Azotobacter

Відео: Azotobacter sp

Azotobacter - рід звичайно рухливих, овальних або сферичних вільноживучих грамнегативнихбактерій-діазотрофи, що в несприятливих умовах формують оточені товстою стінкою цисти і можуть виробляти значну кількість капсулярного слизу. Представники роду знайдені перш за все в нейтральних і лужних грунтах, у водних середовищах і в асоціації з деякими рослинами. Представники роду мають кілька важливих метаболічних здібностей, зокрема вони фіксують азот, прететворюючи його на аміак. деякі види Azotobacter мають найвищу швидкість метаболізму серед усіх відомих організмів.
представники Azotobacter широко вивчаються і як модельний організм і за можливого застосування в біотехнології. Їх унікальна система трьох ферментів нітрогенази робить цих бактерій дуже цікавими для вчених, які вивчають фіксацію азоту. Вони можуть застосовуватися для виробництва альгінової кислоти, штучної фіксації азоту і виробництва деяких біополімерів.
Перший представник роду, Azotobacter chroococcum, був відкритий і описаний в 1901 році голландським мікробіологом і ботаніком Мартинус Бейеринком. На даний момент до складу роду входять шість видів.
біологічні властивості
Морфологія
Клітини представників роду Azotobacter: видно паличкоподібні і коку клітини різного розміру. Забарвлення залізним гематоксиліном по Гейденгайну. Клітини бактерій роду Azotobacter середнього розміру (1-2 мікрон в діаметрі), зазвичай овальні, але мають плеоморфізм, тобто можуть мати різну форму - від палочковидной до сферичної. На мікроскопічних препаратах клітини можуть розташовуватися поодинці, парами, неправильними скупченнями або, зрідка, ланцюжками різної довжини. Також можуть формувати сплячі форми - цисти, тоді як справжніх спор не утворюють.
У культурі клітини рухаються за допомогою численних джгутиків. За погіршенням умов клітини втрачають рухливість, набувають майже кокоподобную форму і утворюють товстий шар слизу, що формує капсулу клітини. На форму клітини також впливає наявність деяких хімічних компонент середовища - пептони, наприклад, викликає плеоморфізм і індукує утворення так званих «грибоподібних» клітин. Індукуючий вплив на плеоморфізм в культурах представників роду в складі пептона надає амінокислота гліцин.
При мікроскопії в клітинах спостерігаються включення, частина з яких забарвлюється багатьма барвниками (наприклад, залізним гематоксиліном), а частина залишається безбарвним. На початку 20 століття вважалося, що зафарбовані включення є «репродуктивними гранулами» (гонідіями) і беруть участь в розмноженні клітини, виконуючи роль своєрідних «зародоковіх клітин», хоча пізніше ця гіпотеза була спростована. Зараз відомо, що зафарбовані гранули складаються з волютина (типу нуклеопротеинов), а безбарвні є краплями жиру. Оскільки ніякої іншої функції гранул показано не було, вважається, що вони є резервним джерелом живлення.
цисти
циста Azotobacter: видно центральне тіло з вакуолями і багатошарову оболонку Цисти представників роду Azotobacter стійкі до впливу несприятливих факторів зовнішнього середовища, ніж вегетативні клітини - так, цисти в два рази більш стійкі до впливу ультрафіолетового випромінювання, стійкі до висушування, гамма-випромінювання, сонячної радіації, дії ультразвуку, однак не є стійкими до дії високих температур.
Формування цист (інцістування) індукується зміною концентрації поживних речовин в живильному середовищі і додаванням деяких органічних речовин (наприклад етанолу, н-бутанолу та? -Гидроксибутират). Цисти рідко утворюються в рідких поживних середовищах. Освіта цист супроводжується метаболічними змінами, зокрема змінами в катаболизме, диханні і біосинтезі макромолекул. У процесі освіти цисти беруть участь багато білків клітини, зокрема певне значення мають альдегіддегідрогеназа і регулятор відповіді AlgR.
