Azotobakter | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||
vědecká klasifikace | ||||||||||
Doména:bakterieTyp:ProteobakterieTřída:Gama proteobakterieObjednat:PseudomonadalesRodina:PseudomonadaceaeRod:Azotobakter | ||||||||||
Mezinárodní vědecký název | ||||||||||
Azotobacter Beijerinck 1901 | ||||||||||
Druhy | ||||||||||
|
||||||||||
|
Azotobacter [1] ( lat. Azotobacter ) je rod bakterií žijících v půdě a schopných přeměňovat plynný dusík na rozpustnou formu dostupnou pro absorpci rostlinami v důsledku procesu fixace dusíku .
Rod Azotobacter patří mezi gramnegativní bakterie a patří do skupiny tzv. volně žijících fixátorů dusíku. Zástupci rodu žijí v neutrálních a zásaditých půdách [2] [3] , vodě a ve spojení s některými rostlinami [4] [5] . Tvoří zvláštní klidové formy - cysty .
Hraje důležitou roli v koloběhu dusíku v přírodě, váže vzdušný dusík nedostupný pro rostliny a uvolňuje vázaný dusík ve formě amonných iontů do půdy. Používá se člověkem k výrobě dusíkatých biohnojiv, je výrobcem některých biopolymerů .
První člen rodu, Azotobacter chroococcum , byl objeven a popsán v roce 1901 holandským mikrobiologem a botanikem Martinem Beijerinckem . V současné době je v rodu šest druhů.
Buňky bakterií rodu Azotobacter jsou poměrně velké (1-2 mikrony v průměru), obvykle oválné, ale mají pleomorfismus , to znamená, že mohou mít různý tvar - od tyčovitého po kulovitý . Na mikroskopických preparátech mohou být buňky umístěny jednotlivě, v párech, v nepravidelných shlucích nebo příležitostně v řetězcích různých délek. Tvoří zvláštní klidové formy - cysty , netvoří spory .
V čerstvých kulturách jsou buňky mobilní díky četným bičíkům [6] . V pozdějších kulturách se buňky stanou nehybnými, stanou se téměř kokálními ve tvaru a produkují silnou vrstvu hlenu , která tvoří pouzdro buňky . Tvar buňky je ovlivněn i chemickým složením živného média - pepton např. způsobuje pleomorfismus a mimo jiné vyvolává tvorbu tzv. "houbovitých" buněk. Indukční účinek na pleomorfismus v kulturách zástupců rodu Azotobacter ve složení peptonu má aminokyselina glycin [7] .
Pod mikroskopem jsou v buňkách pozorovány inkluze, z nichž některé jsou obarveny a některé zůstávají bezbarvé. Na začátku 20. století se věřilo, že obarvené inkluze jsou „reprodukční granule“ nebo gonidie a účastní se reprodukce buněk jako jakési „ zárodečné “ buňky [8] , ale pak se ukázalo, že granule ano. neúčastní se buněčné reprodukce a nejsou „malými, kokusovitými reprodukčními buňkami“ bakterií – gonidie [9] . Barvicí granule se skládají z volutinu , zatímco nebarvitelné granule jsou tukové kapičky. Pelety jsou záložním zdrojem energie. [deset]
CystyCysty zástupců rodu Azotobacter jsou odolnější vůči působení nepříznivých faktorů prostředí než vegetativní buňky - například cysty jsou dvakrát odolnější vůči ultrafialovému záření než vegetativní buňky, odolné vůči vysychání, gama záření , slunečnímu záření a ultrazvuku , ale nejsou odolné vůči vysokým teplotám. [jedenáct]
Vznik cyst je vyvolán změnou koncentrace živin v živném médiu a přidáním některých organických látek (např. ethanolu , n- butanolu a β-hydroxybutyrátu). Cysty se zřídka tvoří v tekutých živných půdách [12] . Encystace může být vyvolána chemickými faktory a je doprovázena metabolickými posuny, změnami katabolismu a dýchání a změnami v biosyntéze makromolekul [13] . Aldehyddehydrogenáza [14] , stejně jako regulátor odezvy AlgR [15] , má určitý význam při indukci encystace .
