Аммонификация белковых веществ значение процесса в почве и при хранении пищевых продуктов

Обновлено: 05.10.2024

Попадая в почву или водоемы с отмершими остатками растений и животных, они подвергаются воздействию бактерий (аэробных и анаэробных), актиномицетов и грибов. Среди бактерий наиболее активно разлагают белки представители родов: Bacillus (В. mycoides, В. cereus, В. subtilis), Pseudomonas, Clostridium, Proteus и др.

В состав белков входит 22 аминокислоты, которые связаны между собой пептидной связью в полипептидные цепи. Все белки подразделяют на две большие группы: 1) протеины (простые белки), в состав которых входят лишь остатки аминокислот; 2) протеиды (сложные белки) — соединение простого белка (протеина) с каким-либо веществом небелковой природы, так называемой простетической группой.

Существует большое количество микроорганизмов, образующих протеолитические экзоферменты, которые производят гидролиз пептидных связей в белковой молекуле. Гидролизовавшая часть белка поглощается микроорганизмами и подвергается внутри клеток воздействию ферментов-пептидаз с образованием аминокислот; затем аминокислоты расщепляются или идут на синтез клеточного белка. Распад аминокислот происходит как внутри клеток, так и вне их и приводит к дезаминированию (образованию аммиака).

Нуклеиновые кислоты РНК, ДНК (входящие в состав нуклеопротеидов сложных белков) расщепляются под влиянием ферментов дезоксирибонуклеазы и рибонуклеазы, синтезируемых некоторыми грибами, актиномицетами и бактериями, в результате образуются конечные продукты: аммиак и органические кислоты.

При распаде белка в аэробных условиях конечные продукты — СO₂, аммиак, сульфаты и вода; окисление приводит к полной минерализации белковых соединений.

В анаэробных условиях помимо названных веществ образуются амины, органические кислоты, меркаптаны (индол, скатол — дурно пахнущие продукты), сероводород и некоторые другие токсические соединения, такие как кадаверин (входит в состав трупного яда).

Освободившийся аммиак подвергается различным процессам: растворяется в воде, превращается в соли аммония, нитрифицируется. Лишь небольшое его количество остается в газообразном состоянии.

Накопление аммиака в почве при прочих равных условиях зависит от соотношения C/N в разлагающемся органическом веществе. Экспериментальным путем установлено, что потребление углерода и азота микроорганизмами равно 25:1; чем меньше отношение С: N в разлагаемом веществе, тем больше накапливается минерального азота.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Белки животных и растительных остатков разлагаются в почве разнообразными микроорганизмами (то же имеет место и при хранении пищевых продуктов). В результате образуются аминокислоты, которые затем дезаминируются с выделением аммиака (NH₃) и других соединений. Возбудители: Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Proteus и др.

Аммиак окисляют до нитритов бактерии рйда Hitrosomonas, а нитриты до нитратов - бактерии рода Hitrobacter.

Аммоний гидроксил- нитрит нитрат

Нитраты восстанавливаются в газообразный азот бактериями в анаэробных условиях.

нитрат нитрит окись закись азота

Возбудители - Pseudomonas, Bacillus.

Для пищевой промышленности наиболее важное значение имеет процесс аммонификации, т. е. разложение белков до аминокислот и МН₃, т. к. эти процессы протекают в основном при хранении и переработке сырья и пищевых продуктов. Белки в почвах, водоемах, продуктах разлагаются большой группой гнилостных бактерий - главным образом палочковидных, аэробных и анаэробных, Грам+ и Грам-, подвижных и неподвижных, спорообразующих и бесспоровых.

Возбудители - Pseudomonas, Proteus, Bacillus, Clostridium. Молекулы белков состоят из аминокислот, связанных пептидной связью, образующих полипептидные цепи. Процесс распада белков начинается с их гидролиза, в результате образуются пептоны и пептиды. Протеазы вызывают гидролиз пептидных связей. Короткие полипептиды могут проникать в клетки, где расщепляются до аминокислот, которые являются конечными продуктами гидролиза. Образующиеся аминокислоты используются микроорганизмами или подвергаются ими дальнейшим превращениям, на
пример, дезаминированию, в результате чего образуются аммиак и разнообразные органические соединения.

