της Δήμητρας Σπανού καθηγήτριας χημικού του 1ου Γυμνασίου Δάφνης

από τον Διονύση Σαββόπουλο

Τούτος ο κανόνας με το κανονάκι,
αν δεν είχε λόγο χαρισμένο
θα `τανε ψωμί σκουληκιασμένο.

Πούθεν έρχεται και που θε ξεχειλίζει,
μέσ’ από το ρεύμα και το χρόνο
μέσ’ απ’ τη συνήθεια και το νόμο.

Κανονάκι, κανονάκι δεν υπάρχει ορόσημο
κόβονται τα γόνατά μου στο τρελό της δόσιμο.
Είναι η χάρη που μας παίρνει, σκάει κι απογειώνεται
βρίσκει την καινούργια βία και ξανασαρκώνεται.

Εισαγωγή

Ροή ενέργειας στο φυσικό περιβάλλον, εξελικτική διαδικασία και διαμόρφωση ισορροπιών (απόσπασμα)

Η ροή και ανακύκλυση ενέργειας και ύλης γίνεται  με τους βιογεωχημικούς κύκλους

Οι βιογεωχημικοί κύκλοι περιλαμβάνουν α. φυσικούς μετασχηματισμούς όπως διάλυση, κατακρήμνηση, αεριοποίηση και ενσωμάτωση 

β. χημικές μετατροπές όπως βιοσύνθεση, βιοδιάσπαση, οξειδοαναγωγή και βιομετατροπές 

 γ. συνδυασμόυς φυσικών και χημικών μετατροπών   που μπορούν να προξενίσουν μετάθεση υλικών στον χώρο όπως ιζηματοποίηση , εξαέροση κ.α.

Με τον τρόπο αυτό η παραγώμενη ενέργεια απορροφάται, μετατρέπεται και παροδικά αποθηκεύεται και διασκορπίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε να συμβαίνει ενεργειακή ροή ή ροή ενέργειας που είναι απαραίτητη για την λειτουργία των οικοσυστημάτων.

    Περιγράφοντας το φυσικό περιβάλλον και τους  γεωβιοχημικούς κύκλους της ύλης

Οι παράγοντες που αποτελούν ένα οικοσύστημα και αλληλοεπιδρούν είναι παράγοντες ύλης και ενέργειας

Η ύλη στο γήϊνο οικοσύστημα παραμένει σχεδόν ανεπιρρέαστη εφόσον τα ποσά ύλης που δέχεται ο πλανήτης από το διάστημα (μετεωρίτες κ.α.) είναι αναλογικά πολύ μικρά. Τα χημικά στοιχεία που επικρατούν στην ζωή (άνθρακας, υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο, θείο, φωσφόρος, κ.α.) αλλά και τα άλλα σε μικρότερες αναλογίες είναι κυρίως αυτά που κυκλοφορούν σε βιοχημικούς κύκλους χημικών στοιχείων ώστε να γίνονται εκ νέου διαθέσιμα. Κύκλος του άνθρακα, κύκλος του αζώτου, κύκλος του οξυγόνου, κύκλος του θείου.

Ανακυκλώνονται επίσης αλλά με μικρότερη ένταση δευτερεύοντα στοιχεία των οργανισμών όπως μαγνήσιο, κάλιο, νάτριο και αλογόνα αλλά και  ή ιχνοστοιχεία

Ο βαθμός ανάλυσης και λεπτομέριας στην ροή των κύκλων έχει ορισμένα χαρακτηριστικά όπως 

η δεξαμενή αποθήκευσης  (τα υλικά κινούνται αργά) η δεξαμενή ανταλλαγής (μικρότερο τμήμα ανταλλαγής συστατικών)  και επίσης οι γεωβιοχημικοί κύκλοι διακρίνονται σε αέριες (υδρογόνου, οξυγόνου κ.α.) και ιζηματογενείς (φωσφόρου, θείου κ.α.)

Ο βιοχημικός κύκλος του αζώτου στην φύση

Γενικά: Αν και το άζωτο βρίσκεται σε μεγάλη αφθονία στην ατμόσφαιρα δεν είναι πολύ εύκολο να εισαχθεί στο οικοσύστημα . Η εισάγωγή και η κυκλοφορία του αζώτου σχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με τους μικροοργανισμούς.

 Το  ζητούμενο λοιπόν είναι να εισαχθεί το άφθονο αέριο άζωτο της ατμόσφαιρας στις τροφικές αλυσίδες των οικοσυστημάτων (αζωτοδέσμευση) 

πράγμα το οποίο απαιτεί ενέργεια. Το άζωτο είναι ένα αδρανές αέριο και για να ενωθεί και αν δεσμευθεί πρέπει να ενεργοποιηθεί  

Η διαδικασία της αζωτοδέσμευσης 

γίνεται με τους εξης τρόπους

α. Δέσμευση του ατμοσφαιρικού αζώτου  με την ενέργεια των κεραυνών (1)

Το δεσμευόμενο άζωτο στην ατμόσφαιρα  αποτελεί το 10% συνολικού δεσμευόμενου και αποδίδεται σε μορφή αμμωνίας ή νιτρικών ιόντων

Στο μόριο του αζώτου έχουμε 3 ομοιοπολικούς δεσμούς που απαιτείται μεγάλη ενέργεια για την διάσπασή τους. Αφού συμβεί αυτό το άζωτο συνήθως ι ενώνεται με το υδρογόνο ή το οξυγόνο των υδρατμών 

