Azotobacter | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Azotobacter vinelandii | ||||||||||
videnskabelig klassifikation | ||||||||||
Domæne:bakterieType:ProteobakterierKlasse:Gamma proteobakterierBestille:PseudomonadalesFamilie:PseudomonadaceaeSlægt:Azotobacter | ||||||||||
Internationalt videnskabeligt navn | ||||||||||
Azotobacter Beijerinck 1901 | ||||||||||
Slags | ||||||||||
|
||||||||||
|
Azotobacter [1] ( lat. Azotobacter ) er en slægt af bakterier , der lever i jorden og er i stand til at omdanne gasformigt nitrogen til en opløselig form, der er tilgængelig for absorption af planter som et resultat af processen med nitrogenfiksering .
Slægten Azotobacter tilhører Gram -negative bakterier og tilhører gruppen af såkaldte fritlevende nitrogenfiksere. Repræsentanter for slægten lever i neutral og basisk jord [2] [3] , vand og i forbindelse med nogle planter [4] [5] . De danner specielle hvileformer - cyster .
Det spiller en vigtig rolle i kvælstofkredsløbet i naturen, idet det binder atmosfærisk kvælstof , der er utilgængeligt for planter, og frigiver bundet kvælstof i form af ammoniumioner til jorden. Brugt af mennesker til produktion af nitrogen biogødning, er en producent af nogle biopolymerer .
Det første medlem af slægten, Azotobacter chroococcum , blev opdaget og beskrevet i 1901 af den hollandske mikrobiolog og botaniker Martin Beijerinck . Der er i øjeblikket seks arter i slægten.
Cellerne af bakterier af slægten Azotobacter er relativt store (1-2 mikron i diameter), normalt ovale, men har pleomorfisme , det vil sige, de kan have en anden form - fra stavformede til kugleformede . På mikroskopiske præparater kan celler placeres enkeltvis, i par, i uregelmæssige klynger eller lejlighedsvis i kæder af forskellig længde. De danner specielle hvileformer - cyster , danner ikke sporer .
I friske kulturer er celler mobile på grund af talrige flageller [6] . I senere kulturer bliver cellerne immobile, bliver næsten kokkeformede og producerer et tykt lag slim , der danner cellens kapsel . Cellens form er også påvirket af næringsmediets kemiske sammensætning - pepton forårsager for eksempel pleomorfi og inducerer blandt andet dannelsen af såkaldte "svampelignende" celler. Den inducerende effekt på pleomorfisme i kulturer af repræsentanter for slægten Azotobacter i sammensætningen af pepton udøves af aminosyren glycin [7] .
Under mikroskopi observeres indeslutninger i cellerne, hvoraf nogle er farvede, og nogle forbliver farveløse. I begyndelsen af det 20. århundrede troede man, at farvede indeslutninger er "reproduktive granulater", eller gonidier , og deltager i celle-reproduktion, idet de er en slags " kim "-celler [8] , men så blev det bevist, at granulat gør ikke deltager i celleformeringen og er ikke "små, kokoslignende reproduktionsceller" af bakterier - gonidier [9] . Farvbare granulater består af volutin , mens ikke-farvbare granula er fedtdråber. Pellets er en backup strømkilde. [ti]
CysterCyster af repræsentanter for slægten Azotobacter er mere modstandsdygtige over for virkningen af ugunstige miljøfaktorer end vegetative celler - for eksempel er cyster dobbelt så modstandsdygtige over for ultraviolet stråling end vegetative celler, modstandsdygtige over for tørring, gammastråling , solbestråling og ultralyd , men de er ikke modstandsdygtige over for høje temperaturer. [elleve]
Dannelsen af cyster induceres ved at ændre koncentrationen af næringsstoffer i næringsmediet og tilsætning af nogle organiske stoffer (f.eks. ethanol , n - butanol og β-hydroxybutyrat). Cyster dannes sjældent i flydende næringsmedier [12] . Encystation kan induceres af kemiske faktorer og er ledsaget af metaboliske skift, ændringer i katabolisme og respiration og ændringer i biosyntesen af makromolekyler [13] . Aldehyddehydrogenase [14] såvel som responsregulatoren AlgR [15] har en vis betydning ved induktion af encystation .