В зависимости от строения радикала той или иной аминокислоты образуются и разные продукты распада. Аминокислоты алифатического ряда образуют муравьиную, уксусную, пропионовую, масляную и другие кислоты; а также спирты: пропило-вый, бутиловый, амиловый и др. Аминокислоты ароматического ряда образуют фенол, крезол, индол, скатол и другие (тирозин, фенилаланин). Серосодержащие аминокислоты образуют H₂S, или его производные - меркаптаны. Эти соединения имеют запах тухлых яиц (цистеин, метионин). Диаминокислоты могут подвергаться декарбоксилированию без отщепления аммиака, в результате получаются диамины - "трупные яды" и С0₂. Дальнейшие превращения продуктов распада белковых веществ зависят от окружающих условий и состава микрофлоры. Аэробные микроорганизмы окисляют белки до конечных продуктов (минерализуют) - МН₃, С0₂, Н₂О, H₂S и др. В анаэробных условиях, кроме указанных соединений, образуются органические кислоты, спирты, амины и другие соединения, в числе которых могут быть токсичные вещества, вещества с отвратительным запахом и прочее.

Процессы аммонификации в природе необходимы, т. к. являются этапом в общем круговороте веществ. На практике приносят большой вред, т. к. вызывают порчу наиболее ценных пищевых продуктов - мяса, рыбы, молочных продуктов.

Аммонификация – это разложение органических азотсодержащих веществ с выделением азота в виде аммиака (NH₃). Этот процесс называется также минерализацией азота или гниением. В почву белковые вещества попадают с остатками отмерших растений, животных, микроорганизмов, с органическими удобрениями. При аммонификации белковых веществ выделяется аммиак, углекислый газ, при анаэробном распаде могут образовываться дурнопахнущие продукты – сероводород, меркаптаны, скатол, индол, кадаверин (трупные яды).

Постановка опыта. Для выращивания аммонифицирующих бактерий используют мясопептонный бульон (МПБ) с 3 % пептона или пептонную воду. Среду разливают в маленькие пробирки с ватными пробками чуть больше, чем наполовину их объёма, добавляют немного почвы для заражения, закрепляют две индикаторные бумажки: розовую лакмусовую – индикатор на аммиак, а полоску фильтровальной бумажки, пропитанную в растворе уксуснокислого свинца – индикатор на сероводород (бумажки не должны касаться среды). Пробирки закрывают ватными пробками, плотно оборачивают пробки пергаментной бумагой, подписывают и помещают в термостат при температуре 25-30 ºС.

Элективные условия для аммонификации:

1) обилие в среде белковых форм азота;

2) высокий столбик среды позволяет развиваться на поверхности среды аэробам, в середине толщи среды – факультативным анаэробам, а на дне пробирки - облигатным анаэробам.

Результаты опыта. Через неделю делают выводы о продуктах, выделяемых при аммонификации белковых веществ и микроскопируют возбудителей этого процесса.

Определение аммиака и сероводорода.

Посинение розовой лакмусовой бумажки свидетельствует о выделении аммиака.

Почернение фильтровальной бумажки, смоченной уксуснокислым свинцом, говорит о выделении сероводорода, а если она еще и покроется серебристым налетом, значит наряду с сероводородом выделяются и меркаптаны.

Отмечают в опытных пробирках изменение цвета индикаторных бумажек и делают выводы о выделяющихся в результате аммонификации белковых веществ газах.

Микроскопирование. Готовят препарат-мазок, для этого бактериальную петлю опускают почти до самого дна пробирки и удерживают там несколько секунд, потом медленно поднимают петлю, задерживаясь посередине толщи среды еще на несколько секунд, а затем извлекают из пробирки и делают мазок, чтобы в готовом препарате можно было найти разных по отношению к кислороду микробов. Фиксируют в пламени, красят кристаллвиолетом (30-60 с) и рассматривают с иммерсией.

Белки могут разлагаться бактериями, актиномицетами, грибами. Среди аммонифицирующих (гнилостных) бактерий встречается большое разнообразие, различных по форме и по-разному относящихся к кислороду. Среди них есть легко узнаваемые по ряду морфологических признаков:

Аэробы. Bacillus mycoides – грибовидная бацилла – небольшие палочки (0,8×5-7 мкм), подвижные, спорообразование центральное, бациллярное, клетки соединены в длинные цепочки. (На твёрдых питательных средах дают характерные грибовидные колонии).

Факультативные анаэробы. Proteus vulgaris - протей обыкновенный – тонкие, подвижные, неспоровые палочки различной длины (0,3×4-6 и более мкм). Из-за своей полиморфности названы в честь мифического бога Протея.

Escherichia coli – кишечная палочка – подвижные, мелкие, короткие, неспоровые палочки (0,5×2-4 мкм).

Облигатные анаэробы. Clostridium putrificus – гнилостная палочка – подвижные палочки с плектридиальным расположением споры (спора на конце клетки, которая имеет вид барабанной палочки).