 N2  + 3H2 (ηλεκτρική ενέργεια κεραυνών ) -->>2 ΝΗ3   (5)

ή

α .  N2  + Ο2 (υψηλές θερμοκρασίες  κατά την ηλεκτρική ενέργεια κεραυνών ) -->>2 ΝΟ   (13)

ιβ. 2ΝΟ + Ο₂ → 2ΝΟ₂ 

Τα κατιόντα αμμωνίου που προκύπτουν από την μετατροπή του αζώτου της ατμόσφαιρας απορροφώνται από το έδαφος διότι  το κατιόν αμμωνίου  

είναι κατιόν ανταλλάξιμο. Ανταλλαγή γίνεται σε αργιλλώδη εδάφη σε αρνητικά φορτισμένες αργίλλους και οργανικά κολλοειδή του εδάφους. Σε ορισμένες περιπτώσεις δεσμεύεται σταθερά  σε άλλες όχι.

Δεσμεύεται σε ορισμένους κρυστάλλους όπως (βερμικουλίτες) που επιτρέπουν αφού εισέλθει στο εσωτερικό διπλοστοιβαδικών επιφανειών  τους.

Οι ιλλίτες παρουσιάζουν μικρή προσροφητικότητα, 

 ενώ τα αργιλικά πετρώματα τύπου καολίνη που μεταξύ των στρωμάτων του αναπτύσσονται ισχυροί δεσμοί δεν ανταλλάζουν αμμωνιακά ιόντα  

β. Ελεύθερη βιολογική αζωτοδέσμευση στο έδαφος με μικροοργανισμούς που περιέχουν το ένζυμο νιτρογενάση

 κατά 90%.  Αυτό συμβαίνει με ελεύθερα βακτήρια που εμπλουτίζουν το έδαφος με άλατα του αζώτου και με συμβιωτικά βακτήρια που παρέχουν  άζωτο της ατμόσφαιρας σε μορφή νιτρικών και νιτρωδών ιόντων στις ρίζες ορισμένων φυτών. 

Δέσμευση από Από ελεύθερα βακτήρια που εμπλουτίζουν το έδαφος με άλατα του αζώτου : (4) 

Οσον αφορά την ελεύθερη δέσμευση, υπάρχουν οργανισμοί που έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν το άζωτο Είναι τα κυανοφύκη,  και   βακτήρια που διαθέτουν το ένζυμο νιτρογενάση που διασπά τον τριπλό δεσμό του αζώτου και τελικά αυτό υδρογονώνεται και δίνει αμίνες των αμινοξέων

N2   -->NH4+   (καταλύεται από το ένζυμο νιτρογενάση και απαιτεί ενέργεια 15 μόρια ATP)

Η άλλη περίπτωση είναι  στην αμμωνία να επιδρούν αυτότροφα βακτήρια ώστε αυτή οξειδώνεται σε νιτρώδη ιόντα και μετά σε νιτρικά. Σαν νιτρικά ιόντα απορροφάται και αφομοιώνεται από όλους σχεδόν τους φυτικούς οργανισμούς 

η που το χρησιμοποιούν για να φτιάξουν το δικό τους οργανικό υλικό

στην συνέχεια οργανοποιείται το μεγαλύτερο ποσοστό

NH4+  -->   Αμίνες των αμινοξέων

Κατηγορίες από Βακτήρια της βιολογικής αζωτοδέσμευσης 

 Υπάρχουν 15 είδη βακτηρίων που κάνουν αζωτοδέσμευση όπως azotobacter, beijerinchia, spirillum, enterbacter, klebsiella...

Τα βακτήρια αυτά τρέφονται από οργανικά μόρια που βρίσκουν στο έδαφος  και δεσμεύουν ατμοσφαιρικό άζωτο μόνο όταν το χρειάζονται γιατί η δέσμευση έχει ενεργειακό κόστος (δέσμευση  μη συνεχής) . 

Στα βακτήρια αυτά το άζωτο που δεσμεύεται έτσι, χρησιμοποιείται για κατασκευή ιστών και είναι το 90% του συνολικά δεσμευμένου.

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ

γ. Η συμβιωτική αζωτοδέσμευση (9)

Οσον αφορά την συμβιωτική δέσμευση υπάρχουν Βακτήρια όπως τα rhizobium , bradyrhizobium, azorhizobium που επίσης  δεσμεύουν το ατμοσφαιρικό άζωτο. Τα βακτήρια αυτά, κάτω υπό ορισμένες  συνθήκες εισβάλλουν με χημειοτακτισμό στις ρίζες ορισμένων φυτών , όπως τα ψυχανθή (σόγια, μπιζέλια, φασόλια, φακές) (9) και συμβιώνουν με τα φυτά αυτά.

και αναπτύσουν σχέσεις αμοιβαίας συμβίωσης. Τα φυτά χρησιμοποι το άζωτο της ατμόσφαιρας σε μορφή νιτρικών και νιτρωδών ιόντων απευθείας από τους μικροοργανισμούς και όχι από τα διαλυμένα στο νερό νιτρικά και νιτρώδη άλατα του εδάφους. Τα φυτά προμηθεύουν στα βακτήρια ζάχαρα.

Η αζωτοδέσμευση των συμβιοτικών βακτηρίων είναι πολλαπλάσια αυτής των ελεύθερων βακτηρίων του εδάφους 

Η διαδικασία της Νιτροποιησης. 

Μετατροπές του αζώτου στο έδαφος σε Νιτρικά και αμμωνιακά άλατα 

Τα βακτήρια που μετατρέπουν την αμμωνία σε νιτρώδη και νιτρικά ιόντα είναι κυρίως δύο τα nitrobacter και nitrosomonas που είναι αυτότροφα. 