Cysta Azotobacter je kulovité tělísko sestávající z tzv. centrálního tělíska (redukovaná kopie vegetativní buňky s velkým počtem vakuol ) a dvouvrstvé membrány , jejíž vnitřní část se nazývá intima a má vláknitou strukturu. [16] a vnější část se nazývá exina a je reprezentována hladkou, reflexní strukturou, mající hexagonální krystalovou strukturu [17] . Exin je částečně hydrolyzován trypsinem a na rozdíl od centrálního tělesa je odolný vůči působení lysozymu [18] . Centrální tělo může být izolováno v životaschopném stavu pomocí některých chelatačních činidel [19] . Hlavními složkami vnějšího pláště cysty jsou alkylresorcinoly, skládající se z dlouhých alifatických řetězců a aromatických kruhů. Alkylresorcinoly se nacházejí také v jiných bakteriích, zvířatech a rostlinách [20] .
Klíčení cystCysta zástupců rodu Azotobacter je klidová forma vegetativní buňky, nezbytná pro působení nepříznivých faktorů prostředí a neslouží k reprodukci . Po obnovení optimálních podmínek, jako je optimální hodnota pH, teplota a přísun dostupného zdroje uhlíku , cysty vyklíčí, vzniklá vegetativní buňka se opět rozmnoží prostým buněčným dělením . Když cysty vyklíčí, dojde k poškození exinové cysty a uvolnění velké vegetativní buňky.
Mikroskopicky je prvním projevem klíčení spor postupné snižování lomu světla cystami na mikroskopii s fázovým kontrastem . Klíčení cyst je pomalý proces a trvá asi 4-6 hodin, během kterých se centrální tělísko zvětší a zachytí volutinové granule , které byly předtím v intimě. Exina následně praskne a z exiny se uvolní vegetativní buňka, která má charakteristický tvar podkovy [21] . Když cysta klíčí, jsou zaznamenány metabolické změny. Ihned po přidání zdroje uhlíku do média začnou cysty absorbovat kyslík a uvolňovat oxid uhličitý , rychlost dýchání se zvýší na maximální hodnoty 4 hodiny po přidání glukózy . Syntéza proteinů a RNA také začíná po přidání zdroje uhlíku do média, avšak zintenzivnění syntézy makromolekul je zaznamenáno až 5 hodin po přidání zdroje uhlíku. Syntéza DNA a fixace dusíku jsou zahájeny 5 hodin po přidání glukózy do živného média bez dusíku [22] .
Při klíčení cyst dochází ke změnám intimy, patrným na preparátech elektronového mikroskopu. Intima se skládá ze sacharidů , lipidů a bílkovin a zaujímá v buňce téměř stejný objem jako centrální tělo. Při klíčení cyst je intima hydrolyzována a využita buňkou k syntéze buněčných složek [23] .
Přijímají energii během redoxních reakcí, využívají organické sloučeniny jako donor elektronů. K růstu potřebují kyslík, ale jsou schopny růst při snížených koncentracích kyslíku , tvoří katalázu a oxidázu . Schopný používat různé sacharidy , alkoholy a soli organických kyselin jako zdroje uhlíku . Fixátory dusíku jsou schopny fixovat minimálně 10 mikrogramů dusíku na gram spotřebované glukózy , fixace dusíku závisí na přítomnosti molybdenových iontů , nepřítomnost molybdenu lze částečně nahradit ionty vanadu . Dusičnany , amonné ionty a aminokyseliny mohou být použity jako zdroje dusíku . Optimální pH pro růst a fixaci dusíku je 7,0-7,5, schopný růst v rozmezí pH od 4,8 do 8,5. [24] Je také možný vodíkově závislý mixotrofní růst zástupců rodu Azotobacter na bezdusíkové živné půdě obsahující manózu . Vodík je dostupný v půdě, proto není vyloučena možnost mixotrofie u zástupců rodu Azotobacter v přirozených podmínkách . [25]
Zástupci rodu Azotobacter jsou schopni využívat jako zdroj uhlíku a energie sacharidy (například mannitol , sacharózu , glukózu ), alkoholy (včetně ethanolu a butanolu) a soli organických kyselin, včetně benzoátů . Zástupci rodu rostou na bezdusíkových médiích určených k izolaci volně žijících dusík fixujících a oligonitrofilních organismů, např. na Ashbyho médiu obsahujícím zdroj uhlíku (mannitol, sacharóza nebo glukóza) a potřebné stopové prvky (zdroj fosforu , síra , atd.), nebo na M médiu V. Fedorov , obsahující více mikroprvků [26] , stejně jako na Beyerinkově tekutém médiu .