Clostridium sporogenes – спорогенная палочка –палочки округлой формы (5-6 мкм), подвижные, спорообразование клостридиальное (спора занимает почти всю центральную часть клетки, имеющий вид лимона).

Характеристика аммонифицирующих (гнилостных) бактерий: среди них есть грамположительные и грамотрицательные формы, они представляют собой палочки, подвижные, споровые и неспоровые, аэробы, факультативные анаэробы и облигагатные анаэробы, гетеротрофы.

Зарисовывают найденные аммонифицирующие бактерии в тетради и подписывают.

Материалы и оборудование: питательная среда (МПБ с 3 % пептона или ПВ), разлитая в малые пробирки с ватными пробками, фарфоровые чашки с почвой и ложечками, чашки Петри с розовой лакмусовой бумагой и полосками фильтровальной бумаги, пропитанные раствором уксуснокислого свинца Pb(CH₃COO)₂, кристаллвиолет.

Работа 21. Нитрификация

Нитрификация – это процесс окисления аммиака (или аммиачных форм азота) сначала в азотистую кислоту (или нитриты), а затем в азотную кислоту (или нитраты). Этот процесс идет в две фазы:

Постановка опыта. Для исследования процесса нитрификации готовят питательную среду Виноградского по табл. 3.

52. Аммонификация азотсодержащих органических соединений (белков, аминокислот, мочевины нуклеиновых кислот и др.). Возбудители. Приемы регулирования процесса в почве, при хранении навоза. Влияние на микроклимат помещений.
62. Инфекция и инфекционная болезнь. Роль микробов, восприимчивых организмов и условий внешней среды в развитии инфекции.
98. Заполнение таблиц № 2-8 и рисунков № 1-7
99. Описание экспонатов коллекции – таблица 9
100. Представление данных по использованию достижений микробиологии – таблица 10.

Вложенные файлы: 1 файл

Контр для зоо вариант 52 - 2013.docx

«Курганская Государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра экологии и защиты растений

заочной формы обучения

Вопросы контрольной работы:

14. Химический состав клетки и потребность микробов в воде, азотсодержащих веществах, необходимых для их питания

62. Инфекция и инфекционная болезнь. Роль микробов, восприимчивых организмов и условий внешней среды в развитии инфекции.

98. Заполнение таблиц № 2-8 и рисунков № 1-7

99. Описание экспонатов коллекции – таблица 9

100. Представление данных по использованию достижений микробиологии – таблица 10.

Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу. В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Сходство в строении и химическом составе разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения.

Одни элементы содержатся в клетках в относительно большом количестве, другие - в малом. Особенно велико содержание в клетке четырех элементов - кислорода, углерода, азота и водорода (до 98%). Сера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо составляют вместе 1,9%. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах (меньше 0,01%). В живых телах наряду с веществами, распространенными в неживой природе, содержится много веществ, характерных только для живых организмов.

Вода составляет почти 80% массы клетки. Ей принадлежит существенная многообразная роль в жизни клетки. Она определяет физические свойства клетки - ее объем, форму, упругость. Вода участвует в образовании структурных молекул органических веществ, в частности структуры белков. Большинство реакций, протекающих в клетке, могут идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки. Вода является непосредственным участником многих химических реакций (расщепление белков, углеводов, жиров и др.).

Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной структуры, полярностью молекул воды. Частица воды - диполь: в области атомов водорода (протона) преобладает положительный заряд, а в области атомов кислорода - отрицательный. Этим объясняется способность воды к ориентированию в электрическом поле и присоединению к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд, с образованием гидратов. Много веществ способно растворяться в воде: соли, кислоты, щелочи, а из органических веществ - многие спирты, амины, углеводы, белки и др.

Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными веществами. Жиры, клетчатка и другие вещества плохо или вовсе не растворяются в воде, их называют гидрофобными.

Гидрофильность объясняется наличием групп атомов, способных вступать с молекулами воды в электростатическое взаимодействие или образованием с ними водородных связей. Гидрофильные вещества - это соли, углеводы, белки, низкомолекулярные органические соединения. Многие жиры - гидрофобны. Гидрофобные вещества входят в состав клеточных мембран, обусловливая их полупроницаемость.

Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны такие катионы, как K+, Na+, Ca2+, Mg2+, из анионов - HPO42-, Cl-, HCO3-. Концентрация анионов и катионов в клетке и среде ее обитания, как правило, резко различна. К примеру, внутри клетки всегда довольно высокая концентрация ионов калия и очень малая - ионов натрия, а в окружающей среде (плазме крови, морской воде) мало ионов калия и много ионов натрия. Пока клетка жива, это соотношение ионов строго поддерживается, а после смерти клетки содержание ионов в среде и клетке выравнивается. Ионы клетки способствуют поддержанию постоянного осмотического давления внутри клетки и рН. В норме реакция клеток слабощелочная, почти нейтральная, обеспечиваемая содержащимися в клетке анионами слабых кислот (НСО3-, НРО4-) и слабыми кислотами (Н2СО3), которые связывают и отдают ионы водорода, в результате чего реакция внутренней среды клетки практически не изменяется. Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Так, прочность и твердость костной ткани обеспечивается фосфатом кальция, а раковин моллюсков - карбонатом кальция. Не все вещества, содержащиеся в клетке, специфичны для живой природы. Вода и соли распространены и вне живого. Но в организмах и продуктах их жизнедеятельности обнаружено большое количество углеродсодержащих соединений, характерных только для живых клеток и организмов, получивших название органических веществ.

Из органических веществ клетки на первом месте по количеству и значению стоят белки, состоящие из крупных молекул (макромолекул, греч. “макрос” - большой). В состав всех белков входят атомы водорода, кислорода, азота; во многие белки входят еще атомы серы, а в некоторые - атомы металлов железа, цинка, меди. Белки составляют 10-20% от сырой массы и 50-80% от сухой массы клетки. Белки обладают большой молекулярной массой: молекулярная масса альбумина - одного из белков яйца - 36 000, гемоглобина - 152 000, миозина (одного из белков мышц) - 500 000. Тогда как молекулярная масса спирта - 46, уксусной кислоты - 60, бензола - 78. Среди органических веществ белки самые сложные, они составлены из повторяющихся сходных по структуре низкомолекулярных соединений, ковалентно связанных между собой, которые называются мономерами. Поэтому белки (как углеводы и жиры) являются полимерами. Большинство природных и искусственных (полиэтилен, лавсан, капрон и др.) полимеров построены из одинаковых мономеров. Белки же состоят из сходных, но не вполне одинаковых мономеров. Мономерами белков являются аминокислоты. Молекула аминокислоты как бы состоит из двух частей: одна часть одинаковая, состоящая из аминогруппы (-NH2) (выделена синим цветом) и находящейся рядом карбоксильной группы (-СООН); другая часть молекулы у всех аминокислот разная (выделена красным цветом) и называется радикалом (R). Имеется много разных аминокислот, но мономерами любых природных белков - животных, растительных, микробных, вирусных - являются только 20 аминокислот (их еще называют “волшебными”). Соединение аминокислот происходит через общие для них группировки: аминогруппа одной аминокислоты соединяется с карбоксильной группой другой с отщеплением молекулы воды. Между аминокислотами образуется прочная ковалентная связь -NH-CO2-, которая называется пептидной связью.

Образовавшееся соединение аминокислот называется пептидом. Пептид из двух аминокислот называется дипептидом, из трех - трипептидом, из многих аминокислот - полипептидом. Все белки представляют собой полипептиды, т.е. цепи из многих десятков и даже сотен аминокислотных звеньев.

Микроорганизмы нуждаются в воде по двум причинам:

1) Микроорганизмы почти на 90% состоят из воды и нуждаются во влаге для функционирования.

2) Микроорганизмы нуждаются в воде как среде транспортирования, позволяющей им двигаться среди отходов.

Аммонификация - разложение микроорганизмами азотсодержащих органических соединений (белков, мочевины, нуклеиновых кислот и др.) с образованием свободного аммиака. Белки сначала вне клетки расщепляются протеолитическими ферментами до пептидов, которые затем поглощаются клеткой и внутри нее пептидазами разлагаются до отдельных аминокислот. Аминокислоты далее могут использоваться в конструктивном метаболизме клетки микроорганизма или служить субстратом в энергетическом процессе. В последнем случае аминокислоты подвергаются дезаминированию, в результате чего освобождается аммиак. При декарбоксилировании некоторых аминокислот возможно образование биогенных аминов, токсичных для человека и животных. Процесс аммонификации в обыденной жизни называют гниением, поскольку при этом наряду с аммиаком выделяется сероводород, метилмеркаптан и др. вещества с характерным неприятным запахом.

Аммонификация - превращение азотсодержащих органических соединений в аммиак и его соли, осуществляемое ферментами гнилостных бактерий (протей, псевдомонады, клостридии, актиномицеты и др.). Аммонификация - обязательное и важное звено круговорота азота в природе (Фирсов, 2006).