Τα αυτότροφα βακτήρια εκτελούν αναεροβική αναπνοή  και χρησιμοποιούν τα νιτρικά αντί για οξυγόνο.

Αν υπάρχουν στο έδαφος νιτρώδη ιόντα, που είναι τοξικα για τις ρίζες των φυτών, τα βακτήρια nitrbacter τα μετατρέπουν σε νιτρικά

Άζωτο φτάνει στο έδαφος 

 1. από την ατμόσφαιρα με μετατροπή του αερίου αζώτου σε κατιόντα αμμωνίου και νιτρικά και νιτρώδη ανιόντα  (6)

που γίνεται με δυο ομάδς βακτηρίων τα nitrosomonas  που μετατρέπουν τα αμμωνιακά σε νιτρώδη

ΝΗ₄+   + 1,5 Ο₂ → ΝΟ₂-   +  Η₂Ο  + ενέργεια (Dg = -66kcal)

και τα nitrobacter που μετατρέπουν τα νιτρώδη   σε νιτρικά

ΝΟ₂- + 0,5 Ο₂ → ΝΟ₃-   _{DG= -17,5 Kcal}

 Τα νιτρώδη είναι τοξικά και μετατρέπονται σε νιτρικά ιόντα και αυτό λέγεται νιτροποίηση και ευνοείται από   το χαμηλό PH την υγρασία, τον αερισμό και τα νιτροποιητικά βακτήρια. Τα νιτρικά χρησιμοποιούνται περισσότερο από τα αμμωνακά. Τα ιόντα αυτά μπορούν να διαλυθούν στο νερό και να παραληφθούν από τις ρίζες των φυτών. 

Τα φυτά προσροφούν αμμωνιακά .και νιτρικά άλατα.

2. από την αμμωνιοποίηση οργανικών μορίων (πρωτείνες, πουρίνες, πυριμιδίνες)  (12)

Από την αποδόμηση των οργανικών ουσιων από ζώα και φυτά, παράγεται αμμωνία που μετατρέπεται στο έδαφος με την επίδραση βακτηρίων και μυκήτων σε αμμωνιακά άλατα 

Aυτό μπορεί να γίνει σε τρία στάδια: 1. μετατροπή τους σε αμίνες (αμινοποίηση)  πρωτεϊνη --> RNH₂   2  .Σχηματισμός αμμωνίας από το άζωτο των αμινών (αμμωνιοποίηση)  RNH2 + H2O -->   N2  +  ROH + ενέργεια 

Η αμμωνία από τα οργανικά μόρια  ακολουθει την πορεία με αυτην της αμμωνίας  που προέρχονται από το άζωτο της ατμόσφαιρας.

Μετά από κόψιμο δάσους και καθαρισμό του εδάφους παρατηρήθηκα αύξηση των νιτροποιητικών βακτηρίων

αλλά ισχύει και το αντίστροφο

Κάτω από ορισμένη βλάστηση, (φυτικές ταννίνες , φαινολικά οξέα και φαινολικά γλυκοζίδια) η νιτροποίηση αναστέλλεται

Αφ ετέρου ένα μέρος των αζωτούχων οργανικών  αυτών συστατικών παραμένει  αδιάσπαστο   και αποτελεί τα χουμικά συστατικά του εδάφους (16)

Η Ακινητοποιηση ή στερέωση του αζώτου στο έδαφος με την σύνθεση μεγάλων οργανικών μορίων (7)

Γίνεται με την βοήθεια βακτηρίων ή μικροβίων , από άλγη των νερών, που χρησιμοποιείται για την σύνθεση κυτταρικού υλικού

Ακόμη τα φυτά απορροφούν τα ευδιάλυτα νιτρικά ιόντα από το έδαφος και τα μετατρέπουν σταδιακά σε μεγάλα σύμπλοκα όπως πρωτεϊνες και μοριακά οξέα

Τα φυτά σε αυτήν την περίπτωση δεν μπορούν να απορροφήσουν τα μεγάλα αζωτουχα οργανικά μόρια των βακτηρίων, παρά μόνο εάν αυτά πεθάνουν και αποσυντεθούν

Η ακινητοποίηση του αζώτου εξαρτάται από την αναλογία ανθρακα/ άζωτο στο έδαφος. Αν το κλάσμα που προσδιορίζει την αναλογία είναι C/N είναι μεγάλο, ευνοείται η ακινητοποίηση του αζώτου.

Η Αμμωνιοποίηση του δεσμευμένου αζώτου (5)

α. Αμμωνιοποίηση του  αζώτου των ανόργανων ιόντων νιτρωδών και νιτρικών

 Τα νιτρώδη είναι τοξικά και μετατρέπονται σε νιτρικά ιόντα και αυτό λέγεται νιτροποίηση και ευνοείται από   το χαμηλό PH την υγρασία, τον αερισμό και τα νιτροποιητικά βακτήρια. Τα νιτρικά χρησιμοποιούνται περισσότερο από τα αμμωνακά. Τα ιόντα αυτά μπορούν να διαλυθούν στο νερό και να παραληφθούν από τις ρίζες των φυτών. 

Τα φυτά προσροφούν αμμωνιακά .και νιτρικά άλατα.