Azotobacter cyste er et sfærisk legeme, der består af det såkaldte centrallegeme (en reduceret kopi af en vegetativ celle med et stort antal vakuoler ) og en to-lags membran , hvis indre del kaldes intima og har en fibrøs struktur [16] , og den ydre del kaldes exinen og er repræsenteret af en glat, reflekterende struktur, der har en sekskantet krystalstruktur [ 17] . Exinet hydrolyseres delvist af trypsin og er modstandsdygtigt over for virkningen af lysozym , i modsætning til det centrale legeme [18] . Det centrale legeme kan isoleres i en levedygtig tilstand med nogle chelateringsmidler [ 19] . Hovedkomponenterne i den ydre skal af cysten er alkylresorcinoler, der består af lange alifatiske kæder og aromatiske ringe. Alkylresorcinoler findes også i andre bakterier, dyr og planter [20] .
Spiring af cysterCysten af repræsentanter for slægten Azotobacter er en hvilende form af en vegetativ celle, nødvendig for at opleve negative miljøfaktorer, og tjener ikke til reproduktion . Efter genoptagelsen af optimale forhold, såsom den optimale pH-værdi, temperatur og tilførsel af en tilgængelig kulstofkilde , spirer cysterne, den resulterende vegetative celle formerer sig igen ved simpel celledeling . Når cysterne spirer, beskadiges exine-cysten, og en stor vegetativ celle frigives.
Mikroskopisk er den første manifestation af sporespiring et gradvist fald i lysbrydningen af cyster ved fasekontrastmikroskopi . Spiring af cyster er en langsom proces og varer omkring 4-6 timer, hvor den centrale krop forstørrer og fanger de volutin- granulat , der tidligere var i intima. Exinen brister derefter, og den vegetative celle frigøres fra exinen, som har en karakteristisk hesteskoform [21] . Når cysten spirer, noteres metaboliske ændringer. Umiddelbart efter tilsætning af en kulstofkilde til mediet begynder cysterne at absorbere ilt og frigive kuldioxid , respirationshastigheden stiger til maksimale værdier 4 timer efter tilsætning af glukose . Syntesen af proteiner og RNA begynder også efter tilsætningen af en kulstofkilde til mediet, men intensiveringen af syntesen af makromolekyler bemærkes kun 5 timer efter tilsætningen af en kulstofkilde. DNA- syntese og nitrogenfiksering påbegyndes 5 timer efter tilsætning af glucose til et nitrogenfrit næringsmedium [22] .
Under spiringen af cyster er der ændringer i intima, synlige på elektronmikroskopiske præparater. Intimaen er sammensat af kulhydrater , lipider og proteiner og fylder næsten det samme volumen i cellen som det centrale legeme. Under spiringen af cyster hydrolyseres intima og bruges af cellen til syntese af cellekomponenter [23] .
De modtager energi under redoxreaktioner ved at bruge organiske forbindelser som elektrondonor. De kræver ilt for at vokse, men er i stand til at vokse ved reducerede iltkoncentrationer , danne katalase og oxidase . Kunne bruge forskellige kulhydrater , alkoholer og salte af organiske syrer som kulstofkilder . Nitrogenfiksere er i stand til at fiksere mindst 10 mikrogram nitrogen pr. gram forbrugt glukose , nitrogenfiksering afhænger af tilstedeværelsen af molybdænioner , fraværet af molybdæn kan delvist erstattes af vanadiumioner . Nitrater , ammoniumioner og aminosyrer kan bruges som nitrogenkilder . Optimal pH for vækst og nitrogenfiksering er 7,0-7,5, i stand til at vokse i pH-området fra 4,8 til 8,5. [24] Hydrogenafhængig mixotrofisk vækst af repræsentanter for slægten Azotobacter på et nitrogenfrit næringsmedium indeholdende mannose er også mulig . Hydrogen er tilgængelig i jorden; derfor er muligheden for mixotrofi hos repræsentanter for slægten Azotobacter under naturlige forhold ikke udelukket . [25]
Repræsentanter for slægten Azotobacter er i stand til at bruge kulhydrater (for eksempel mannitol , saccharose , glucose ), alkoholer (herunder ethanol og butanol) og salte af organiske syrer, herunder benzoater , som en kilde til kulstof og energi. Repræsentanter for slægten vokser på nitrogenfri medier designet til at isolere fritlevende nitrogenfikserende og oligonitrofile organismer, for eksempel på Ashbys medium indeholdende en kulstofkilde (mannitol, saccharose eller glucose) og de nødvendige sporstoffer (kilde til fosfor , svovl , etc.), eller på M-medium V. Fedorov , der indeholder flere mikroelementer [26] , samt på Beyerinks flydende medium .