циста Azotobacter - сферичне тіло, що складається з так званого центрального тіла: зменшеної копії вегетативної клітини з великою кількістю вакуолей, і двошарової оболонки, внутрішня частина якої називається інтиму і має волокнисту будову, а зовнішня називається екзини і представлена рівною структурою, навколишнього цисту і має гексагональну кристалічну структуру. Екзини частково гідролізується трипсином і стійка до дії лізоциму, на відміну від центрального тіла. Центральне тіло може бути ізольовано в життєздатному стані деякими хелатирующими агентами. Головними компонентами зовнішньої оболонки цисти є алкілрезорціноли, що складаються з довгих аліфатичних ланцюгів і ароматичних кілець, ці речовини зустрічаються також в інших бактерій, тварин і рослин.
проростання цист
цисти Azotobacter є сплячими формами клітини, необхідними для переживання несприятливих умов зовнішнього середовища, але не призначеними для розмноження. Після відновлення сприятливих умов, таких, як значення кислотності, температури і наявності доступного джерела вуглецю, цисти проростають, в результаті чого утворюються вегетативні клітини, знову розмножується шляхом бінарного поділу. При проростанні цист екзини цисти ушкоджується, і вивільняється велика вегетативна клітина.
При спостереженні першим проявом проростання суперечка є поступове зниження заломлення світла цистами, помітне при фазово-контрастної мікроскопії або вимірі розсіювання світла. Проростання цист - повільний процес, що триває близько 4-6 годин, протягом яких центральне тіло збільшується і відбувається захоплення гранул волютина, що раніше знаходилися в інтимі. Потім екзини лопається і вегетативна клітина характерної підковоподібної форми вивільняється з екзини. При проростанні цисти знову відбуваються метаболічні зміни. Відразу після збільшення концентрації джерела вуглецю цисти починають поглинати кисень і виділяти двоокис вуглецю, зокрема швидкість дихання підвищується до максимальних значень через 4 години після збільшення концентрації глюкози. Біосинтез білків та РНК також починається після збільшення концентрації джерела вуглецю в середовищі, однак активізація синтезу макромолекул відбувається повільніше після збільшення концентрації джерела вуглецю. Так, синтез ДНК і фіксація азоту ініціюються через 5 годин після збільшення концентрації глюкози в безазотними живильному середовищі.
Під час проростання цист відбуваються зміни і в інтимі, видимі на електронно-мікроскопічних знімках. Інтиму складається з вуглеводів, ліпідів і білків і займає майже такий же обсяг клітини, і центральне тіло. Під час проростання цист інтиму гідролізується і використовується клітиною для синтезу її компонентів.


фізіологічні властивості
бактерії Azotobacter отримують енергію в ході окислювально-відновних реакцій, використовуючи в якості донора електорону органічні сполуки. Для росту їм необхідний кисень, але вони здатні рости при знижених концентраціях кисню, утворюють каталазу і оксидазу. Здатні використовувати різні вуглеводи, спирти і солі карбонових кислот як джерела вуглецю. Ці бактерії - діазотрофи (азотфіксаторів), що фіксують менше 10 мг азоту на грам спожитої глюкози, фіксація азоту залежить від наявності іонів молібдену, відсутність молібдену може бути частково заміщена іонами ванадію. Як джерело азоту можуть використовувати нітрати, іони амонію і амінокислоти. Оптимальна кислотність для зростання і фіксації азоту - pH 7,0-7,5, але клітини здатні рости в діапазоні pH від 4,8 до 8,5. Можливий також залежимо від водню міксотрофное зростання представників роду безазотними поживні середовища, що містить манозу. Оскільки водень доступний в грунті, ймовірно міксотрофів цих бактерій відбувається і в природних умовах.