β. Αμμωνιοποήση του οργανικού αζώτου (11,12)

Το άζωτο στην συνέχεια κυκλοφορεί στη βιόσφαιρα μέσα σε βιολογικές ενώσεις που κατασκευάζονται και αστην συνέχεια κυκλοφορούν στην βιόσφαιρα σε εσωτερικούς κύκλους και σε κάπROHοιες περιπτώσεις, μετά τον θάνατό τους αποσυντίθενται και καταλήγουν σε αμμωνία και αμμωνιακά ιόντα αλλά μόνο σε αλκαλικά εδάφη  και πλεονάζουσες ποσότητες οργανικού αζώτου

Ο σχηματισμός αμμωνίας στους ετeρότροφους από πρωτεϊνες γίνεται ως εξής  

πρωτείνες --> RΝΗ2   + CO2  + ενέργεια + λοιπά προϊόντα

RNH2   + H2O ->  NH3  +  

Στην αμμωνιοποίηση συμμετέχουν μια μεγάλη ποικιλία βακτηρίων και μυκήτων υπό αερόβιες κυρίως συνθήκες. Οι πουρίνες και οι πυριμιδίνες μεταβολίζονται έως το ουρικό οξύ και στην συνέχεια σε ουρία ή  αμμωνία

από την σελίδα της ΕΕΧ  https://195.134.76.37/chemicals/chem_uricacid.htm

Οι οργανισμοί, ανάλογα με το τρόπο με τον οποίο αποβάλλουν το περίσσευμα του αζώτου, που προέρχεται από τις απαμινώσεις κατά τον μεταβολισμό των αμινοξέων της τροφής τους, διακρίνονται σε:

(α) αμμωνιοτελικούς (ammonotelic), που αποβάλλουν το περίσσευμα του αζώτου ως αμμωνία (ψάρια και άλλοι υδρόβιοι οργανισμοί),

(β) ουριοτελικούς (ureotelic), που το αποβάλλουν το περίσσευμα του αζώτου ως ουρία (άνθρωπος, θηλαστικά, πολλά αμφίβια και ορισμένα ψάρια) και

(γ) ουρικοτελικούς (uricotelic), που το αποβάλλουν το περίσσευμα του αζώτου ως ουρικό οξύ (έντομα, πτηνά, ερπετά) 

Εδώ βλέπουμε την καταβολική (οξειδώσεις)  και την αναβολική οδό (αναγωγές)των πουρινών από τον μεταβολισμό κυτταρικών πυρήνων 

Απομάκρυνση του δεσμευμένου αζώτου από το έδαφος

Η διαδικασία της Απονιτροποίησης (14, 15)

Είναι μια αναγωγική διαδικασία μετατροπής  του δεσμευμένου αζώτου του εδάφους σε ελεύθερο ατμοσφαιρικό άζωτο σε αναερόβιες συνθήκες . 

22 γένη βακτηρίων όπως (Clostidium, Bacillus, Arthrobacter, Rhizobium κ.α.)   μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα νιτρικά ιόντα σαν δέκτη ηλεκτρονίων στη θέση του οξυγόνου

5CH2O   + 4NO3-  + 4H+  -->  2N2  +  5CO2 + 7H2O

 Η σειρά των αναγωγικών αντιδράσεων είναι η εξής:

ΝΟ₃-   -->ΝΟ₂-  --->Ν₂Ο----> Ν₂-. 

 Η απονιτροποίηση ευνοείται από σχετικά υψηλές θερμοκρασίες, οι ιδανικές είναι γύρω στους 60^ο C

Σε όξινα εδάφη η διαδικασία της απονιτροποίησης γίνεται με χημικό τρόπο. (ευνοείται η απομάκρυνση  ΝΟ₃-    από το έδαφος)

 ΚΑΠΟΙΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ

Οι βιογεωχημικοί κύκλοι είναι στην πραγματικότητα πολύ λεπτομερέστεροι από όσο μπορούν να περιγραφούν εδώ και βέβαια υπάρχουν μηχανισμοί διατήρησης της ισορροπίας τους και αποκατάστασης των εκτροπών από αυτήν. Κάποια σημεία που μπορεί να θεωρηθούν σαν τέτοια αναφέρω στην συνέχεια:

στην αμμωνιοποίηση :Τα βακτήρια αυτά τρέφονται από οργανικά μόρια που βρίσκουν στο έδαφος  και δεσμεύουν ατμοσφαιρικό άζωτο μόνο όταν το χρειάζονται γιατί η δέσμευση έχει ενεργειακό κόστος (δέσμευση  μη συνεχής) .

στην νιτροποίηση : 

1.Στα περισσότερα γεωργικά εδάφη ο εφοδιασμός τους με ανόργανο άζωτο εξαρτάται από την ταχύτητα μετατροπής του σε νιτρώδη, νιτρικά, αμμωνιακά . Τον ρυθμό της νιτροποίησης επιρρεάζουν παράγοντες που μπορεί να παίξουν ρόλο στην διατήρηση της ισορροπίας του κύκλου. Οι εξής: Ποικιλία βακτηρίων, Ph, αερισμός, υγρασία, ποσότητα διαθέσιμων νιτρικών αλάτων.

2.Μετά από κόψιμο δάσους και καθαρισμό του εδάφους παρατηρήθηκα αύξηση των νιτροποιητικών βακτηρίων

στην απονιτροποίηση: 1.Ο ρυθμός της απονιτροποίησης αυξάνεται σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου και περίσσειας νιτρικών και ενέργειας (οργανικές ενώσεις)

2. Σε όξινα εδάφη η διαδικασία της απονιτροποίησης γίνεται με χημικό τρόπο. (ευνοείται η απομάκρυνση  ΝΟ₃-    από το έδαφος)

στην αζωτοδέσμευση

τα κωνοφόρα δένδρα περιέχουν και ανακυκλώνουν το λιγότρα άζωτο λόγω που όμως το χρησιμοποιούν πολύ αποτελεσματικά. Οι λόγοι είναι τα φτωχά αμμώδη εδάφη που φυτρώνουν και οι τερψίνες και πολυφαινόλες που είναι τοξικές για τα βακτήρια. Ως εκ τούτου αναπτύσουν συμβιωτικές σχέσεις στις ρίζες τους  με τους μικροοργανισμούς rhizobium οι οποίοι δεσμεύουν ατμοσφαιρικό άζωτο για λογαριασμό των δένδρων

ΟΡΙΣΜΕΝΕΣ ΠΑΡΕΜΒΑΣΕΙΣ ΣΤΟΝ ΚΥΚΛΟ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΑΠΟ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 

Στην νιτροποίηση:

Εδάφη που χρησιμοποιούνται εντομοκτόνα ή παρασιτοκτόνα εμφανίζουν μικρή νιτροποίηση και οξινο PH λόγω μείωσης του αριθμού των βακτηρίων

Κατά την χρήση νιτρωδών λιπασμάτων:

Έχουμε αυξημένη παραγωγή αερίου Ν2Ο το οποίο στην ατμόσφαιρα μετατρέπεται φωτοχημικά σε ΝΟ που στην συνέχεια διασπά το όζον Ο3-->Ο2

Δήμητρα Σπανού

ΠΗΓΕΣ

ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ :ΣΤΑΜΑΤΗΣ ΣΤΑΜΑΤΙΑΔΗΣ

ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ: ΜΙΧΑΗΛ ΑΓΓΕΛΙΔΗΣ

https://en.wikipedia.org/wiki/Purine

κύκλος+του+αζώτου+αζωτο+στην+ατμόσφαιρα,+αζωτο+στο+έδαφος+αζωτο+στους+οργανισμούς+διαγραμμα&sxsrf

https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%9F%CE%BE%CE%B5%CE%AF%CE%B4%CE%B9%CE%B1_%CF%84%CE%BF%CF%85_%CE%B1%CE%B6%CF%8E%CF%84%CE%BF%CF%85_(NOx)

https://www.researchgate.net/figure/Possible-purine-catabolic-pathway-in-E-coli_fig2_12336550

https://core.ac.uk/download/pdf/132800008.pdf

Διαβάστε περισσότερα: file:///C:/Users/dimsp/Documents/%CF%87%CE%B7%CE%BC%CE%B5%CE%B9%CE%B1/omoiostasi/%CE%9F%CE%9C%CE%9F%CE%99%CE%9F%CE%A3%CE%A4%CE%91%CE%A3%CE%97%20%CE%9A%CE%91%CE%99%20%CE%A6%CE%A5%CE%A3%CE%99%CE%9A%CE%9F%20%CE%A0%CE%95%CE%A1%CE%99%CE%92%CE%91%CE%9B%CE%9B%CE%9F%CE%9D_%20%CE%9F%CE%99%20%CE%B3%CE%B5%CF%89%CE%B2%CE%B9%CE%BF%CF%87%CE%B7%CE%BC%CE%B9%CE%BA%CE%BF%CE%AF%20%CE%BA%CF%8D%CE%BA%CE%BB%CE%BF%CE%B9%20%CF%84%CE%B7%CF%82%20%CF%8D%CE%BB%CE%B7%CF%82%20%CE%BA%CE%B1%CE%B9%20%CE%B7%20%CE%B4%CE%B9%CE%B1%CF%84%CE%AE%CF%81%CE%B7%CF%83%CE%B7%20%CF%84%CE%B7%CF%82%20%CE%B9%CF%83%CE%BF%CF%81%CF%81%CE%BF%CF%80%CE%AF%CE%B1%CF%82%20%CF%84%CE%BF%CF%85%CF%82.%20%CE%9F%20%CE%BA%CF%8D%CE%BA%CE%BB%CE%BF%CF%82%20%CF%84%CE%BF%CF%85%20%CE%B1%CE%B6%CF%8E%CF%84%CE%BF%CF%85%20__%20%CE%94%CE%AE%CE%BC%CE%B7%CF%84%CF%81%CE%B1%20%CE%A3%CF%80%CE%B1%CE%BD%CE%BF%CF%8D.html

ακατέργαστο

Μελέτη των θρεπτικών αναγκών των μαθημάτων προκαρυωτικών

2. Πηγές αζώτου

2.1 Ανόργανες ενώσεις αζώτου

Το φυσικό άζωτο έρχεται σε οξειδωμένη και μειωμένη μορφή. Η συντριπτική πλειοψηφία των προκαρυωτικών απορροφούν άζωτο σε μειωμένη μορφή. Μεταξύ των ανόργανων ενώσεων, αυτά είναι άλατα αμμωνίου. Οξειδωμένες μορφές αζώτου, νιτρικών και νιτρωδών, μπορούν επίσης να καταναλωθούν από πολλούς προκαρυώτες. Δεδομένου ότι το άζωτο χρησιμοποιείται με τη μορφή αμμωνίας στον εποικοδομητικό κυτταρικό μεταβολισμό, τα νιτρικά άλατα πρέπει να μειωθούν πριν ενσωματωθούν σε οργανικές ενώσεις. Ορισμένα βακτήρια είναι ικανά να απορροφούν μοριακό άζωτο από την ατμόσφαιρα, η κατάσταση οξείδωσης του οποίου είναι 0 [1, 3, 19].