Бактерии кишечной группы способны выделять аммиак в процессе аммонификации нитрата, когда диссимиляционная нитратредуктаза А проводит только первый этап - восстанавливает нитрат до нитрита, а далее нитрит переходит в аммиак в процессе ассимиляции.

Выявление продуктов превращения исходных форм азота в среде культивирования может быть использовано для идентификации микроорганизмов. Например, денитрифицирующие бактерии выявляют на 5-6-е сутки культивирования по присутствию газа в поплавке (С02, N2) и отрицательной реакции на нитриты (используют реактив Грисса) и нитраты (реакция с дифениламином).

При утилизации азота из органических субстратов он включается в биомассу бактерий в виде аминогрупп. Минерализация органических соединений происходит с выделением аммиака - аммонификация органических соединений. Выделение аммиака в ходе этого процесса используют на практике для идентификации отдельных бактерий. Выделяющийся в атмосферу аммиак меняет цвет подвешенной над средой культивирования красной лакмусовой бумажки на синий. Накопление аммиака в среде определяют реактивом Несслера. Первая реакция характерна для многих гнилостных бактерий, вторая - для бактерий кишечной группы.

Аммонификацию органических соединений можно рассматривать как промежуточный процесс между диссимиляцией (высвобождение аммиака) и ассимиляцией, поскольку часть органического азота при этом усваивают аммонифицирующие бактерии. Основной источник азота для аминогете-ротрофов - аминокислоты, менее значимы пурины и пиримидины. Потребность в азотсодержащих субстратах у бактерий варьирует.

Среди представителей рода Spirillum вид S. graniferum может утилизировать азот мочевины, а S. annulus - нет.

Отдельные виды (например, Agrobacterium radiobacter) могут расти на среде, содержащей одну аминокислоту (в данном примере аспарагиновую), используя её как единственный источник углерода и азота. Другие способны расти лишь при наличии всех необходимых субстратов, используемых для биосинтеза белка (например, Agrobacterium rubi). Способность разлагать определённые аминокислоты (например, фенилаланин) применяют для идентификации различных бактерий.

Процесс минерализации азотсодержащих органических соединение с выделением аммиака носит название аммонификации. Этому процессу подвержены белки и их производные - пептиды и аминокислоты нуклеиновые кислоты и их производные - пуриновые и пиримидиновые основания, мочевина и мочевая кислота, азотсодержащий полисахарид хитин и гумусовые кислоты.

Рисунок 1 - Сопряжение процессов фотосинтеза и азотфиксации

(по М. М. Умарову, 1982)

В конце прошлого века француз Э.Маршель показал, что процесс аммонификации носит универсальный характер и осуществляется многими микроорганизмами в широком диапазоне условий, за исключением мест с очень жарким и сухим климатом.

Рисунок 2 - Аммонификация белков (Бабьева, Зенова, 1983)

Аммонификация белков - наиболее динамичное звено в цикле азота. При внеклеточных превращениях конечным продуктом являются аминокислоты, и их накопление в почве служит одним из показателей ее биологической активности. В процессе участвуют протеазы, как микроорганизмов, так и растений. Далее аминокислоты поступают в клетки микроорганизмов, либо вовлекаются в химические реакции в почве или адсорбируются. Внутриклеточные превращения аминокислот возможны по четырем направлениям: синтез белка, переаминирование, декарбоксилирование и дезаминирование (рис. 2).

При дезаминировании выделяется свободный аммиак. В аэробных условиях кроме аммиака при аммонификации образуется СО₂ и окислы серы, а в анаэробных - жирные и ароматические кислоты (бензойная, ферулиновая и др.), спирты, индол, скатол, метилмеркаптан.

Образующиеся в переувлажненных почвах при анаэробиозе некоторые продукты аммонификации обладают фитотоксическими свойствами и могут вызывать угнетение роста растений.

В процессе аммонификации помимо бактерий участвуют актиномицеты и грибы, но наиболее активные возбудители известны среди бактерий родов Pseudomonas и Bacillus, например, В. putrificus и B. sporogenes. Для процесса аммонификации большое значение имеет соотношение С : N в разлагаемом субстрате. Чем уже это соотношение, тем выше эффективность аммонификации, определяемая по количеству NH₂ от общего количества превращенного азота. Соотношение углерода и азота в биомассе бактерии C:N=25. При содержании в органическом веществе разлагающейся растительной массы азота менее 2%, он будет полностью иммобилизован в клетках микроорганизмов. При более высоком его содержании (C:N

Читайте также: