Mikroorganizmi u zemljištu kruženje azota, sumpora, ugljenika i gvožđa

Kruženja u prirodi

Kruženjem hemijskih elemenata koji ulaze u sastav žive ćelije

održava se život u glavnim ekosistemima na zemlji

U kruženje elemenata u biosferi uključen je veliki broj

mikroorganizama

Mikroorganizmi su često jedini biološki agensi sposobni da

regenerišu određenu formu elementa koju mogu da koriste

drugi organizmi, a naročito biljke.

Njihova heterogena metabolička aktivnost omogućava

razgradnju većine organskih molekula i recikliranje biogenih

elemenata

KRUŽENJE AZOTA

N - predstavlja glavnu strukturnu

komponentu makromolekula

neophodnih za život svih organizama -

proteina i nukleinskih kiselina.

U zemljištu se nalaze veće količine

rezerve N u organskom obliku koje

jedino MO mogu prevesti u podesne

oblike za korišćenje, neorganska

jedinjenja. Neorganskih oblika N

(amonijačni i nitratni) u zemljištu ima

malo (oko 1%), medjutim nalazi se u

velikim količinama u zemljištu u

gasovitoj fazi (80%), dok je ostali azot

u zemljištu u obliku organske materije

(99%).

KRUŽENJE AZOTA

N se u atmosferi nalazi u obliku inertnog gasa (N2), konstantnose oslobađa u atmosferu vulkanskim i hidrotermalnimerupcijama, pored toga rezervoari N su i naslage amonijuma uzemljištu (ali ni jedan od njih ne predstavlja dostupan izvor N)

Fiksacija N je energetski izuzetno zahtevan i spor proces i vršiga samo mali broj mikroorganizama (15 ATP za jedan N2)

Manji rezervoari organskog N nalaze se u biomasi, mrtvojorganskoj materiji i rastvorljivim neorganskim solima

Azot koji se nalazi u formi neorganski soli i organskihmolekula, treba takođe da se transformise u nizu procesa da biprešao u biološki upotrebljivu formu

Kruženje azota

AMONIFIKACIJA- proces u kojem se deaminacijom ak ili katabolizmom uree

oslobađa NH3.

NH3 + H2O→NH4OH→NH4 + OH

- AMONIFIKATORI: MO koji oslobađaju azot iz org.mat.u vidu NH3 (Bacillus, Pseudomonas)

NITRIFIKACIJA- aeroban proces gde se vrši oksidacija amonijačnih soli do nitrita (NO2) i nitrata (NO3).

2NH4 + 3O2→(Nitrosomonas) →2NO2

2NO2 + O2→(Nitrobacter) →2NO3

- NITRIFIKATORI: hemolitotrofne bakterije,energiju dobijenu oksidacijom amonijaka i nitrita koriste za fiksaciju CO2 i zadovoljavanje potreba za ugljenikom

DENITRIFIKACIJA- anaeroban proces redukcije NO3 u nekoliko sukcesivnih reakcija do elementarnog N2

NO3→NO2→ NO→N20→ N2

- DENITRIFIKATORI: bakterije (Paracoccus denitrificans,Pseudomonas)

AZOTOFIKSACIJA- konverzija NH3 u N2. Potrebna značajna energija za raskid trostruke veze. Anaeroban proces katalizovan nitrogenazom.

N2 + 6H +6e→2NH3

- AZOTOFIKSATORI: slobodnoživeći Clostridium, Azotobacter i Cyanobacteria,

Fiksiranje azota

Veliki broj bakterija (autotrofa, heterotrofa, aerobnih, anaerobnih) mogu daredukuju N do amino grupe

N se prvo aktivira, a zatim se redukuje do jona amonijuma (15ATP-a za svakimolekul fiksiranog N2), a amonijum se dalje u procesu transaminacije ugrađuje uaminokiseline

Nesimbiotski fiksatori - heterotrofne bakterije Azotobacter (aerob), Clostridium(anaerob), Rhodospirillum (fotosintetička bakterija), kao i modrozelene bakterije

Simbiotski fiksatori – mnogo značajniji od nesimbiotskih za rast i prinos ekonomskivažnih biljaka, Rhizobium (simbioza sa leguminozama)

Bakterije dospevaju u tkivo korena izlučivanjem enzima koji razlažecelulozu

Kvržice (nodule) su rezultat stimulacije ćel. deoba u korenubakterijskom produkcijom citokina u inficiranim ćel.

