Udział drobnoustrojów glebowych w obiegu węgla, azotu i siarki w przyrodzie

Transkrypt

1 Udział drobnoustrojów glebowych w obiegu węgla, azotu i siarki w przyrodzie Drobnoustroje prowadzące fotosyntezę W glebie występuje co najmniej 13 tysięcy gatunków bakterii, jednak większość z nich jest nie opisana (klucz Bergey a podaje około 2000 gatunków bakterii ogółem). Bakterie glebowe mogą mieć charakter autotrofów lub heterotrofów. Bakterie autotroficzne wykorzystujące energię słoneczną (fotoautotrofy) występują w glebach rzadko; częściej spotka się je w wodach powierzchniowych czy też na wyrobiskach górnictwa węgla, gdzie spełniają bardzo ważną rolę rekultywacyjną, a także na terenach wysokogórskich biorą tam udział w przyspieszaniu wietrzenia skał (charakter organizmów pionierskich). Do tej grupy zalicza się głównie bakterie z rodzin: Athiorhodaceae (syn. Rhodospirillaceae) (bezsiarkowe bakterie purpurowe), Thiorhodaceae (syn. Chromatiaceae) (siarkowe bakterie purpurowe) oraz zielone bakterie siarkowe (rodziny: Chlorobiaceae i Chloroflexaceae). Komórki bakterii purpurowych mają różne odcienie koloru czerwonego od głębokiej czerwoni do oranżowego pochodzące od pigmentów karotenoidowych maskujących obecność bakteriochlorofili. Bakterie zielone mogą mieć kolory od jasnozielonego, aż po ciemnobrązowe jeśli obok chlorofili (gł. c i d oraz bakteriochlorofil e) występują w ich komórkach także karotenoidy (gł. chlorobakten). Zarówno bakterie purpurowe, jak i zielone są uważane za jedne z najstarszych organizmów, jakie pojawiły się w toku ewolucji Ziemi. W przeciwieństwie do roślin zielonych bakterie te nie są zdolne do wykorzystywania wody jako donora wodoru, stąd proces fotosyntezy prowadzony przy ich udziale nazywamy fotosyntezą anoksygenową (w jej wyniku nie jest uwalniany tlen donorami wodoru są bowiem zredukowane związki siarki siarkowodór, siarka, tiosiarczany a także czysty wodór lub związki organiczne gł. kwasy organiczne). Bakterie fotosyntetyzujące występują zazwyczaj w głębszych warstwach wód słonych lub słodkich powodując często zakwity, w osadach dennych, a w glebach ich występowanie jest ograniczone do miejsc o wyjątkowo nasilonych procesach gnilnych. Większość z nich jest także zdolna do wiązania azotu atmosferycznego. Zasiedlanie tych specyficznych nisz ekologicznych, tj. środowisk o słabszym naświetleniu oraz obecności dużych ilości wodoru i zredukowanych związków siarki, wynika z ich specyficznych cech biochemicznych: odmienna, w porównaniu z roślinami i sinicami, budowa chlorofilu i aparatu fotosyntetyzującego oraz zależność od obecności w środowisku specyficznych donorów elektronów (wodór, zredukowane związki siarki). Bakterie purpurowe z rodziny Thiorhodaceae charakteryzują się zdolnością do odkładania złogów czystej siarki wewnątrz 1

2 komórek, w postaci kropelek, co łatwo uwidacznia się w obrazie mikroskopowym (np. u Chromatium). Ponadto ich komórki mają ogromne rozmiary jak na bakterie: dochodzą do µm długości. Niektóre bakterie z tej rodziny są także zdolne do gromadzenia złóż siarki pozakomórkowo (np. rodzaj Ectothiorhodospira). Odkładanie siarki jest głównie wynikiem niepełnego utleniania siarkowodoru w środowiskach, gdzie występuje on w dużych ilościach. Po wyczerpaniu zapasów siarkowodoru, bakterie wykorzystują zgromadzoną siarkę. Bakterie purpurowe bezsiarkowe (Athiorhodaceae) nie są ścisłymi autotrofami, ponieważ do wzrostu wymagają dodatkowo związków organicznych. Również pozostałe grupy bakterii fotosyntetyzujących są zdolne do asymilacji związków organicznych, nawet jeżeli są zaliczane do bezwzględnych autotrofów. Drugą grupą drobnoustrojów glebowych zdolnych do fotosyntezy są sinice, które przeprowadzają typową fotosyntezę oksygenową o mechanizmie biochemicznym bardzo podobnym do roślin zielonych. Bakterie chemolitotroficzne Bakterie chemosyntetyzujące mają duże znaczenie w życiu gleby. Zalicza się do nich wiele istotnych i ciekawych grup bakterii są to m.in. bakterie nitryfikacyjne, siarkowe, żelazowe, wodorowe, karboksydowe. Bakterie te nie są, w odróżnieniu od fototrofów, zależne od dostępu światła, wymagają natomiast dostępu do odpowiedniej puli zredukowanych związków mineralnych (są zatem chemolitotrofami, a w przeważającej większości także chemolitoautotrofami). Ich fizjologia jest natomiast bardzo różnorodna stąd wymagania 2