культуральні властивості
представники роду Azotobacter здатні використовувати вуглеводи (наприклад манітол, сахароза, глюкозу), спирти (зокрема етанол і бутанол) і солі органічних кислот, зокрема і бензоати, як джерело вуглецю та енергії. Представники роду ростуть на безазотистих середовищах, призначених для виділення вільноживучих азотфіксуючих і олігонітрофільніх організмів, наприклад на середовищі Ешбі, що містить джерело вуглецю (маніт, сахароза або глюкоза) і необхідні мікроелементи (джерело фосфору, сірки і т. Д.), Або на середовищі Федорова , що містить більше мікроелементів, а також в рідкому середовищі Бейерінк.
На твердих поживних середовищах представники роду утворюють плоскі, слизові колонії пастоподібної консистенції діаметром 5-10 мм, в рідких поживних середовищах утворюють біоплівки. Характерна також пігментація, колонії представників роду можуть бути пофарбовані в темно-коричневий, зелений та інші кольори, або можуть бути безбарвними, в залежності від штаму. бактерії Azotobacter є мезофільними мікроорганізмами і ростуть при температурі 20-30 ° C.
пігменти
Багато представників роду Azotobacter синтезують різноманітні пігменти. Наприклад, типовий вид роду Azotobacter chroococcum виробляє темно-коричневий водорозчинний пігмент (у видовому епітет раз відображена ця здатність) меланін. Продукція меланіну у A. chroococcum спостерігається при високих рівнях дихання під час фіксації азоту і, ймовірно, також захищає нітрогеназну систему від дії кисню при аероадаптаціі. Інші види роду також продукують пігменти від жовто-зеленого до пурпурного кольору. Також представники роду здатні виробляти флуоресцентний пігмент, що випромінює жовто-зеленим кольором, і пігмент, випромінює біло-блакитним кольором.
геном
Частково завершено визначення нуклеотидної послідовності хромосоми Azotobacter vinelandii штаму AvOP. хромосома A. vinelandii - кільцева молекула ДНК розміром 5342073 пар основ, що містить 5043 генів, з яких 4988 кодують білки, вміст ГЦ складає 65%. Відзначено також зміна плоїдності бактерій Azotobacter в міру «старіння» культур: кількість хромосом в клітинах і зміст ДНК збільшується в стаціонарній фазі, де бактерії можуть містити більше 100 копій хромосоми на клітку. При пересівання на свіжий живильне середовище первинний зміст ДНК (одна копія) відновлюється. Крім хромосомної ДНК, у представників роду також знайдені плазміди і показана можливість трансформації бактерій екзогенної плазмід.
систематика
рід Azotobacter був вперше описаний в 1901 році голландським мікробіологом і ботаніком, одним із засновників екологічної мікробіології Мартинус Бейеринком на основі вперше виділеного і описаного ним виду Azotobacter chroococcum, першого відомого аеробного свободноживущего діазотрофи.
Мартинус Віллем Бейерінк (1851-1931) - першовідкривач бактерій роду Azotobacter У 1903 році Ліпман (Lipman) описав вид Azotobacter vinelandii Lipman, 1903, а роком пізніше Azotobacter beijerinckii Lipman, 1904, названий їм по імені самого Мартінуса Бейерінк. У 1949 році радянський мікробіолог Микола Олександрович Красильников описав вид Azotobacter nigricans Krasil`nikov, 1949 в 1981 році розділений Томпсоном (Thompson) і Скерманом (Skerman) на два підвиди: Azotobacter nigricans subsp. Nigricans Krasil`nikov, 1949 і Azotobacter nigricans subsp. achromogenes Thompson and Skerman, 1981, в тому ж році Томпсон і Скерман описали вигляд Azotobacter armeniacus Thompson and Skerman, 1981. У 1991 році Пейдж (Page) і Шівпрасад (Shivprasad) описали мікроаерофільних, що залежить від іонів натрію аеротолерантній вид Azotobacter salinestris Page and Shivprasad тисячу дев`ятсот дев`яносто одна.