Bakterije se brzo razmnožavaju u kvržicama i prelaze u specificnunepravilnu formu bakteroid, koja se razlikuje od štapićastog oblikaslobodnog Rhizobiuma

Nodule crvene zbog prisustva leghemoglobina (sličan hemoglobinu,pošto je nitrogenaza osetljiva na prisustvo O2 nizak redok potencijal jeomogućen prisustvom leghemoglobina)

Nitrifikacija

Dešava se u dobro aerisanom zemljištu na neutralnom pH

Dve faze 2NH4 + 3O2→(Nitrosomonas) →2NO2

2NO2 + O2→(Nitrobacter) →2NO3

Nije poželjan proces u poljoprivredi, jer je NO3 vrlo rastvorljiv i spira se

kišom

Dehidrovani amonijak se koristi kao đubrivo i često mu se dodaju

inhibitori nitrifikacije, kao što je nitrapirin, koji specifično inhibira

oksidaciju amonijaka do NO2-

Nitrifikacija podrazumeva dva sukcesivna procesa:

proces nitritacije (oksidacije NH3 do NO2što obavljaju nitrifikacione bakterije) iproces nitratacije (oksidacije NO2 doNO3, što obavljaju nitrifikacione bakterije)

Nitrifikatori - fiziološka grupu bakterijakoju karakteriše osobina da vršeoksidaciju amonijačnih soli do nitrita ilinitrata

Nitrifikacione bakterije su izrazito aerobniorganizmi te se preporučuje razlivanjetečne podloge u plićem sloju (oko 5 ml),po tipu metabolizma su hemolitotrofniorganizmi osetljivi na koncentraciju CO2 ipH sredine

Sterilna podloga je crvenoljubičaste boje,nakon inkubacije, oksidacijom NH3 doNO2 i NO3, odnosno razvitkomnitrifikacionih bakterija i odvijanjemprocesa nitrifikacije, podloga menja boju užuto

Nitrosomonas

Nitrobacter

Nitrifikacija, FISH bojenje

Nitrifikujuće bakterije žive

u bliskom kontaktu, jer je

produkt jednog

mikroorganizma supstrat za

drugog

Amonijak – oksidujuće

bakterije (crveno)

Nitrit – oksidujuće bakterije

(zeleno)

Denitrifikacija

Denitrifikatori - fakultativno anaerobni MO koji vrše procesdenitrifikacije (redukcije nitrata do nitrita, azot-monoksida iligasovitog azota), ovi procesi su česti u zemljištu i vodenimsredinama sa smanjenom koncentracijom kiseonika, odnosno umikroaerofilnim uslovima

Sterilna podloga (kontrola) je zelene boje, nakon razvitkadenitrifikatora dolazi do izmene boje podloge (zelena bojaprelazi u intenzivno plavu usled povećanja pH vrednostisredine produktima reakcije) i do obilne produkcije gasa(mehurići i pena na površini podloge).

Amonijak može biti katabolizovan anaerobno pomoćubakterija roda Brocardia i srodnih organizama, u procesunazvanom anamoks (anaerobna oksidacija amonijaka). Uovom procesu amonijak se oksiduje uz nitrite kao akceptoreelektrona i dolazi do formiranja N2 kao finalnog produkta.

Denitrifikacija

Asimilacija i amonifikacija

Bacillus sp.

Pseudomonas sp.