3 siedliskowe są również bardzo zróżnicowane i specyficzne dla danej grupy. Z uwagi na biochemię procesu chemosyntezy, większość bakterii chemosyntetyzujących należy do bezwzględnych tlenowców. A B Rys. Typy oddychania (A) oraz chemosyntezy (B) mikroorganizmów glebowych. Z punktu widzenia człowieka, ale także biorąc pod uwagę równowagę ekosystemów glebowych, największe znaczenie mają bakterie nitryfikacyjne czyli utleniające jony amonowe do azotanowych. Są one bardzo rozpowszechnione w glebach na całym świecie, zwłaszcza w glebach żyznych, obfitujących w amoniak. Już w XIX wieku Winogradski opisał proces nitryfikacji przeprowadzany przez bakterie glebowe. Nitryfikacja ułatwia asymilację azotu przez rośliny wyższe, gdyż jest on znacznie bardziej przyswajalny w postaci azotanów (forma saletrzana) niż jonu amonowego. Dzięki bakteriom nitryfikacyjnym powstają również naturalne złoża saletry będącej doskonałym nawozem. Bakterie nitryfikacyjne uczestniczą w najwcześniejszych etapach procesu glebotwórczego będąc jednymi z pionierów życia na wietrzejących skałach. Nitryfikacja jest procesem dwuetapowym nie są znane gatunki utleniające amoniak bezpośrednio do jonów azotanowych. W pierwszym etapie zachodzi nitrosofikacja polegająca na utlenianiu amoniaku do azotynów, a następnie w etapie właściwej nitryfikacji azotyny są utlenianie do azotanów. Oba etapy są przeprowadzane przez różne grupy bakterii (gł. Nitrosomonas i Nitrobacter) posiadających odpowiednie układy enzymatyczne. Do bakterii z grupy Nitroso- zaliczane są, oprócz Nitrosomonas (najczęściej N. 3

4 europaea), także rodzaje Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio i Nitrosococcus. Wszystkie bakterie z tej grupy są bezwzględnymi tlenowcami i nie wytwarzają form przetrwalnikowych, chociaż mają wykazują oporność na wysuszenie i mogą przetrwać w stanie anabiozy wiele lat. Charakterystyczną cechą bakterii Nitroso- jest wzrost na granicy faz np. na powierzchni grudek gleby lub piasku, a w warunkach laboratoryjnych ich kolonie mogą przylegać do ścianek naczyń hodowlanych oraz grudek kredy. Dodatek kredy stosuje się w celu alkalizacji środowiska, gdyż w trakcie nitrosofikacji powstają duże ilości kwasu azotawego silnie zakwaszającego środowiska, co hamuje wzrost bakterii i samą chemosyntezę. Do drugiej grupy (tzw. Nitro-) należą rodzaje Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Podobnie jak bakterie z grupy Nitroso- wykazują charakterystyczny typ wzrostu na powierzchni grudek gleby bądź ścianek naczyń hodowlanych. Bakterie siarkowe o zdolnościach chemosyntetycznych wykorzystują do uzyskania energii utlenianie siarki i jej prostych pochodnych siarkowodoru, tiosiarczanów. Produktem utleniania związków siarki jest kwas siarkowy. Bakterie te należą do różnych grup systematycznych, a ich występowanie jest powszechne w środowiskach bogatych w siarkę (okolice kraterów wulkanicznych lub gejzerów) oraz siarkowodór (wody powierzchniowe, bagna, gleby). Bakterie te są czasami określane jako bakterie tionowe (są zdolne do utleniania kwasów tionowych oraz tiosiarczanów). Nie gromadzą one siarki wewnątrz komórek, lecz wydzielają ją do środowiska; ich komórki są bezbarwne. Powszechnie spotykaną siarkową bakterią glebową jest Thiobacillus thiooxidans. Bakteria ta spotykana jest często w glebach uprawnych, łąkowych, kompostach oraz w złożach fosforytów. Utlenia siarkę, siarkowodór oraz tiosiarczany. Inne gatunki często spotykane w środowisku naturalnym to T. thioparus, T. denitrificans, T. neapolitanus. Większość glebowych i wodnych bakterii siarkowych należy do obligatoryjnych chemolitoautotrofów i toleruje silnie kwaśny odczyn środowiska (T. thiooxidans jest zdolna do przeżycia w 1M kwasie siarkowym). Wynika to głównie ze specyfiki katalizowanych przez te bakterie reakcji biochemicznych, których produktem jest kwas siarkowy: H 2S + 2 O 2 H 2SO 4 S + H 2O + 1,5 O 2 H 2SO 4 H 2S 2O 3 + H 2O + 2 O 2 2 H 2SO 4 4

5 Podobne właściwości wykazują także niektóre, zaliczane do bakterii siarkowych, ekstremofilne archeony (Sulfolobus acidocaldarius, Caldariella acidophila). Występują w gorących źródłach o optimum temperaturowym w granicach 75 C i ph około 2. Do bakterii siarkowych o zdolności do chemosyntezy zaliczane są także bakterie charakterystyczne dla wód stojących, kałuż, bagien oraz osadów dennych z rodzajów: Beggiatoa, Thiotrix, Thioploca, Thiovola, Achromatium (np. A. oxaliferum). Utleniają one zarówno czystą siarkę (Thiotrix), jak i siarkowodór (Beggiatoa). Znaczenie bakterii siarkowych jest bardzo duże z uwagi na umożliwienie asymilacji końcowych produktów obiegu siarki w przyrodzie zwłaszcza siarkowodoru roślinom wyższym. Siarka w postaci siarkowodoru jest dla roślin całkowicie nieprzyswajalna i toksyczna. Bakterie te pełnią zatem ważną rolę detoksykacyjną w środowisku oraz powodują powstawanie złogów wolnej siarki. Ma to również znaczenie w gospodarce człowieka praktycznie wszystkie eksploatowane złoża siarki mają pochodzenie biogenne. Rys. Przemiany siarki w cyklu biogeochemicznym. Rys. Stopnie utlenienia różnych form siarki występujących w przyrodzie. 5

6 Bakterie sulfidogenne Bakterie mogą wykorzystywać związki siarki także do oddychania beztlenowego. Bakterie sulfidogenne (zwane także bakteriami desulfuryzacyjnymi) wykorzystują jako akceptory elektronów jony siarczanowe (oddychanie siarczanowe czyli dysymilacyjna redukcja siarczanów) lub czystą siarkę (oddychanie siarkowe). Produktem tego procesu jest siarkowodór lub siarczki. Wszystkie bakterie u których wykryto proces oddychania siarczanowego są obligatoryjnymi anaerobami. Bakterie te są bardzo zróżnicowane morfologicznie oraz biochemicznie i należą do kilku różnych niespokrewnionych ze sobą grup taksonomicznych. Zalicza się do nich m. in. rodzaje Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfococcus, Desulfobacillus, Desulfomonas, Desulfosarcina, a także archeony (np. termofilny Archaeoglobus sp.). Występowanie tych bakterii ograniczone jest do wyjątkowo beztlenowych środowisk, w których intensywnie zachodzą procesy gnilne przede wszystkim w osadach tzw. czarnego błota (stanowią na przykład główną przyczynę intensywnej barwy dna Morza Czarnego), w sąsiedztwie złóż ropy naftowej, a także w przewodzie pokarmowym wyższych zwierząt. Bakterie te wykorzystują jako substraty oddechowe nie cukry, lecz produkty niepełnej degradacji lipidów, węglowodanów i białek: kwasy tłuszczowe, kwas mlekowy, alkohole (w przypadku bakterii autotroficznych substratem oddechowym może być gazowy wodór). Hodowla selekcyjna tych mikroorganizmów prowadzona jest w warunkach beztlenowych, w obecności łatwo przyswajalnych form węgla oraz źródeł jonów siarczanowych. Zupełnie niszowymi mikroorganizmami są bakterie zdolne do beztlenowego oddychania z wykorzystaniem czystej siarki jako akceptora elektronów (oddychanie siarkowe). Zalicza się do nich wyizolowany z wody morskiej gatunek Desulfuromonas acetoxidans (obligatoryjny beztlenowiec), bakterie z gatunku Desulfomonas pigra (obecnie: Desulfovibrio piger) oraz nieliczne ekstremofilne archeony (rodzaje Pyrodictium, Acidianus) wzrastające w temperaturze około 110 C. Są to miksotrofy. Proces oddychania siarkowego prowadzony przez D. acetoxidans jest szczególnie skomplikowanym przykładem oddziaływania ekologicznego o charakterze syntrofii. Bakteria ta wyizolowana z wody morskiej ma zdolność prawidłowego wzrostu i rozwoju in vitro tylko w kokulturze z innym gatunkiem fototroficzną bakterią zieloną z rodziny Chlorobiaceae. Bakteria ta wykorzystuje powstający podczas oddychania siarkowego (prowadzonego przez D. acetoxidans) siarkowodór jako akceptor wodoru w fotosyntezie anoksygenowej. Wynikiem 6

7 tej reakcji jest powstawanie siarki ponownie wykorzystywanej przez D. acetoxidans. Ponadto D. acetoxidans ma zdolność do utleniania octanów i etanolu do dwutlenku węgla drugiego produktu wykorzystywanego w fotosyntezie przez syntroficzną bakterię zieloną. Bakterie denitryfikacyjne i diazotrofy W procesie denitryfikacji jony azotanowe w warunkach beztlenowych zostają zredukowane i przekształcone ostatecznie do gazowych produktów: podtlenku azotu i azotu atmosferycznego (usuwanych z komórki). Należy podkreślić, że denitryfikacja (rodzaj oddychania azotanowego czyli dysymilacyjnej redukcji azotanów) nie jest procesem odwrotnym do nitryfikacji. Denitryfikacja jest najczęściej spotykaną u bakterii formą oddychania beztlenowego. Typowe gatunki denitryfikatorów glebowych to: Pseudomonas denitrificans, P. aeruginosa, Bacillus licheniformis, Thiobacillus denitrificans, Paracoccus denitrificans. Większość denitryfikatorów to bakterie względnie tlenowe wykorzystujące głównie tlen jako ostateczny akceptor elektronów, a jedynie w warunkach niedoboru tlenu prowadzą denitryfikację (wówczas ostatecznym akceptorem są jony azotanowe). W pierwszym etapie jony azotanowe są redukowane do jonów azotynowych jest to wspólny etap wszystkich rodzajów oddychania azotanowego. W przypadku denitryfikacji jony azotynowe ulegają dalszej redukcji, tak więc produktami końcowymi denitryfikacji są zredukowane formy azotu w postaci gazowej (tlenek azotu, podtlenek azotu, wolny azot atmosferyczny w zależności 7

8 od obecności odpowiednich enzymów). Selekcję bakterii o zdolnościach do denitryfikacji prowadzi się w warunkach beztlenowych na podłożach zawierających jony azotanowe (najczęściej w postaci KNO 3) i organicznymi źródłami węgla peptonem, bulionem, glukozą, kwasami organicznymi itp. (np. podłoże Giltay a). Konieczny jest także dodatek źródła jonów amonowych, ponieważ bakterie denitryfikacyjne, w odróżnieniu od amonifikacyjnych, nie są zdolne do redukcji jonów azotanowych do amoniaku w celu wykorzystania go w biosyntezie aminokwasów. Jony azotanowe wykorzystywane są jedynie jako alternatywa dla oddychania tlenowego. Istnieją jednak, choć bardzo nieliczne, gatunki bakterii mające zdolność do amonifikacji, czyli redukcji azotanów nie do wolnego azotu, lecz do amoniaku (np. Escherichia coli, Enterobacter aerogenes bakterie jelitowe), choć niekonieczne są zdolne do asymilacji azotu w takiej formie. Asymilacja azotu atmosferycznego (diazotrofia) może być przeprowadzana przez bakterie symbiotyczne lub przez wolno żyjące bakterie glebowe. Wszystkie diazotrofy są zdolne do przyswajania azotu atmosferycznego dzięki obecności kompleksu enzymatycznego nitrogenazy (właściwa nitrogenaza i reduktaza nitrogenazowa) kodowanego przez odrębne geny. Wszystkie zbadane kompleksy nitrogenaz bakteryjnych są do siebie bardzo zbliżone. Charakteryzują się bardzo wysoką wrażliwością na obecność tlenu, stąd ich aktywność u tlenowców przebiega albo w wyspecjalizowanych komórkach (heterocystach) u sinic, albo jest chroniona przez specjalne barwniki leghemoglobinowe (u bakterii brodawkowych). Pierwotnym produktem reakcji wiązania azotu jest amoniak. Do bakterii symbiotycznych wiążących azot atmosferyczny należą przede wszystkim tzw. bakterie brodawkowe wnikające do korzeni roślin z rodziny motylkowatych. Są to gatunki endosymbiotyczne dla określonych gatunków roślin z tej rodziny (fasola, nostrzyk, koniczyna, łubin, groch, soja). Zalicza się do nich sześć gatunków w obrębie rodzaju Rhizobium sp. (R. leguminosarum, R. phaseoli, R. trifolii, R. lupini, R. meliloti, R. japonicum syn. Bradyrhizobium japonicum) oraz gatunki z rodzajów Sinorhizobium i Mesorhizobium. Endosymbiontami roślin z krajów tropikalnych są Bradyrhizobium japonicum (symbioza z soją i ryżem), Azorhizobium caulinodans (tworzy brodawki łodygowe u rośliny motylkowej Sesbania caulinodans). Również niektóre gatunki roślin spoza rodziny motylkowatych mają zdolność do wchodzenia w układy symbiotyczne z bakteriami diazotroficznymi. Przykładem bakterii wykazującej takie cechy jest promieniowiec z rodzaju Frankia (symbioza z korzeniami olszy i wielu innych drzew liściastych) oraz sinice z rodzajów Anabaena i Nostoc (symbioza np. z paprotką wodną, przylaszczkami). Bakterie z rodzaju Rhizobium są wykorzystywane praktycznie w tzw. szczepionkach glebowych stosowanych w rolnictwie do podwyższania żyzności gleb (np. Nitragina wyprodukowana 8

9 już w 1901 roku). Zdolność wiązania azotu atmosferycznego wykazują także liczne gatunki glebowych nie tworzących endosymbiozy z roślinami wyższymi. Do wolno żyjących diazotrofów zaliczane są przede wszystkim bakterie z rodzajów Clostridium (laseczki beztlenowe głównie C. pasteurianum, C. butyricum) i bakterie tlenowe Azotobacter (A. vinelandii, A. chroococcum) w Polsce najczęściej spotykanym gatunkiem jest A. chroococcum. Inne bakterie zdolne do asymilacji dość dużych ilości azotu to Alcaligenes latus, Bacillus polymyxa, Xanthobacter autotrophicus, Azomonas agilis, Derxia gummosa, a także niektóre bakterie z rodzajów Arthrobacter, Achromobacter, Pseudomonas. Zdolność wiązania azotu stwierdzono także u większości bakterii fototroficznych (np. Chromatium sp., Allochromatium sp., Chlorobium sp.), sinic (około 40 gatunków mają ogromną rolę ekologiczną jako organizmy pionierskie) i niektórych promieniowców (np. Actinomyces spinae). Drobnoustroje heterotroficzne Bardzo liczną grupę drobnoustrojów glebowych stanowią heterotrofy mające zdolność do rozkładu wszelkich połączeń organicznych węgla i tym samym pełniące podstawową rolę w mineralizacji materii. Zaliczana jest tu większość bakterii, w tym promieniowce, oraz wszystkie grzyby. Rozkładają zarówno proste związki organiczne, jak i trudne do rozkładu związki pochodzenia roślinnego (celuloza, hemiceluloza, pektyny, ligniny) oraz wiele bardzo toksycznych ksenobiotyków zwłaszcza o budowie aromatycznej dostających się do gleb w dużych ilościach w wyniku działalności człowieka. Najważniejszą rolą tych mikroorganizmów jest tworzenie humusu, czyli próchnicy glebowej decydującej o żyzności gleb. Humus stanowią głównie substancje pochodzenia naturalnego o bardzo trudnej do degradacji strukturze zazwyczaj woski, ligniny, celuloza. Nadają one humusowi ciemne zabarwienie. Bardzo ważne jest w tym przypadku rozkładanie białek procesy proteolizy (rozkład do aminokwasów) oraz dalszy rozkład aminokwasów i amonifikacja. Typowymi drobnoustrojami proteolitycznymi są bakterie z rodzajów Bacillus i Pseudomonas. Niektóre heterotrofy wzbogacają gleby w azot pochodzenia atmosferycznego. Wiele z nich wytwarza także substancje wzrostowe lub antybiotyczne istotnie wpływając na równowagę biotyczną gleb. Istnieją także drobnoustroje żyjące w symbiozie z wyższymi roślinami ułatwiając im odżywianie. 9