På tætte næringsmedier danner repræsentanter for slægten flade, slimede kolonier med dejagtig konsistens 5-10 mm i diameter; i flydende næringsmedier danner de film. Pigmentering er også karakteristisk , kolonier af repræsentanter for slægten kan farves i mørkebrune, grønne og andre farver, eller de kan være farveløse, afhængigt af arten. Repræsentanter for slægten Azotobacter er mesofile mikroorganismer og vokser ved en temperatur på 20-30 °C. [27]
Repræsentanter for slægten Azotobacter producerer pigmenter. For eksempel producerer typearten af slægten Azotobacter chroococcum et mørkebrunt vandopløseligt pigment (denne evne afspejles i den specifikke epitet) melanin . Melaninproduktion i Azotobacter chroococcum observeres ved høje niveauer af respiration under nitrogenfiksering og beskytter formodentlig også nitrogenasesystemet mod iltangreb under aeroadaptation [28] Andre Azotobacter - arter producerer også gulgrønne til lilla pigmenter. [29] Medlemmer af slægten er også i stand til at producere et grønligt fluorescerende pigment, der fluorescerer med gul-grønt lys og et pigment, der fluorescerer med blå-hvidt lys. [tredive]
Bestemmelsen af nukleotidsekvensen af Azotobacter vinelandii - kromosomet fra AvOP- stammen er delvist afsluttet. Azotobacter vinelandii - kromosomet er et cirkulært DNA- molekyle på 5.342.073 basepar i størrelse og indeholder 5043 gener , hvoraf 4988 koder for proteiner , andelen af G + C-par er 65%. [31] En ændring i ploidien af repræsentanter for slægten Azotobacter i løbet af livscyklussen blev bemærket: efterhånden som kulturer ældes, stiger antallet af kromosomer i celler og indholdet af DNA - i den stationære vækstfase kan kulturer indeholde mere end 100 kopier af kromosomet pr. celle. Ved overførsel til et frisk næringsmedium genoprettes det oprindelige DNA-indhold (en kopi) [32] Ud over kromosomalt DNA er der fundet plasmider i repræsentanter for slægten Azotobacter [33] , og muligheden for transformation af repræsentanter for slægten Azotobacter med eksogent plasmid-DNA er også blevet bevist [34] .
Repræsentanter for slægten Azotobacter er allestedsnærværende i neutrale og let alkaliske jordarter og er ikke isoleret fra sure jorde. [35] De er også blevet fundet i de ekstreme jordbundsforhold i de nordlige og sydlige polarområder , på trods af korte lokale vækstsæsoner og relativt lave pH-værdier, i den arktiske region i ler og ler (herunder tørv og sandjord ), i Antarktisk region — i kystjord [36] I tør jord kan repræsentanter for denne slægt overleve som cyster i op til 24 år. [37]
Også repræsentanter for slægten Azotobacter blev isoleret fra akvatiske levesteder, herunder ferskvandsreservoirer [38] , brakmoser [39] . Nogle repræsentanter for slægten Azotobacter er forbundet med planter og findes i rhizosfæren , der indgår i visse relationer med planten [40] - repræsentanter for slægten blev isoleret fra rhizosfæren af mangrovetræer sammen med andre nitrogenfikserende og denitrificerende bakterier [41 ] .
Nogle stammer findes også i kokonerne af regnormen Eisenia fetida . [42]
Repræsentanter for slægten Azotobacter er fritlevende nitrogenfiksere, det vil sige, i modsætning til repræsentanter for slægten Rhizobium , fikserer de molekylært nitrogen fra atmosfæren uden at indgå i et symbiotisk forhold med planter, selvom nogle medlemmer af slægten forbinder sig med værtsplanten. [43] Nitrogenfiksering hæmmes af tilstedeværelsen af tilgængelige nitrogenkilder, f.eks . ammoniumioner , nitrater . [44]
Repræsentanter for slægten Azotobacter har et komplet kompleks af enzymer, der er nødvendige for implementering af nitrogenfiksering: ferredoxiner , hydrogenaser og det vigtigste enzym - nitrogenase . Processen med nitrogenfiksering er energiafhængig og kræver en tilstrømning af energi i form af ATP . Processen med nitrogenfiksering er ekstremt følsom over for tilstedeværelsen af ilt , derfor har repræsentanter for slægten Azotobacter udviklet en særlig mekanisme til beskyttelse mod virkningen af ilt - den såkaldte åndedrætsbeskyttelse, udført ved en betydelig intensivering af respirationen, hvilket reducerer koncentrationen af ilt i cellerne. [45] Der er også et særligt Shethna -protein, der beskytter nitrogenase og er involveret i at forhindre oxygen-induceret celledød: mutanter, der ikke producerer dette protein, dør i nærvær af oxygen under nitrogenfiksering i fravær af en nitrogenkilde i miljøet [46] Azotobacter spilles af homocitrationer . [47]
Nitrogenasekomplekset er det vigtigste enzym involveret i nitrogenfiksering. Repræsentanter for slægten Azotobacter har flere typer nitrogenaser - Mo [51][50][49], molybdænion-uafhængigeVanadiumholdigeog alternative nitrogenaser:48][nitrogenase-Fe- 5 ° C , mindre aktiv end konventionel nitrogenase [53] [54] . En vigtig rolle i dannelsen af aktiv nitrogenase spilles af modningen af P - klyngen af Mo-Fe-nitrogenase [55] såvel som forløberen for Mo-Fe- cofaktoren af nitrogenase [56] , GroEL- chaperonen , spiller en vigtig rolle i den endelige omlejring af nitrogenase [57] . Reguleringen af nitrogenaseaktivitet kan udføres ved dannelse af et bundfald af arginin [58] Syntese af nitrogenase udføres under kontrol af den såkaldte. nif gener. [59] Nitrogenfiksering reguleres af nifLA- operonen , NifA-produktet regulerer transkriptionen af nif-gener, NifL har en antagonistisk effekt på virkningen af NifA som reaktion på absorberet nitrogen, og afhængigt af niveauet af ilttilførsel til cellen , er ekspressionen af nifLA-operonen reguleret af en positiv reguleringsmekanisme. [60] NifL er et flavoprotein , der modulerer transkriptionel aktivering af nitrogenfikseringsgener gennem en redoxafhængig switch. [61] Et to-komponent reguleringssystem bestående af to proteiner ( NifA- forstærkeren og NifL-sensoren), der danner komplekser med hinanden, er et atypisk og ualmindeligt system til genekspressionsregulering blandt andre organismer . [62]
Nitrogenfiksering spiller en vigtig rolle i kvælstofkredsløbet i naturen. Nitrogenfiksering er den vigtigste kilde til kvælstof, og repræsentanter for slægten Azotobacter spiller en afgørende rolle i jordens kvælstofkredsløb ved at fiksere molekylært kvælstof. Repræsentanter for slægten syntetiserer også nogle biologisk aktive stoffer, herunder nogle fytohormoner , såsom auxiner [63] , og stimulerer derved planters vækst og udvikling [64] , er en biologisk plantevækststimulator og syntetiserer faktorer, der er nødvendige for plantevækst [65] ] . Exopolysaccharider af repræsentanter for slægten bidrager til mobilisering af tungmetaller i jorden, hvilket bidrager til selvrensning af jord, der er forurenet med tungmetaller, såsom cadmium , kviksølv og bly . [66] Nogle medlemmer af slægten Azotobacter er også i stand til at bionedbryde visse klorholdige aromatiske forbindelser , såsom 2,4,6-trichlorphenol ( 2,4,6-Trichlorphenol ) - et tidligere brugt insekticid , fungicid og herbicid , der har en mutagen og kræftfremkaldende virkning og er fremmedfjendtlig og forurenende . [67]