Amonifikacija mikrobiološki procesi koji dovode do oslobađanja azota raspadom organskih

materija (prvenstveno proteina) u formi NH3

MO (nezavisno od taksonomske pripadnosti) sposobni da različitim putevimadeaminacije polipeptida i aminokiselina oslobađaju amonijak nazivaju sezajedničkim imenom - amonifikatori

široko je raširen u zemljištu i vodenoj sredini

DRNA (dissimilative reduction of nitrate to ammonia)

Redukcija nitrata i nitrita do amonijaka u redukciono bogatim anoksičnim uslovima(gastrointestinalni trakt ljudi)

DRNA

KRUŽENJE AZOTA

KRUŽENJE SUMPORA

Transformacija sumpora kompleksnija od transformacije azota, zato što sumpor ima

više oksidacionih stanja. Dodatno, za razliku od azota, neki koraci u transformaciji

sumpora dešavaju se i hemijskim, kao i biološkim putem. Tri oksidaciona stanja

sumpora su značajna u prirodi: -2 (R-SH, sulfidril i HS- sulfid), 0 (elementarni

sumpor S0) i +6 (sulfat SO42-).

H2S je veoma nestabilan gas. Bakterije redukcijom produkuju sulfid (SO42- + 8H+ =

H2S + 2H2O + 2OH- ) ili se on emituje iz geohemijskih izvora kao što su izvori

sumpora i vulkani. Forma sulfida koja je prisutna u okruženju zavisi od pH

vrednosti: na pH vrednostima ispod 7 dominantna forma je H2S, a na pH većem od

7 dominira HS- i SO42-.

Sulfat-redukujuće bakterije su veoma raznovrsna grupa i široko su rasprostranjene u

prirodi. Međutim, u mnogim staništima njihova aktivnost je ograničena niskim

koncentracijama prisutnih sulfata. Takođe, zbog potrebe za organskim donorom

elektrona reakcije redukcije sulfata dešavaju se samo u sredinama bogatim

organskom materijom. Sulfidi su toksični za mnoge organizme pa se zbog toga se u

okolini detoksifikuju, kombinovanjem sa gvožđem formiranjem nerastvornih FeS i

FeS2 (pirit), od čega potiče crna boja mnogih sedimenata.

KRUŽENJE SUMPORAu prirodi je prisutan u obliku SO4 i H2S (vulkani)

Redukovan organski S u živoj materiji (SH grupe)

SO4 H2Sredukcija

Desulfovibrio

S

redukcijakorišćenje od strane

biljaka i mikroorg.

razlaganjemikroorganizmi

oksidacijafotosintetske

sumporne bakterije

oksidacijabezbojne i fotosintetske

sumporne bakterije

Kruženje sumpora

Oksidacija i redukcija organskih jedinjenja S

Ogromna količina organskih jedinjenja sumpora je sintetisana od strane živih

organizama i ona takođe ulaze u biogeohemijski ciklus sumpora. Veliki deo ovih

jedinjenja je visoko isparljiv i kao takva ulaze u atmosferu.

Najobilnija forma organskog sumpora u prirodi je dimetil-sulfid (H3C-S-CH3).

Dimetil-sulfid koji se otpusti u atmosferu podleže fotohemijskoj oksidaciji do metil

sulfonata (CH3SO3-), SO2 i SO42-.

Suprotno tome, dimetil sulfid produkovan u anaerobnim sredinama mikroorganizmi

mogu transformisati na tri načina:

1) u metanogenezi, pri čemu nastaje CH4 i H2S;

2) kao donor elektrona za fotosintetičku fiksaciju CO2, aktivnošću purpurnih

fotosintetičkih bakterija, pri čemu nastaje dimetil-sulfoksid (DMSO) i

3) kao donor elektrona u energetskom metabolizmu u određenim

hemoorganotrofima i hemolitotrofima, pri čemu, takođe nastaje DMSO. DMSO

može biti akceptor elektrona u anaerobnoj respiraciji, gde ponovo nastaje dimetil-

sulfid.