Εξελικτικά οι πρώτοι καταναλωτές του Ν2 κυανοβακτήρια. Μόνο αργότερα εμφανίστηκαν ελεύθερα ζωντανά βακτήρια και συμβιωτικά μικρόβια, ικανά να αφομοιώσουν μοριακό άζωτο. Οι ελεύθεροι αερόβιοι σταθεροποιητές αζώτου περιλαμβάνουν το azotobacter. Από τα αναερόβια, οι σταθεροποιητές αζώτου είναι γνωστοί μεταξύ των κλωστριδίων, των κυανοβακτηρίων και των φωτοσυνθετικών βακτηρίων. Συμβιωτικά που καθορίζουν το άζωτο, ριζοβακτήρια και άλλα βρίσκονται σε οζίδια οσπρίων, τροπικών φυτών, χόρτων, ελάτης. Η ικανότητα δέσμευσης αζώτου είναι εγγενής μόνο στα προκαρυωτικά. Ορισμένοι μικροοργανισμοί που δεσμεύουν το άζωτο παρατίθενται στον πίνακα 2.1.1 [5, 6, 13].

Πίνακας 2.1.1 Αζωτοδεσμευτικά βακτήρια [5]

Ενζυμικό σύστημα που καταλύει την αντίδραση αναγωγής Ν2 στην αμμωνία, ονομάζεται νιτρογενάση. Η νιτρογενάση αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που περιέχουν σίδηρο, μολυβδαίνιο, θείο και σουλφίδιο acidolabil. Μόριο Ν2 είναι πολύ σταθερό. Για τη διεξαγωγή αντίδρασης νιτρογενάσης, απαιτείται επίσης η παρουσία μειωμένης φερρεδοξίνης ή φλαβοδοξίνης ως υποστρωμάτων. Μείωση του μορίου Ν2 σε συνδυασμό με υδρόλυση 12 μορίων ΑΤΡ. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η βιοσύνθεση του συμπλόκου νιτρογενάσης αναστέλλεται από τη συσσώρευση αμμωνίας ή τη μείωση της ποσότητας ΑΤΡ σε σχέση με την ADP. Το σύστημα δέσμευσης αζώτου πρέπει να απομονώνεται από μοριακό οξυγόνο, το οποίο αδρανοποιεί τη νιτρογενάση και ανταγωνίζεται για τον αναγωγικό παράγοντα. Η στοιχειομετρία της διαδικασίας ολικής δέσμευσης αζώτου έχει ως εξής:

N2+6ε+12ΑΤΡ+12Η2O>2NH4++12ADP+12Ρεγώ+4Ώρες+

Η νιτρογενάση μπορεί επίσης να καταλύσει τη μείωση ενώσεων που περιέχουν τριπλούς δεσμούς, π.χ. N2O, NH3, HCN, και άλλα νιτρίλια, καθώς και ακετυλένιο.

Η συμβιωτική δέσμευση αζώτου συμβαίνει σε οζίδια ρίζας, τα οποία σχηματίζονται μετά από μόλυνση των τριχών ρίζας με μικροοργανισμούς που ανήκουν σε είδη Rhizobium. Τα βακτήρια μετατρέπονται σε κύτταρα ακανόνιστου σχήματος διευρυμένα σε όγκο - βακτηριοειδή. Σε αυτά λαμβάνει χώρα η δέσμευση αζώτου. N2 μειωμένη από βακτηριοειδή σε NH3, η οποία συνδέεται με τη συνθετάση γλουταμίνης που υπάρχει στο κυτοσόλιο των φυτών. Το φυτό όχι μόνο παρέχει βακτηριοειδή με οργανικά υποστρώματα, αλλά προστατεύει επίσης τη νιτρογενάση από τη δράση του οξυγόνου. Τα οζίδια που καθορίζουν το άζωτο έχουν λεγαιμοσφαιρίνη, η οποία χρησιμεύει ως φορέας οξυγόνου, παρόμοια με την αιμοσφαιρίνη [5, 16, 24].

Τα νιτρικά και νιτρώδη άλατα μπορούν να καταναλωθούν από πολλά βακτήρια ως πηγή αζώτου (π.χ. E. coli). Σε αυτή την περίπτωση, το νιτρικό άζωτο μειώνεται με τη συμμετοχή του ενζύμου νιτρική αναγωγάση και στη συνέχεια με τη συμμετοχή της αναγωγάσης νιτρωδών, τα νιτρώδη μειώνονται σε NH3. Η νιτρική αναγωγάση καταλύει το NAD•H2-εξαρτημένη ανάκτηση:

ΌΧΙ3- +NAD•N2>ΟΧΙ2- +NAD+N+ 2Περίπου

ως αποτέλεσμα των οποίων δύο ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο NO3. Η νιτρώδης αγωγάση καταλύει τη μείωση του ΝΟ έξι ηλεκτρονίων2- έως NH3:

ΌΧΙ2- +3NAD•Ν2+Η>ΝΗ.+3+3NAD +2Ν+2Περίπου.

Τα ένζυμα νιτρική αναγωγάση και αναγωγάση νιτρωδών, όπως η νιτρογενάση, περιέχουν μολυβδαίνιο, σίδηρο και όξινο ασταθές σουλφίδιο. [1, 6, 16].

Ορισμένα βακτήρια μειώνουν τα νιτρικά άλατα μόνο σε επίπεδα νιτρωδών, ενώ άλλα μπορούν να τα μειώσουν μόνο σε αέριο άζωτο. Σε αυτή τη διαδικασία, που ονομάζεται απονιτροποίηση, το δεσμευμένο άζωτο απομακρύνεται με την απελευθέρωση αερίου Ν2 στην ατμόσφαιρα [15].

Τα βακτήρια είναι σε θέση όχι μόνο να μειώσουν, αλλά και να οξειδώσουν τα νιτρώδη. Αυτά τα είδη περιλαμβάνουν το γένος Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus και Nitrospira. Όλα αυτά είναι αερόβια, εκτός από το Nitrobacter, το οποίο μπορεί να αναπτυχθεί μέσω αναερόβιας αναπνοής. Παρουσία νιτρικών αλάτων, σχηματίζουν ΝΟ και Ν2Α. Ένα στέλεχος του Nitrobacter είναι γνωστό ότι οξειδώνει το ΝΟ σε νιτρικά [26, 27].

Η απορρόφηση αμμωνίας από βακτήρια είναι εύκολη, καθώς το άτομο αζώτου της αμμωνίας έχει κατάσταση οξείδωσης -3, όπως και στις οργανικές ουσίες του κυττάρου. Υπάρχουν τρεις αντιδράσεις αφομοίωσης NH3. Ένας από αυτούς οδηγεί στο σχηματισμό μιας αμινομάδας γλουταμινικού οξέος, ο δεύτερος οδηγεί στην εμφάνιση αμιδοομάδας γλουταμίνης και ο τρίτος οδηγεί στην εμφάνιση φωσφορικού καρβαμοϋλίου. Η ασπαραγίνη και οι πυριμιδίνες συντίθενται από φωσφορικό καρβαμοϋλίο. Τα άλλα δύο προϊόντα αφομοίωσης NH3 είναι οι άμεσοι πρόδρομοι των πρωτεϊνών και αυτός είναι ο μόνος ρόλος της ασπαραγίνης [15, 16].

Υπάρχουν βακτήρια που οξειδώνουν την αμμωνία. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται νιτροποίηση. Λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια: στο πρώτο στάδιο, η αμμωνία οξειδώνεται σε νιτρώδη άλατα και στη δεύτερη - σε νιτρικά. Η αντίστοιχη αρχική αντίδραση καταλύεται από μονοοξυγενάση. Αυτά τα είδη περιλαμβάνουν τα γένη Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus και Nitrospira [15, 26, 28].

Πρέπει να σημειωθεί ότι η πιο καθολική πηγή διατροφής αζώτου είναι τα άλατα αμμωνίου. Η αμμωνία, όταν συσσωρεύεται στο κύτταρο, προκαλεί το θάνατό της. Όταν χρησιμοποιείτε άλατα (NH4)2ΈΤΣΙ4, NH4Cl καθώς χρησιμοποιούνται από βακτήρια, το περιβάλλον οξινίζεται, γεγονός που δεν ευνοεί τη φυσιολογική ανάπτυξη των κυττάρων.

Τα νιτρικά άλατα είναι απαραίτητα για εκείνους τους μικροοργανισμούς που φοβούνται την οξίνιση, αφού όταν χρησιμοποιούν ΝΟ3- παραμένουν μεταλλικά ιόντα Na και K, τα οποία δημιουργούν αλκαλικές συνθήκες του μέσου ++

Οι μικροοργανισμοί που είναι σε θέση να συνθέσουν όλες τις οργανικές ενώσεις που χρειάζονται (υδατάνθρακες, αμινοξέα κ.λπ.) από άλατα γλυκόζης και αμμωνίου ονομάζονται πρωτότροφοι [3, 19].

2.2 Οργανικές ενώσεις αζώτου

Υπάρχουν μικροοργανισμοί που δεν είναι σε θέση να συνθέσουν όλα τα αμινοξέα για το κύτταρο τους από άλατα αμμωνίου. Αφομοιώνουν αυτές τις ενώσεις και άλλους αυξητικούς παράγοντες σε έτοιμη μορφή από το περιβάλλον ή τον οργανισμό-ξενιστή (άνθρωπο, ζώο). Τέτοιοι μικροοργανισμοί ονομάζονται auxotrophs. Οι Auxotrophs είναι συχνότερα παθογόνοι ή ευκαιριακοί μικροοργανισμοί για τον άνθρωπο. Μερικοί εκπρόσωποι μοβ και πράσινων βακτηρίων αναπτύσσονται σε μέσα με ουρία και αμινοξέα. Τα μη θειώδη μωβ βακτήρια έχουν μεγάλες ευκαιρίες για τη χρήση αμινοξέων [3, 25].

Οι οργανικές πηγές αζώτου περιλαμβάνουν πρωτεΐνες, αζωτούχες βάσεις, πεπτόνη, πεπτίδια, αμινοξέα, ουρία. Οι πρωτεΐνες αφομοιώνονται μόνο από εκείνους τους μικροοργανισμούς που απελευθερώνουν πρωτεϊνάσες στο μέσο, οι οποίες διασπούν το πρωτεϊνικό μόριο σε πεπτίδια και αμινοξέα. Τα πεπτίδια εισέρχονται στα κύτταρα και υδρολύονται από ενδοκυτταρικές πρωτεάσες σε αμινοξέα. Η πρωτεολυτική δράση των βακτηρίων ελέγχεται συνήθως σε θρεπτικά μέσα με ζελατίνη [7, 10, 11, 19].

