических веществах), при этом восстановленный кислород (Н₂О) окисляется до молекулярного (О₂).

Второй процесс совершают микроорганизмы, он идет с поглощением кислорода и прямо или косвенно связан с восстановлением молекулярного кислорода и образованием субстратов для кислородного фотосинтеза – СО₂ и Н₂О.