Kruženje ugljenikaGlobalni ciklus ugljenika uključuje aktivnost kako mikroorganizama tako i

makroorganizama i usko je povezan sa ciklusom kiseonika.

Najveći rezervoar ugljenika nalazi se u sedimentima i zemljinoj kori, a što se živih

organizama tiče najveće količine organskog ugljenika se nalaze u kopnenim biljkama.

Velika količina ugljenika nalazi se i u mrtvom organskom materijalu – humusu.

Najbrži način globalnog transfera ugljenika je preko atmosferskog CO2. Ugljen dioksid iz

atmosfere primarno uklanjaju fotosintetičke kopnene biljke, a u atmosferu ga vraćaju

životinje i hemoorganotrofni mikroorganizmi putem respiracije. Najveći deo CO2 u

atmosferu dolazi putem razgradnje nežive organske materije od strane mikroorganizama. U

poslednje vreme, međutim, ljudska aktivnost doprinosi velikom povećanju koncentracije

atmosferskog CO2 – efekat staklene bašte.

KRUŽENJE UGLJENIKA

Kao što je pomenuto proizvođači

organske materije pretvaraju

atmosferski CO2 (oksidovana

forma) u organske molekule

(CH2O)n (redukovana forma), što

predstavlja početni proces u

kruženju ugljenika.

Proizvođači (autotrofni mikro-

organizmi, alge, biljke) utroše deo

organskih molekula za dobijanje

energije procesom disanja, pri

čemu se oslobađa CO2. Deo

redukovanih jedinjenja koriste

potrošači (životinje) koji u toku

disanja takođe oslobađaju CO2. • U anaerobnim uslovima metanogene

Archaea redukuju CO2 do CH4

• Metanotrofi ga oksiduju do CO2

Posle smrti biljaka i životinja, razgrađivači (heterotrofni

mikroorganizmi, uglavnom nastanjeni u zemljištu)

razlažu organske molekule, proces koji koriste za

dobijanje energije uz oslobađanje CO2 i za sintezu svog

ćelijskog materijala.

Članovi svake funkcionalne grupe: proizvođači,

potrošači i razgrađivači moraju biti prisutni u svakom

ekosistemu, da ne bi došlo do prekida u kruženju C.

KRUŽENJE GVOŽĐA

Najzastupljeniji u zemljinoj kori

Postoji prirodno u dva oksidaciona stanja

Fe2+ (fero) i Fe3+ (feri), kao i Fe0 u

zemljinom jezgru i topljenjem rude u formi

livenog gvožđa

Redukcija Fe3+ se dešava i hemijski i

anaerobnom respiracijom

Oksidacija Fe2+ se dešava hemijski i

hemilitotrofnim metabolizmom.

Redukcija gvožđa Određene Bacteria i Archaea mogu koristiti feri jon

kao akceptor elektrona. Pomeranje podzemnih voda

bogatih gvožđem iz anaerobnog preplavljenog

zemljišta dovodi do transporta velike količine fero

jona. Kada voda dođe do aerobnih regiona fero jon se

oksiduje hemijskim putem ili aktivnošću bakterija.

Jedinjenja gvožđa zatim precipitiraju što dovodi do

stvaranja braon naslaga gvožđa.

Fe2+ + ¼ O2 + 2 × ½ H2O = Fe(OH)3 + 2H+

Huminske supstance ili kompleksi koji nastaju

interakcijom sa feri jonom dovode do njegovog

rastvaranja čime on postaje dostupan gvožđe-

redukujućim bakterijama kao akceptor elektrona.

Geobacter sulfurreducens

Oksidacija gvožđa Jedini akceptor elektrona sposoban da spontano oksiduje

Fe2+ abiotički je O2.