Οι μικροοργανισμοί που ζουν στο έδαφος είναι σε θέση να χρησιμοποιούν άζωτο οργανικών ενώσεων. Η ανοργανοποίηση οργανικών ουσιών πραγματοποιείται από βακτήρια σαπροφύτων. Οι αζωτούχες ενώσεις παρουσία αέρα διασπώνται για να σχηματίσουν αμμωνία. Μέρος του αζώτου αφομοιώνεται από τους ίδιους τους μικροοργανισμούς και έτσι μετατρέπεται σε συστατικά του μικροβιακού κυττάρου.

Αερόβιοι μικροοργανισμοί που οξειδώνουν ουσίες που περιέχουν άζωτο για να ολοκληρώσουν την ανοργανοποίηση, τα τελικά προϊόντα των οποίων είναι αμμωνία, CO2, H2Ο, Η2S και άλλοι περιλαμβάνουν: Bac.mycoides, Bac.mesentericus, Bac.subtilis, Bac.megaterium, Serratia marcescenc.

Η διάσπαση των πρωτεϊνών υπό αναερόβιες συνθήκες (σήψη) συνήθως δεν έχει ως αποτέλεσμα την άμεση απελευθέρωση όλου του αζώτου αμίνης με τη μορφή αμμωνίας. Ορισμένα αμινοξέα μετατρέπονται σε αμίνες. Οι αναερόβιοι μικροοργανισμοί περιλαμβάνουν το Clostridium putrificum και το Clostridium sporogenes [15, 22, 29].

Ένα πιο οικονομικό ανάλογο του ζωμού κρέατος-πεπτόνης είναι η τριπλή πέψη του Hottinger. Η παγκρεατίνη χρησιμοποιείται για την υδρόλυση της πρωτεΐνης σε αυτό το ζωμό. [11, 12, 30].

Πολλά βακτήρια χρειάζονται ένα ή άλλο αμινοξύ (ένα ή περισσότερα) επειδή δεν μπορούν να τα συνθέσουν μόνα τους, για παράδειγμα, Clostridium - σε λευκίνη, τυροσίνη και στρεπτόκοκκους - σε λευκίνη, αργινίνη. Οι βάκιλλοι τύφου και αλλαντίασης δεν είναι σε θέση να συνθέσουν τρυπτοφάνη. Το γλουταμινικό οξύ διεγείρει την ανάπτυξη αιμολυτικών στρεπτόκοκκων, βακίλων άνθρακα, γονοκόκκων. Η κυστίνη είναι απαραίτητη για το Proteus morganii, κλπ. Συνήθως, οι μικροοργανισμοί χρειάζονται L-αμινοξέα, αλλά μερικοί από αυτούς χαρακτηρίζονται από την ανάγκη για D-αλανίνη, η οποία είναι πιθανώς απαραίτητη για τη σύνθεση του γλυκοπεπτιδίου του κυτταρικού τοιχώματος. Η συγκέντρωση αμινοξέων που εξασφαλίζουν τη μέγιστη ανάπτυξη των αυξοτροφών κυμαίνεται συνήθως από 20-50 μg ανά 1 ml.

Τα αμινοξέα που δεν χρησιμοποιούνται υποβάλλονται αμέσως στους ακόλουθους μεταβολικούς μετασχηματισμούς: οξειδωτική απαμίνωση, υδρολυτική απαμίνωση, τρανσαμινίωση (τρανσαμινίωση), αποκαρβοξυλίωση. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το αμινοξύ μετατρέπεται πρώτα στο αντίστοιχο οξοοξύ. Από τα αμινοξέα, τα βακτήρια μπορούν να συνθέσουν όχι μόνο ουσίες για την οικοδόμηση κυττάρων, αλλά και αντιβιοτικά: edein, gramicidin S, bacitracin και άλλα.

Αξίζει να σημειωθεί ότι έχοντας ένα πλήρες σύνολο αμινοξέων στο θρεπτικό μέσο, τα βακτήρια μεταβαίνουν σε έναν αμινοετερότροφο τύπο διατροφής (απορροφούν έτοιμα αμινοξέα) και δεν συνθέτουν αμινοξέα από μόνα τους.

Καλές πηγές αμινοξέων, εκτός από ζωμούς κρέατος και πεπτόνες, είναι το εκχύλισμα καλαμποκιού και το εκχύλισμα ζύμης από κύτταρα Saccharomyces cerevisiae. Αυτές οι πηγές είναι φθηνές, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη βιοτεχνολογική παραγωγή [3, 5, 10, 19, 27, 31].

Η αποσύνθεση της ουρίας που απεκκρίνεται στα ούρα πραγματοποιείται από ουροβακτήρια, τα οποία τη διασπούν σε αμμωνία, διοξείδιο του άνθρακα και νερό [2].

Ο βαθμός αφομοιωσιμότητας μιας πηγής αζώτου καθορίζεται από το πόσο εύκολα μετατρέπεται σε αμμωνία. Τα πιο προσιτά είναι τα άλατα αμμωνίου και τα έτοιμα αμινοξέα. Άλλες πηγές είναι λιγότερο διαθέσιμες, αλλά παρ 'όλα αυτά, τα βακτήρια μπορούν να τις αφομοιώσουν [10].

Το άζωτο, μαζί με τον άνθρακα, το υδρογόνο και το οξυγόνο, είναι ένα από τα τέσσερα κύρια στοιχεία που εμπλέκονται στην κατασκευή κυττάρων. Είναι απαραίτητο για τα βακτήρια να συνθέσουν ζωτικά μόρια: νουκλεϊνικά οξέα, πρωτεΐνες, πουρίνες, πυριμιδίνες και μερικές βιταμίνες [1, 3, 6].