Atsotobakteeri | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Azotobacter vinelandii | ||||||||||
tieteellinen luokittelu | ||||||||||
Verkkotunnus:bakteeritTyyppi:ProteobakteeritLuokka:Gamma proteobakteeritTilaus:PseudomonadalesPerhe:PseudomonadaceaeSuku:Atsotobakteeri | ||||||||||
Kansainvälinen tieteellinen nimi | ||||||||||
Azotobacter Beijerinck 1901 | ||||||||||
Erilaisia | ||||||||||
|
||||||||||
|
Azotobacter [1] ( lat. Azotobacter ) on maaperässä elävä bakteerisuku , joka pystyy muuttamaan kaasumaisen typen liukoiseen muotoon, joka on kasvien käytettävissä typensidontaprosessin seurauksena .
Azotobacter-suku kuuluu gram -negatiivisiin bakteereihin ja kuuluu ns. vapaasti elävien typen kiinnittäjien ryhmään. Suvun edustajat elävät neutraalissa ja emäksisessä maaperässä [2] [3] , vedessä ja yhdessä joidenkin kasvien kanssa [4] [5] . Ne muodostavat erityisiä lepomuotoja - kystaja .
Sillä on tärkeä rooli luonnon typen kierrossa, sillä se sitoo ilmakehän typpeä , jota kasveille ei pääse käsiksi, ja vapauttaa sitoutunutta typpeä ammoniumionien muodossa maaperään . Ihminen käyttää typen biolannoitteita, on joidenkin biopolymeerien tuottaja .
Suvun ensimmäisen jäsenen, Azotobacter chroococcum , löysi ja kuvasi vuonna 1901 hollantilainen mikrobiologi ja kasvitieteilijä Martin Beijerinck . Tällä hetkellä suvussa on kuusi lajia.
Azotobacter -suvun bakteerisolut ovat suhteellisen suuria (halkaisijaltaan 1-2 mikronia), yleensä soikeita, mutta niillä on pleomorfismi , eli niillä voi olla erilainen muoto - sauvan muotoisesta pallomaiseen . Mikroskooppisissa valmisteissa solut voivat sijaita yksittäin, pareittain, epäsäännöllisissä klustereissa tai satunnaisesti eripituisissa ketjuissa. Ne muodostavat erityisiä lepomuotoja - kystaja , eivät muodosta itiöitä .
Tuoreissa viljelmissä solut ovat liikkuvia lukuisten siimojen vuoksi [6] . Myöhemmissä viljelmissä solut muuttuvat liikkumattomiksi, niistä tulee lähes kokkimuotoisia ja tuottavat paksun limakerroksen , joka muodostaa solun kapselin . Solun muotoon vaikuttaa myös ravinneväliaineen kemiallinen koostumus - peptoni aiheuttaa esimerkiksi pleomorfia ja muun muassa indusoi ns. "sienimäisten" solujen muodostumista. Aminohappo glysiinillä on indusoiva vaikutus pleomorfismiin Azotobacter-suvun edustajien viljelmissä peptonin koostumuksessa [7] .
Mikroskoopilla soluissa havaitaan sulkeumia, joista osa värjäytyy ja osa pysyy värittöminä. 1900-luvun alussa uskottiin, että värjäytyneet sulkeumat ovat "reproduktiivisia rakeita" tai gonidia ja osallistuvat solujen lisääntymiseen, koska ne ovat eräänlaisia " sukusoluja " [8] , mutta sitten todistettiin, että rakeet ovat eivät osallistu solujen lisääntymiseen eivätkä ole bakteerien "pieniä, kokkimaisia lisääntymissoluja" - gonidia [9] . Värjäytyvät rakeet koostuvat volutiinista , kun taas värjäytymättömät rakeet ovat rasvapisaroita. Pelletit ovat varavirtalähde. [kymmenen]
KystatAzotobacter -suvun edustajien kystat ovat vastustuskykyisempiä haitallisten ympäristötekijöiden vaikutukselle kuin vegetatiiviset solut - esimerkiksi kystat ovat kaksi kertaa kestävämpiä ultraviolettisäteilylle kuin vegetatiiviset solut, kestävät kuivumista, gammasäteilyä , auringonsäteilyä ja ultraääntä , mutta ne eivät kestä korkeita lämpötiloja. [yksitoista]
Kystien muodostumista indusoidaan muuttamalla ravinteiden pitoisuutta ravinneväliaineessa ja lisäämällä joitain orgaanisia aineita (esim. etanolia , n - butanolia ja β-hydroksibutyraattia). Kystat muodostuvat harvoin nestemäisiin ravintoaineisiin [12] . Enkystaatio voi johtua kemiallisista tekijöistä, ja siihen liittyy metabolisia muutoksia, muutoksia kataboliassa ja hengityksessä sekä muutoksia makromolekyylien biosynteesissä [13] . Aldehydidehydrogenaasilla [14] , samoin kuin vastesäätelijällä AlgR [15] , on tietty merkitys encystationin induktiossa .
Atsotobakteerikysta on pallomainen kappale, joka koostuu ns. keskuskappaleesta (vähennetty kopio vegetatiivisesta solusta, jossa on suuri määrä vakuoleja ) ja kaksikerroksisesta kalvosta , jonka sisäosaa kutsutaan intimaksi ja jolla on kuiturakenne. [16] , ja ulompaa osaa kutsutaan eksiiniksi ja sitä edustaa sileä, heijastava rakenne, jossa on kuusikulmainen kiderakenne [ 17] . Eksiini on osittain hydrolysoitu trypsiinin vaikutuksesta, ja se on vastustuskykyinen lysotsyymin vaikutukselle , toisin kuin keskusrunko [18] . Keskuskappale voidaan eristää elinkelpoisessa tilassa joillakin kelatoivilla aineilla [19] . Kystan ulkokuoren pääkomponentit ovat alkyyliresorsinolit, jotka koostuvat pitkistä alifaattisista ketjuista ja aromaattisista renkaista. Alkyyliresorsinoleja löytyy myös muista bakteereista, eläimistä ja kasveista [20] .
Kystien itäminenAzotobacter -suvun edustajien kysta on vegetatiivisen solun lepäävä muoto, joka on välttämätön haitallisten ympäristötekijöiden kokemiseksi, eikä se palvele lisääntymistä . Optimaalisten olosuhteiden, kuten optimaalisen pH-arvon, lämpötilan ja käytettävissä olevan hiilenlähteen saannin , palattua kystat itävät, tuloksena oleva vegetatiivinen solu lisääntyy uudelleen yksinkertaisella solujakaumalla . Kun kystat itävät, eksiinikysta vaurioituu ja suuri kasvullinen solu vapautuu.
Mikroskooppisesti ensimmäinen itiöiden itämisen ilmentymä on asteittainen väheneminen valon taittumisessa kystien vaikutuksesta faasikontrastimikroskopiassa . Kystojen itäminen on hidas prosessi ja kestää noin 4-6 tuntia, jonka aikana keskusrunko laajenee ja vangitsee aiemmin intimassa olleet volutiinirakeita. Sitten eksiini räjähtää ja vegetatiivinen solu vapautuu eksiinistä, jolla on tyypillinen hevosenkengän muoto [21] . Kun kysta itää, havaitaan aineenvaihdunnan muutoksia. Välittömästi hiilenlähteen lisäämisen jälkeen kystat alkavat imeä happea ja vapauttaa hiilidioksidia , hengitysnopeus kasvaa maksimiarvoihin 4 tunnin kuluttua glukoosin lisäämisestä . Proteiinien ja RNA :n synteesi alkaa myös sen jälkeen, kun alustaan on lisätty hiilenlähde, mutta makromolekyylien synteesin voimistumista havaitaan vasta 5 tunnin kuluttua hiililähteen lisäämisestä. DNA - synteesi ja typen kiinnittäminen aloitetaan 5 tunnin kuluttua glukoosin lisäämisestä typettömään ravintoalustaan [22] .
Kystojen itämisen aikana intimassa on muutoksia, jotka näkyvät elektronimikroskooppisilla valmisteilla. Intima koostuu hiilihydraateista , lipideistä ja proteiineista, ja se vie solussa lähes saman tilavuuden kuin keskuskeho. Kystien itämisen aikana intima hydrolysoituu ja solu käyttää sitä solukomponenttien synteesiin [23] .
Ne saavat energiaa redox-reaktioiden aikana käyttämällä orgaanisia yhdisteitä elektronin luovuttajana. Ne tarvitsevat happea kasvaakseen, mutta pystyvät kasvamaan alennettujen happipitoisuuksien ollessa kyseessä , muodostamaan katalaasia ja oksidaasia . Pystyy käyttämään erilaisia hiilihydraatteja , alkoholeja ja orgaanisten happojen suoloja hiilen lähteinä . Typen kiinnitysaineet pystyvät kiinnittämään vähintään 10 mikrogrammaa typpeä kulutettua glukoosigrammaa kohden , typen kiinnitys riippuu molybdeeni-ionien läsnäolosta, molybdeenin puuttuminen voidaan osittain korvata vanadiini -ioneilla . Nitraatteja , ammoniumioneja ja aminohappoja voidaan käyttää typen lähteinä . Optimaalinen pH kasvulle ja typen sitomiselle on 7,0-7,5, ja se pystyy kasvamaan pH-alueella 4,8-8,5. [24] Azotobacter - suvun edustajien vetyriippuvainen mixotrofinen kasvu mannoosia sisältävässä typettömässä ravintoalustassa on myös mahdollista . Vetyä on saatavilla maaperässä, joten Azotobacter -suvun edustajien mixotrofian mahdollisuutta luonnollisissa olosuhteissa ei ole poissuljettu . [25]
Azotobacter -suvun edustajat pystyvät käyttämään hiilihydraatteja (esimerkiksi mannitolia , sakkaroosia , glukoosia ), alkoholeja (mukaan lukien etanoli ja butanoli) ja orgaanisten happojen suoloja, mukaan lukien bentsoaatit , hiilen ja energian lähteenä. Suvun edustajat kasvavat typettömällä alustalla, joka on suunniteltu eristämään vapaasti eläviä typpeä sitovia ja oligonitrofiilisiä organismeja, esimerkiksi Ashbyn alustalla , joka sisältää hiilenlähteen (mannitoli, sakkaroosi tai glukoosi) ja tarvittavat hivenaineet ( fosforin lähde , rikki , jne.), tai M-alustalla V. Fedorov , joka sisältää enemmän mikroelementtejä [26] , sekä Beyerinkin nestemäisellä alustalla .
Tiheällä ravintoalustalla suvun edustajat muodostavat litteitä, limaisia, tahnamaisia pesäkkeitä, joiden halkaisija on 5–10 mm, nestemäisessä ravintoaineessa ne muodostavat kalvoja. Pigmentaatio on myös tyypillistä , suvun edustajien pesäkkeet voivat olla värjätty tummanruskeiksi, vihreiksi ja muiksi väreiksi tai ne voivat olla värittömiä lajista riippuen. Azotobacter -suvun edustajat ovat mesofiilisiä mikro-organismeja ja kasvavat 20-30 °C:n lämpötilassa. [27]
Azotobacter -suvun edustajat tuottavat pigmenttejä. Esimerkiksi Azotobacter chroococcum -suvun tyyppilaji tuottaa tummanruskeaa vesiliukoista pigmenttiä (tämä kyky heijastuu erityisessä epiteetissä) melaniinia . Melaniinin tuotantoa Azotobacter chroococcumissa havaitaan korkealla hengitystasolla typen kiinnittymisen aikana, ja se oletettavasti myös suojaa typpijärjestelmää happihyökkäykseltä aeroadaptoinnin aikana [28] Myös muut Azotobacter - lajit tuottavat keltaisenvihreästä violettiin pigmenttejä. [29] Suvun jäsenet pystyvät myös tuottamaan vihertävän fluoresoivan pigmentin, joka fluoresoi kelta-vihreällä valolla, ja pigmenttiä, joka fluoresoi sinivalkoisella valolla. [kolmekymmentä]
AvOP-kannan Azotobacter vinelandii -kromosomin nukleotidisekvenssin määritys on saatu osittain päätökseen. Azotobacter vinelandii -kromosomi on pyöreä DNA -molekyyli , jonka koko on 5 342 073 emäsparia ja sisältää 5 043 geeniä , joista 4 988 koodaa proteiineja , G + C -parien osuus on 65 %. [31] Azotobacter -suvun edustajien ploidisuudessa havaittiin muutos elinkaaren aikana: viljelmien ikääntyessä solujen kromosomien määrä ja DNA:n pitoisuus lisääntyvät - kasvun stationaarivaiheessa viljelmät voivat sisältää enemmän kuin 100 kopiota kromosomista per solu. Kun siirretään tuoreeseen ravintoalustaan, alkuperäinen DNA-sisältö (yksi kopio) palautuu [32] Kromosomaalisen DNA:n lisäksi Azotobacter -suvun edustajista on löydetty plasmideja [33] ja mahdollisuus transformaatioon myös suvun edustajilla. Azotobacter -suvun esiintyminen eksogeenisen plasmidi-DNA:n kanssa on myös todistettu [34] .
Azotobacter -suvun edustajat ovat kaikkialla neutraaleissa ja lievästi emäksisessä maaperässä, eikä niitä ole eristetty happamasta maaperästä. [35] Niitä on löydetty myös pohjoisen ja eteläisen napa-alueen äärimmäisistä maaperäolosuhteista huolimatta lyhyistä paikallisista kasvukausista ja suhteellisen alhaisista pH-arvoista arktisella alueella savesta ja savesta (mukaan lukien turve- ja hiekkasavi ), Etelämantereen alue — rannikkomaassa [36] Kuivassa maaperässä tämän suvun edustajat voivat selviytyä kystaina jopa 24 vuotta. [37]
Myös Azotobacter -suvun edustajia eristettiin vesiympäristöistä, mukaan lukien makean veden säiliöistä [38] , murtosooista [39] . Jotkut Azotobacter -suvun edustajat ovat yhteydessä kasveihin ja löytyvät risosfääristä , ja ne ovat tietyissä suhteissa kasvin kanssa [40] - suvun edustajat eristettiin mangrovepuiden risosfääristä yhdessä muiden typpeä sitovien ja denitrifioivien bakteerien kanssa [41] ] .
Joitakin kantoja löytyy myös kastemadon Eisenia fetida koteloista . [42]
Azotobacter - suvun edustajat ovat vapaasti eläviä typen kiinnittäjiä, eli toisin kuin Rhizobium -suvun edustajat, ne kiinnittävät molekyylin typpeä ilmakehästä ilman symbioottista suhdetta kasvien kanssa, vaikka jotkut suvun jäsenet assosioituvat isäntäkasviin. [43] Typen sitoutumista estävät saatavilla olevat typen lähteet , kuten ammoniumionit ja nitraatit . [44]
Azotobacter -suvun edustajilla on täydellinen kompleksi entsyymejä, joita tarvitaan typen sitomisen toteuttamiseen: ferredoksiinit , hydrogenaasit ja tärkein entsyymi - nitrogenaasi . Typen kiinnitysprosessi on energiariippuvainen ja vaatii energian sisäänvirtauksen ATP :n muodossa . Typen kiinnitysprosessi on äärimmäisen herkkä hapen läsnäololle , joten Azotobacter -suvun edustajat ovat kehittäneet erityisen suojamekanismin hapen vaikutukselta - niin sanotun hengityssuojan, joka suoritetaan hengitystä merkittävästi tehostamalla, mikä vähentää happipitoisuutta soluissa. [45] On myös erityinen Shethna- proteiini, joka suojaa typpeä ja osallistuu hapen aiheuttaman solukuoleman estämiseen: mutantit, jotka eivät tuota tätä proteiinia, kuolevat hapen läsnä ollessa typen kiinnittymisen aikana, jos ympäristössä ei ole typen lähdettä. [46] Atsotobakteeria toistavat homositraatti- ionit . [47]
Nitrogenaasikompleksi on tärkein typen sitomiseen osallistuva entsyymi . Azotobacter -suvun edustajilla on useita typpityyppejä — Mo [51][50][49]sisältävät, molybdeeni-ioneista riippumattomatVanadiiniaja vaihtoehtoisia nitrogenaaseja:48][nitrogenaasi-Fe- 5 ° C :seen ; vähemmän aktiivinen kuin tavanomainen nitrogenaasi [53] [54] . Tärkeä rooli aktiivisen typen muodostumisessa on Mo-Fe-nitrogenaasin P- klusterin [55] kypsymisellä , samoin kuin typen Mo-Fe- kofaktorin [56] esiasteena , GroEL- kaperonilla , Sillä on tärkeä rooli typpigenaasin lopullisessa uudelleenjärjestelyssä [57] . Nitrogenaasiaktiivisuuden säätely voidaan suorittaa muodostamalla arginiinisakka [58] .Typpigenaasin synteesi tapahtuu ns. nif-geenejä. [59] Typen kiinnittymistä säätelee nifLA- operoni , NifA-tuote säätelee nif-geenien transkriptiota , NifL:llä on antagonistinen vaikutus NifA:n toimintaan vasteena absorboituneelle typelle ja riippuen solun hapen syöttötasosta. nifLA - operonin ilmentymistä säätelee positiivinen säätelymekanismi. [60] NifL on flavoproteiini , joka moduloi typen kiinnitysgeenien transkriptionaalista aktivaatiota redox - riippuvaisen kytkimen kautta. [61] Kaksikomponenttinen säätelyjärjestelmä, joka koostuu kahdesta proteiinista ( NifA- tehostaja ja NifL-sensori), jotka muodostavat komplekseja keskenään, on epätyypillinen ja harvinainen geeniekspression säätelyjärjestelmä muiden organismien joukossa. [62]
Typen sitoutumisella on tärkeä rooli luonnon typen kierrossa . Typen sitoutuminen on tärkein typen lähde, ja Azotobacter -suvun edustajilla on ratkaiseva rooli maaperän typen kierrossa kiinnittämällä molekyylityppeä. Lisäksi suvun edustajat syntetisoivat joitain biologisesti aktiivisia aineita, mukaan lukien jotkut kasvihormonit , kuten auksiinit [63] , mikä stimuloi kasvien kasvua ja kehitystä [64] , mikä on biologista kasvien kasvun stimulaattoria ja kasvien kasvulle välttämättömiä syntetisoivia tekijöitä [65] . ] . Suvun edustajien eksopolysakkaridit edistävät raskasmetallien mobilisoitumista maaperässä ja edistävät raskasmetalleilla, kuten kadmiumilla , elohopealla ja lyijyllä , saastuneen maaperän itsepuhdistumista . [66] Jotkut Azotobacter -suvun jäsenet pystyvät myös hajottamaan biologisesti tiettyjä klooria sisältäviä aromaattisia yhdisteitä , kuten 2,4,6-trikloorifenolia ( 2,4,6-trikloorifenoli ) - aiemmin käytetty hyönteismyrkky , sienitautien torjunta-aine. ja rikkakasvien torjunta -aine , jolla on mutageeninen ja karsinogeeninen vaikutus ja joka on ksenobioottinen ja saastuttava . [67]
Azotobacter -suvun edustajia käytetään maataloudessa typpibiolannoitteiden, mukaan lukien Azotobacterin [69] , tuottamiseen maataloudessa , koska ne pystyvät sitomaan molekylaarista typpeä ja lisäämään siten maaperän hedelmällisyyttä ja stimuloimaan kasvien kasvua . polysakkaridi - algiinihappo ( E400 ) [70] [71] [72] , jota käytetään lääketieteessä ( antasidina ), elintarviketeollisuudessa (jäätelön, vanukkaiden ja kermien elintarvikelisäaineena) ja metallien biosorptiossa [73] ja poly(3-hydroksibutyraatti) ( polyhydroxybutyrate ) [74] . Azotobacter beijerinckii on Abe I -restriktioentsyymin tuottaja , joka tunnistaa asymmetrisen heptanukleotidisekvenssin CCTCAGC. [75]
Azotobacter -suvun kuvasi vuonna 1901 hollantilainen mikrobiologi ja kasvitieteilijä Martin Beijerinck, yksi ekologisen mikrobiologian perustajista, perustuen ensimmäiseen eristettyyn ja kuvaamaansa Azotobacter chroococcum -bakteeriin , joka on ensimmäinen aerobinen vapaasti elävä typen kiinnitysaine. [76]
Vuonna 1903 Lipman ( Lipman ) kuvasi Azotobacter vinelandii Lipman, 1903 ja vuotta myöhemmin Azotobacter beijerinckii Lipman, 1904 , nimetty Martin Beijerinckin mukaan. Vuonna 1949 venäläinen mikrobiologi Nikolai Aleksandrovitš Krasilnikov kuvasi Azotobacter nigricans Krasil'nikov, 1949 , vuonna 1981 Thompsonin ja Skyrmanin jakaman lajin kahteen alalajiin : Azotobacter nigricans subsp . nigricans Krasil'nikov, 1949 ja Azotobacter nigricans subsp. achromogenes Thompson ja Skerman , 1981 , samana vuonna Thompson ja Skerman kuvasivat lajin Azotobacter armeniacus Thompson ja Skerman, 1981 . Vuonna 1991 Page ja Shivprasad 1991 kuvasivat mikroaerofiilisiä natriumioneista riippuvaisia aerotolerantteja lajeja Azotobacter salinestris Page ja Shivprasad 1991 . [77]
Aikaisemmin suvun edustajat kuuluivat Azotobacteraceae Pribram -perheeseen, 1933 , mutta sitten ne siirrettiin Pseudomonadaceae -sukuun 16S rRNA -nukleotidisekvenssien tutkimuksen perusteella . Vuonna 2004 suoritettiin fylogeneettinen tutkimus, jossa todettiin, että Azotobacter vinelandii on samassa kladissa kuin Pseudomonas aeruginosa -bakteeri . [78] Vuonna 2007 ehdotettiin, että suvut Azotobacter , Azomonas ja Pseudomonas ovat sukulaisia ja että ne voivat olla synonyymejä . [79]
Taksonominen järjestelmäbakteerien valtakunta | ||||||||||||||||||||||
Proteobakteerit _ | yli kaksikymmentä tyyppiä, mukaan lukien Actinomycetes , Firmicutes , Cyanobacteria , Aquificae , Dictyoglomi | |||||||||||||||||||||
luokan Gamma Proteobacteria | luokat Alpha Proteobacteria (suku Rickettsia , jne.), Beta Proteobacteria (suku Neisseria , jne.), Delta Proteobacteria (suku Bdellovibrio , Desulfovibrio , jne.), Epsilon Proteobacteria | |||||||||||||||||||||
tilaa Pseudomonadales | noin viisitoista muuta lajia, mukaan lukien Enterobacteriales (suku Yersinia , Salmonella , Erwinia jne.), Oceanospirillales (suku Alcanivorax jne.), Pasteurellales ( Hemophilus influenzae jne.) | |||||||||||||||||||||
perhe Pseudomonadaceae | perhe Moraxellaceae | |||||||||||||||||||||
suvun Azotobacter | noin viisitoista lisää | |||||||||||||||||||||
kuusi lajia | ||||||||||||||||||||||
Azotobacter - sukuun kuuluivat aiemmin myös lajit Azotobacter agilis (siirti Vinogradsky vuonna 1938 Azomonas -sukuun ), Azotobacter macrocytogenes (siirretty Azomonotrichon-sukuun vuonna 1981 ja sukuun Azomonas vuonna 1982 ) ja Azopallus in the Azotobacterferred pasphi . 1981 ).
![]() | |
---|---|
Taksonomia | |
Bibliografisissa luetteloissa |