U neutralnim staništima Fe2+ mogu da oksiduju bakterije

iz rodova Gallionella i Leptothrix. Ovo se primarno

dešava na mestima dodira podzemnih voda bogatih

gvožđem i vazduha. Najveći deo bakterijske oksidacije

gvožđa dešava se pri niskim pH vrednostima, gde Fe2+

može spontano da oksiduje.

U ekstremno kiselim staništima acidofilni hemolitotrof

Acidithiobacillus ferrooxidans i srodni acidofili oksiduju

Fe2+ do Fe3+. Prilikom ove oksidacije generiše se veoma

malo energije, zbog čega ove bakterije moraju da

oksiduju velike količine gvožđa da bi rasle. A.

ferrooxidans je striktni acidofil i čest je u kiselim

izvorima i rudnicima. A. ferrooxidans i Leptospirillum

ferrooxidans žive u staništima gde je dominantna

sumporna kiselina i gde su prisutne velike količine

sulfata.

Male populacije ćelija mogu

isprecipitirati veliku količinu

minerala gvožđa.

PIRITJedna od najznačajnijih formi gvožđa u prirodi je pirit

(FeS2), koji nastaje reakcijom sumpora sa gvožđe

sulfidom.

Bakterijska oksidacija pirita ima veliki značaj u

razvijanju kiselih uslova u rudnicima uglja. Oksidacija

pirita bakterijama je takođe značajna prilikom luženja

ruda mikroorganizmima.

Oksidacija pirita je kombinacija hemijski i bakterijski

katalizovanih reakcija. U ovaj proces su uključena dva

akceptora elektrona: molekularni kiseonik i feri jon.

Kad je pirit prvo izložen vazduhu dešava se spora

hemijska reakcija sa molekularnim kiseonikom. Ova

reakcija se zove inicijatorska reakcija i dovodi do

oksidacije sulfida u sulfat i razvoja kiselih uskova pod

kojima je otpušten fero jon relativno stabilan u prisustvu

kiseonika.

A. ferrooxidans i L. ferrooxidans mogu da katalizuju

oksidaciju fero do feri jona. S obzirom da je solubilan,

feri jon može spontano da reaguje sa dodatnim piritom i

oksiduje ga do fero jona i sulfatnih jona. Formirani fero

jon bakterije ponovo oksiduju do feri jona koji ponovo

reaguju sa piritom. To je način na koji se pirit oksiduje

progresivno i ovaj deo ciklusa se naziva CIKLUS

PROPAGACIJE.

LUŽENJE RUDE

Proces ekstrakcije vrednih i skupih metala iz ruda niskog kvaliteta i samim tim i

čišćenja životne sredine od drugih teških metala.

Termin bioremedijacija odnosi se na uklanjanje ulja, toksičnih hemikalija i drugih

zagađivača od strane mikroorganizama. Bioremedijacija je jeftina i efektivna metoda za

prečišćavanje okoline.

Produkcija kiselina i rastvaranje minerala pomoću acidofilnih bakterija igra važnu ulogu

u luženju ruda metala. Sulfidi formiraju visoko nerastvorne minerale sa mnogim

metalima, a upravo se sulfidne rude koriste kao izvor mnogih metala. Ako je

koncentracija metala u ovim rudama niska, neefikasno je vršiti njihovu ekstrakciju

putem konvencionalnih hemijskih metoda. U ovim slučajevima se koriste

mikroorganizmi za izdvajanje metala.

Ekstrakcija pomoću mikroorganizama je izuzetno značajna za rude bakra, zato što je

bakar-sulfat, koji se formira tokom oksidacije ruda bakar-sulfida, veoma rastvoran u

vodi. Sulfid oksiduje spontano u vazduhu, međutim A. ferooxidans i drugi prokarioti

koji oksiduju metale, mogu mnogo brže da katalizuju ovu reakciju i pomažu u luženju

ruda metala. A. ferooxidans se, takođe koristi i za izdvajanje uranijumovih ruda i ruda

zlata. Može da oksiduje U4+ u U6+ pomoću O2 kao akceptora elektrona.

Luženje bakra - kovelit