Войти
| Азотобактер | |
|---|---|
 | |
| Клетки вида Azotobacter, окрашенные гематоксилином железа Хайденхайна, × 1000 | |
| Научная классификация | |
| Домен: | Бактерии |
| Тип: | Протеобактерии |
| Класс: | Гаммапротеобактерии |
| Порядок: | Pseudomonadales |
| Семья: | Pseudomonadaceae / Azotobacteraceae |
| (без рейтинга): | Группа азотобактеров |
| Род: | Азотобактер Бейеринк, 1901 г. |
| Разновидность | |
| Azotobacter agilis Azotobacter armeniacus Azotobacter sp. AR Azotobacter beijerinckii Azotobacter chroococcum Azotobacter sp. DCU26 Azotobacter sp. FA8 Azotobacter nigricans, Azotobacter paspali, Azotobacter salinestris, Azotobacter tropicalis, Azotobacter vinelandii. | |
Азотобактер - это род обычно подвижных, овальных или сферических бактерий, которые образуют толстостенные цисты и могут продуцировать большие количества капсулярной слизи. Это аэробные, свободноживущие почвенные микробы, которые играют важную роль в круговороте азота в природе, связывая атмосферный азот, который недоступен для растений, и высвобождая его в формеионов аммония в почву ( фиксация азота ). Помимо того, что он является модельным организмом для изучения диазотрофов, он используется людьми для производства биоудобрений, пищевых добавок и некоторых биополимеров. Первый представитель рода Azotobacter chroococcum был открыт и описан в 1901 году голландским микробиологом и ботаником Мартинусом Бейеринком. Виды Azotobacter - это грамотрицательные бактерии, обнаруженные в нейтральных и щелочных почвах, в воде и в сочетании с некоторыми растениями.
Клетки рода Azotobacter относительно крупные для бактерий (2–4 мкм в диаметре). Обычно они имеют овальную форму, но могут иметь различную форму от стержней до сфер. В микроскопических препаратах клетки могут быть рассредоточены или образовывать нерегулярные кластеры или иногда цепочки различной длины. В свежих культурах клетки подвижны благодаря многочисленным жгутикам. Позже клетки теряют подвижность, становятся почти сферическими и производят толстый слой слизи, формируя клеточную капсулу. На форму клетки влияет аминокислота глицин, которая присутствует в пептоне питательной среды.
Под увеличением в клетках видны включения, некоторые из которых окрашены. В начале 1900-х годов цветные включения считались «репродуктивными зернами» или гонидиями - разновидностью клеток зародыша. Однако позже было установлено, что гранулы не участвуют в делении клеток. Цветные зерна состоят из волютина, тогда как бесцветные включения представляют собой капли жира, которые действуют как запасы энергии.
Цисты рода Azotobacter более устойчивы к неблагоприятным факторам окружающей среды, чем вегетативные клетки ; в частности, они вдвое более устойчивы к ультрафиолетовому излучению. Они также устойчивы к сушке, ультразвуку, гамма- и солнечному облучению, но не к нагреванию.
Формирование цист вызывается изменением концентрации питательных веществ в среде и добавлением некоторых органических веществ, таких как этанол, н- бутанол или β-гидроксибутират. В жидких средах кисты образуются редко. Образование цист индуцируется химическими факторами и сопровождается метаболическими сдвигами, изменения в катаболизме, дыхании и биосинтез из макромолекул ; на него также влияют альдегиддегидрогеназа и регулятор ответа AlgR.
Цисты Azotobacter имеют сферическую форму и состоят из так называемого «центрального тела» - уменьшенной копии вегетативных клеток с несколькими вакуолями - и «двухслойной оболочки». Внутренняя часть раковины называется интиной и имеет волокнистую структуру. Внешняя часть имеет гексагональную кристаллическую структуру и называется экзиной. Экзин частично гидролизуется трипсином и устойчив к лизоциму, в отличие от центрального тела. Центральное тело можно изолировать в жизнеспособном состоянии некоторыми хелатирующими агентами. Основными составляющими внешней оболочки являются алкилрезорцины, состоящие из длинных алифатических цепей и ароматических колец. Алкилрезорцины также содержатся в других бактериях, животных и растениях.
Киста рода Azotobacter - это покоящаяся форма вегетативной клетки; однако, в то время как обычные вегетативные клетки являются репродуктивными, циста Azotobacter не служит этой цели и необходима для выживания в неблагоприятных факторах окружающей среды. После восстановления оптимальных условий окружающей среды, которые включают определенное значение pH, температуры и источника углерода, цисты прорастают, а вновь образованные вегетативные клетки размножаются простым делением. Во время прорастания цисты получают повреждения и выделяют большую вегетативную клетку. Микроскопически первым проявлением прорастания спор является постепенное уменьшение преломления света цистами, которое выявляется с помощью фазово-контрастной микроскопии. Прорастание цист занимает около 4–6 часов. Во время прорастания центральное тело разрастается и захватывает гранулы волютина, которые находились в интиме (самом внутреннем слое). Затем экзина лопается, и вегетативная клетка освобождается от экзины, которая имеет характерную форму подковы. Этот процесс сопровождается метаболическими изменениями. Сразу после подачи источника углерода цисты начинают поглощать кислород и выделять углекислый газ ; скорость этого процесса постепенно увеличивается и достигает насыщения через четыре часа. Синтез белков и РНК происходит параллельно, но усиливается только через пять часов после добавления источника углерода. Синтез ДНК и азотфиксация начинаются через 5 часов после добавления глюкозы в безазотную питательную среду.
Прорастание кист сопровождается изменениями интимы, видимыми в электронный микроскоп. Интима состоит из углеводов, липидов и белков и имеет почти такой же объем, что и центральное тело. Во время прорастания кист интима гидролизуется и используется клеткой для синтеза ее компонентов.
Azotobacter дышит аэробно, получая энергию от окислительно-восстановительных реакций, используя органические соединения в качестве доноров электронов, и может использовать различные углеводы, спирты и соли органических кислот в качестве источников углерода.
Azotobacter может фиксировать не менее 10 мкг азота на грамм потребленной глюкозы. Для фиксации азота необходимы ионы молибдена, но они могут быть частично или полностью заменены ионами ванадия. Если атмосферный азот не фиксирован, источником азота могут быть нитраты, ионы аммония или аминокислоты. Оптимальный pH для роста и азотфиксации составляет 7,0–7,5, но рост поддерживается в диапазоне pH от 4,8 до 8,5. Azotobacter также может расти миксотрофно в среде без молекулярного азота, содержащей маннозу ; этот режим роста зависит от водорода. Водород доступен в почве, поэтому такой способ роста может иметь место в природе.
Во время роста Azotobacter образует плоские, слизистые, пастообразные колонии диаметром 5–10 мм, которые могут образовывать пленки в жидких питательных средах. Колонии могут быть темно-коричневого, зеленого или другого цвета или могут быть бесцветными, в зависимости от вида. Росту благоприятствуют при температуре 20–30 ° C.
Бактерии рода Azotobacter также известны тем, что образуют внутриклеточные включения полигидроксиалканоатов при определенных условиях окружающей среды (например, при недостатке таких элементов, как фосфор, азот или кислород в сочетании с избыточным поступлением источников углерода).
Азотобактер производит пигменты. Например, Azotobacter chroococcum образует темно-коричневый водорастворимый пигмент меланин. Этот процесс происходит на высоких уровнях метаболизма во время фиксации азота, и считается, что он защищает систему нитрогеназы от кислорода. Другие виды Azotobacter производят пигменты от желто-зеленого до пурпурного цвета, включая зеленый пигмент, который флуоресцирует желто-зеленым светом, и пигмент с сине-белой флуоресценцией.
Нуклеотидная последовательность хромосомы Azotobacter ьтеШпйи, штамм AvOP, частично определяется. Эта хромосома представляет собой кольцевую молекулу ДНК, которая содержит 5 342 073 пары нуклеотидов и 5043 гена, из которых 4988 кодируют белки. Доля пар гуанин + цитозин составляет 65 мол. %. Количество хромосом в клетках и содержание ДНК увеличивается с возрастом, и в стационарной фазе роста культуры могут содержать более 100 копий хромосомы на клетку. Исходное содержание ДНК (одна копия) восстанавливается при пересадке культуры на свежую среду. Помимо хромосомной ДНК, Azotobacter может содержать плазмиды.
Виды Azotobacter повсеместно распространены в нейтральных и слабощелочных почвах, но не в кислых почвах. Они также встречаются в почвах Арктики и Антарктики, несмотря на холодный климат, короткий вегетационный период и относительно низкие значения pH этих почв. В сухих почвах Azotobacter может выжить в форме цист до 24 лет.
Представители рода Azotobacter также встречаются в водных средах обитания, в том числе в пресной воде и солоноватых болотах. Некоторые члены связаны с растениями и находятся в ризосфере, имея определенные отношения с растениями. Некоторые штаммы также встречаются в коконах дождевого червя Eisenia fetida.