Спочатку рід відносили до сімейства Azotobacteraceae Pribram, 1933, однак пізніше він був перенесений до сім`ї Pseudomonadaceae, грунтуючись на молекулярно-систематичних дослідженнях нуклеотиднихпослідовностей 16S рРНК. У 2004 році було проведено філіпченкове досліження, яке виявило, що Azotobacter vinelandii входить в одну поклажі з бактерією Pseudomonas aeruginosa, а в 2007 році було зроблено припущення про близькість пологів Azotobacter, Azomonas і Pseudomonas і про можливе синонімічні.
До роду Azotobacter раніше також відносили види Azotobacter agilis (В 1938 році перенесений Виноградским до роду Azomonas), Azotobacter macrocytogenes (Перенесений в 1981 році до роду Azomonotrichon, а в 1982 році, зі скасуванням Azomonotrichon, до роду Azomonas) і Azotobacter paspali (Перенесений в 1981 році до роду Azorhizophilus).
поширення


Представники роду поширені повсюдно в нейтральних і слабколужних грунтах, але не виділяються з кислих грунтів. Також вони були знайдені і в екстремальних умовах ґрунтів північного і південного полярних регіонів, незважаючи на короткі місцеві вегетаційні сезони і відносно низькі значення pH, - в арктичному регіоні в глині і суглинках (зокрема торф`яних і піщаних суглинках), в антарктичному регіоні - в грунті узбережжя. чисельність Azotobacter в ґрунті не дуже велика, так в грунтах Індії вони не перевищують 10-100 тис. / г грунту. Чисельність цих бактерій сильно залежить від наявності інших мікроорганізмів: існують як мікроорганізми, що стимулюють ріст Azotobacter, так і ті, які запобігають їх інтенсивному росту. У сухих ґрунтах бактерії Azotobacter здатні зберігатися у вигляді цист до 24 років.
також бактерії Azotobacter були виділені з водних середовищ, зокрема з прісноводних водойм, солоневатіх боліт. Деякі представники роду асоційовані з рослинами і були знайдені в ризосфері, вступаючи з рослинами в певні взаємини - кілька штамів роду були виділені з ризосфери мангрових дерев, спільно з іншими азотфиксирующими і Денітрифікуючі бактеріями.
деякі штами Azotobacter також були знайдені в коконах дощових черв`яків Eisenia fetida.
фіксація азоту
бактерії Azotobacter є свободноживущими діазотрофи, тобто здатні фіксувати атмосферний азот, але на відміну від класичних діазотрофи роду Rhizobia, зазвичай не вступають в симбіотичні відносини з рослинами, хоча з цього правила є кілька винятків в межах роду. Фіксація азоту відзначено зниження наявністю доступних джерел зв`язаного азоту, наприклад іонів амонію або нітратів.
Представники роду мають повний комплекс ферментів, необхідних для здійснення фіксації азоту: ферредоксина, гидрогеназу і найважливіші ферменти - нітрогенази. Процес фіксації азоту енергозалежний і потребує притоку енергії у вигляді АТФ. Також цей процес вкрай чутливий до присутності кисню, тому у представників Azotobacter виробився особливий механізм захисту від дії кисню - так званий дихальний захист, що здійснюється шляхом значного збільшення дихання, найбільшої серед усіх відомих бактерій, що дуже значно знижує концентрацію кисню в клітинах. Також ці бактерії мають специфічний для них білок Shethna, що захищає нітрогенази і бере участь в запобіганні смерті клітини, викликаної кисневим стресом: мутанти, які не виробляють цей білок, гинуть за умовами наявності кисню при фіксації азоту (тобто за умовами відсутності джерела свя пов`язаного азоту у середовищі). Певну роль в процесі фіксації азоту бактеріями Azotobacter грають також іони гомоцітрату.
Нитрогеназа - найважливіший фермент фіксації азоту

нітрогенази Azotobacter
Нітрогеназну комплекс є найважливішим ферментом, який бере участь в фіксації азоту. У представників роду виявлено кілька типів нітрогенази - Mo-Fe-Нітрогеназа і альтернативні нітрогенази: ванадій-залежна, активніше, ніж Mo-Fe-Нітрогеназа за умовами низьких температур (в дослідженнях ефективна фіксація азоту не припинялася V-нітрогенази при зниженні температур до 5 ° C, за цими умовами активність V-нітрогенази знизилася в 10 разів менше, ніж в Mo-Fe-нітрогенази), і Fe-залежна, менш активна, ніж звичайна Mo-залежна нітрогенази.
Важливу роль в утворенні активної нітрогенази грає визрівання Р-домену Mo-Fe-нітрогенази, а попередник Mo-Fe-кофактор нітрогенази, шаперон GroEL, грає важливу роль в завершенні формування нітрогенази. Регуляція активності нітрогенази може здійснюватися утворенням комплексів аргініну. Синтез нітрогенази здійснюється під контролем групи т.зв. nif-генів. Фіксація азоту регулюється nifLA опероном, один з продуктув якого, NifA, регулює транскрипцію nif-генів, а NifL має антагоністичну дію по відношенню до дії NifA у відповідь на поглинений азот і в залежності від надходження кисню в клітини, експресія оперону nifLA регулюється по механізму позитивного регулювання. NifL є флавопротеїни, модулирующим активацію транскрипції генів фіксації азоту шляхом редокс-залежного перемикання. Двокомпонентна регуляторна система, що складається з двох білків (енхансера NifA і рецептора NifL), що утворюють комплекси між собою, є атипової для представників роду, але не поширеною серед інших організмів системою регуляції експресії генів.
значення
Азотистий обмін грунту
Фіксація азоту відіграє велику роль в круговороті азоту в природі. Зокрема, фіксація азоту є найважливішим джерелом азоту, а представники роду Azotobacter грають важливу роль в круговороті азоту грунту, здійснюючи фіксацію молекулярного азоту. Також представники роду синтезують деякі біологічно активні речовини, в тому числі і деякі фітогормони, наприклад ауксини, тим самим стимулюючи ріст і розвиток рослин і будучи біологічним стимулятором росту рослин і синтезуючи фактори, необхідні для їх росту. Екзополісахариди представників роду сприяють мобілізації важких металів в грунті, сприяючи самоочищенню ґрунтів, забруднених такими металами, як кадмій, ртуть і свинець. Деякі представники роду Azotobacter також здатні до біодеградації деяких ароматичних сполук, що містять хлор, наприклад 2,4,6-трихлорфенолом, раніше вікорісовувався як інсектицид, фунгіцид і гербіцид, однак має мутагенну і канцерогенну дію і є ксенобіотиком і типовим компонентом забруднення сільськогоспорарськіх грунтів. також Azotobacter виробляє деякі речовини, що запобігають росту певних патогенів рослин, таких як Alternaria, Fusarium і Helminthosporium, такому чином виступаючи в ролі агента біологічної боротьби зі шкідниками.
Використання людиною
Завдяки своїй здатності фіксувати молекулярний азот, тим самим підвищуючи родючість грунтів і стимулюючи ріст рослин, бактерії Azotobacter широко використовуються в сільському господарстві, особливо в колишньому СРСР, зокрема для отримання азотних біодобрив, в тому числі азотобактерин, також представники роду виробляють такі полісахариди як альгінова кислота (E400), який використовується в медицині як антацид, в харчовій промисловості як добавка до мозоріва і кремів і в біоабсорбціі металів і полі-3-гидроксибутират. Azotobacter beijerinckii синтезує рестріктази Abe I, що розпізнає асиметричну семінуклеотідну послідовність CCTCAGC.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!