På grund af deres evne til at fiksere molekylært kvælstof og derved øge jordens frugtbarhed og stimulere plantevækst, bruges repræsentanter for slægten Azotobacter i landbruget [68] til at opnå nitrogen biogødning, herunder Azotobacterin [69] , og repræsentanter for slægten er også producenter af polysaccharid - alginsyren ( E400) [70] [71] [72] , brugt i medicin (som et syreneutraliserende middel ), i fødevareindustrien (som fødevaretilsætning til is, buddinger og cremer) og i biosorption af metaller [73] og poly(3-hydroxybutyrat) ( Polyhydroxybutyrat ) [74] . Azotobacter beijerinckii er en producent af restriktionsenzymet Abe I, som genkender den asymmetriske heptanukleotidsekvens CCTCAGC. [75]
Slægten Azotobacter blev beskrevet i 1901 af Martin Beijerinck, en hollandsk mikrobiolog og botaniker, en af grundlæggerne af økologisk mikrobiologi, baseret på den første isolerede og beskrevne af ham Azotobacter chroococcum , den første aerobe frielevende nitrogenfikser. [76]
I 1903 beskrev Lipman ( Lipman ) Azotobacter vinelandii Lipman, 1903 , og et år senere Azotobacter beijerinckii Lipman, 1904 , opkaldt efter selveste Martin Beijerinck. I 1949 beskrev den russiske mikrobiolog Nikolai Alexandrovich Krasilnikov arten Azotobacter nigricans Krasil'nikov, 1949 , i 1981 opdelt af Thompson og Skyrman i to underarter : Azotobacter nigricans subsp. nigricans Krasil'nikov, 1949 og Azotobacter nigricans subsp. achromogenes Thompson og Skerman, 1981 , samme år beskrev Thompson og Skerman arten Azotobacter armeniacus Thompson og Skerman, 1981 . I 1991 beskrev Page og Shivprasad 1991 en mikroaerofil natriumionafhængig aerotolerant art Azotobacter salinestris Page og Shivprasad 1991 . [77]
Tidligere tilhørte repræsentanter for slægten familien Azotobacteraceae Pribram, 1933 , men blev derefter overført til familien Pseudomonadaceae baseret på undersøgelsen af 16S rRNA -nukleotidsekvenser . I 2004 blev der gennemført en fylogenetisk undersøgelse, som viste, at Azotobacter vinelandii er i samme klade som bakterien Pseudomonas aeruginosa . [78] I 2007 blev det foreslået, at slægterne Azotobacter , Azomonas og Pseudomonas er beslægtede , og at de kan være synonyme . [79]
Taksonomisk ordningbakteriernes rige | ||||||||||||||||||||||
phylum Proteobacteria | mere end tyve typer, herunder Actinomycetes , Firmicutes , Cyanobacteria , Aquificae , Dictyoglomi | |||||||||||||||||||||
klasse Gamma Proteobacteria | klasser Alpha Proteobacteria (slægten Rickettsia , etc.), Beta Proteobacteria (slægten Neisseria , etc.), Delta Proteobacteria (slægten Bdellovibrio , Desulfovibrio , etc.), Epsilon Proteobacteria | |||||||||||||||||||||
bestille Pseudomonadales | omkring femten flere ordrer, herunder Enterobacteriales (slægten Yersinia , Salmonella , Erwinia osv.), Oceanospirillales (slægten Alcanivorax osv.), Pasteurellales ( Hemophilus influenzae osv.) | |||||||||||||||||||||
familien Pseudomonadaceae | familie Moraxellaceae | |||||||||||||||||||||
slægten Azotobacter | omkring femten mere | |||||||||||||||||||||
seks slags | ||||||||||||||||||||||
Slægten Azotobacter omfattede tidligere også arten Azotobacter agilis (overført i 1938 af Vinogradsky til slægten Azomonas ), Azotobacter macrocytogenes (overført til slægten Azomonotrichon i 1981 og til slægten Azomonas i 1982 ) til Azotobacter paspal i Azophilus ( Aziobacter ) 1981 ).
![]() | |
---|---|
Taksonomi | |
I bibliografiske kataloger |