Виды Azotobacter - это свободноживущие азотфиксирующие бактерии; в отличие от видов Rhizobium, они обычно связывают молекулярный азот из атмосферы без симбиотических отношений с растениями, хотя некоторые виды Azotobacter связаны с растениями. Фиксация азота подавляется в присутствии доступных источников азота, таких как ионы аммония и нитраты.
У видов Azotobacter есть полный набор ферментов, необходимых для фиксации азота: ферредоксин, гидрогеназа и важный фермент нитрогеназа. Процесс азотфиксации требует притока энергии в виде аденозинтрифосфата. Азотфиксация очень чувствительна к присутствию кислорода, поэтому Azotobacter разработал специальный защитный механизм против кислорода, а именно значительную интенсификацию метаболизма, снижающую концентрацию кислорода в клетках. Также специальный протеин, защищающий нитрогеназу, защищает нитрогеназу и участвует в защите клеток от кислорода. Мутанты, не продуцирующие этот белок, погибают под действием кислорода во время фиксации азота в отсутствие источника азота в среде. Гомоцитрат- ионы играют определенную роль в процессах азотфиксации Azotobacter.
Нитрогеназа - самый важный фермент, участвующий в азотфиксации. Виды Azotobacter имеют несколько типов нитрогеназ. Основная - молибден-железо-нитрогеназа. Альтернативный тип содержит ванадий ; он не зависит от ионов молибдена и более активен, чем нитрогеназа Mo-Fe при низких температурах. Таким образом, он может фиксировать азот при температуре до 5 ° C, а его низкотемпературная активность в 10 раз выше, чем у Mo-Fe нитрогеназы. Важную роль в созревании Mo-Fe нитрогеназы играет так называемый P-кластер. Синтез нитрогеназы контролируется генами nif. Фиксация азота регулируется белком-энхансером NifA и «сенсорным» флавопротеином NifL, который модулирует активацию транскрипции гена фиксации азота посредством окислительно-восстановительного переключения. Этот регуляторный механизм, основанный на двух белках, образующих комплексы друг с другом, необычен для других систем.
Фиксация азота играет важную роль в круговороте азота. Azotobacter также синтезирует некоторые биологически активные вещества, в том числе некоторые фитогормоны, такие как ауксины, тем самым стимулируя рост растений. Они также способствуют перемещению тяжелых металлов в почве, тем самым улучшая биоремедиацию почвы от тяжелых металлов, таких как кадмий, ртуть и свинец. Некоторые виды Azotobacter могут также разлагаются хлор отработанным ароматических соединений, такие как 2,4,6-трихлорфенол, который ранее был использован в качестве инсектицида, фунгицида и гербицида, но поздний было обнаружено, обладают мутагенными и канцерогенными эффектами.
Благодаря своей способности связывать молекулярный азот и, следовательно, увеличивать плодородие почвы и стимулировать рост растений, виды Azotobacter широко используются в сельском хозяйстве, особенно в азотных биоудобрениях, таких как азотобактерин. Они также используются в производстве альгиновой кислоты, которая применяется в медицине в качестве антацида, в пищевой промышленности в качестве добавки к мороженому, пудингам и кремам.
Мартинус Бейеринк (1851–1931), первооткрыватель рода Azotobacter. Род Azotobacter был открыт в 1901 году голландским микробиологом и ботаником Мартинусом Бейеринком, который был одним из основоположников микробиологии окружающей среды. Он выбрал и описал вид Azotobacter chroococcum - первый аэробный свободноживущий азотфиксатор.
В 1909 году Липман описал Azotobacter vinelandii, а годом позже - Azotobacter beijerinckii Lipman, 1904, которые он назвал в честь Бейеринка. В 1949 году российский микробиолог Николай Красильников идентифицировал вид Azotobacter nigricans Krasil'nikov, 1949, который в 1981 году Томпсон Скерман разделил на два подвида - Azotobacter nigricans subsp. nigricans и Azotobacter nigricans subsp. ахромогены ; в том же году Томпсон и Скерман описали Azotobacter armeniacus Thompson and Skerman, 1981. В 1991 году Пейдж и Шивпрасад сообщили о микроаэрофильном и устойчивом к воздуху типе Azotobacter salinestris Page и Shivprasad 1991, который зависит от ионов натрия.
Ранее представители рода были отнесены к семейству Azotobacteraceae Pribram, 1933, но затем были переведены в семейство Pseudomonadaceae на основании исследований нуклеотидных последовательностей 16S рРНК. В 2004 году филогенетическое исследование показало, что A. vinelandii принадлежит к той же кладе, что и бактерия Pseudomonas aeruginosa, а в 2007 году было высказано предположение, что роды Azotobacter, Azomonas и Pseudomonas связаны между собой и могут быть синонимами.