Na hustých živných půdách tvoří zástupci rodu ploché slizké kolonie pastovité konzistence o průměru 5–10 mm, v tekutých živných půdách tvoří filmy. Charakteristická je také pigmentace , kolonie zástupců rodu mohou být zbarveny do tmavě hnědé, zelené a jiné barvy nebo mohou být bezbarvé, podle druhu. Zástupci rodu Azotobacter jsou mezofilní mikroorganismy a rostou při teplotě 20-30 °C. [27]
Zástupci rodu Azotobacter produkují pigmenty. Například typový druh rodu Azotobacter chroococcum produkuje tmavě hnědý ve vodě rozpustný pigment (tato schopnost se odráží ve specifickém epitetu) melanin . Produkce melaninu u Azotobacter chroococcum je pozorována při vysokých úrovních dýchání během fixace dusíku a pravděpodobně také chrání systém dusíkatých látek před útokem kyslíku během aeroadaptace [28] Jiné druhy Azotobacter také produkují žlutozelené až fialové pigmenty. [29] Členové rodu jsou také schopni produkovat nazelenalý fluorescenční pigment, který fluoreskuje žlutozeleným světlem, a pigment fluoreskující modrobílým světlem. [třicet]
Stanovení nukleotidové sekvence chromozomu Azotobacter vinelandii kmene AvOP bylo částečně dokončeno. Chromozom Azotobacter vinelandii je kruhová molekula DNA o velikosti 5 342 073 párů bází a obsahuje 5043 genů , z nichž 4988 kóduje proteiny , podíl párů G+C je 65 %. [31] Byla zaznamenána změna ploidie zástupců rodu Azotobacter v průběhu životního cyklu: se stárnutím kultur se zvyšuje počet chromozomů v buňkách a obsah DNA - ve stacionární fázi růstu mohou kultury obsahovat více než 100 kopií chromozomu na buňku. Při přenesení do čerstvého živného média se obnoví původní obsah DNA (jedna kopie) [32] Kromě chromozomální DNA byly nalezeny plazmidy u zástupců rodu Azotobacter [33] , a možnost transformace zástupců rodu Azotobacter. byl prokázán i rod Azotobacter s exogenní plasmidovou DNA [34] .
Zástupci rodu Azotobacter jsou všudypřítomní v neutrálních a mírně alkalických půdách a nejsou izolováni z kyselých půd. [35] Byly také nalezeny v extrémních půdních podmínkách severních a jižních polárních oblastí , navzdory krátkým místním růstovým obdobím a relativně nízkým hodnotám pH, v arktické oblasti v jílu a hlíně (včetně rašelinných a písčitých hlíny), v Antarktida — v pobřežní půdě [36] V suchých půdách mohou zástupci tohoto rodu přežívat jako cysty až 24 let. [37]
Také zástupci rodu Azotobacter byli izolováni z vodních biotopů, včetně sladkovodních nádrží [38] , brakických slatin [39] . Někteří zástupci rodu Azotobacter jsou spojeni s rostlinami a nacházejí se v rhizosféře , vstupují do určitých vztahů s rostlinou [40] - zástupci rodu byli izolováni z rhizosféry mangrovových stromů spolu s dalšími bakteriemi fixujícími dusík a denitrifikačními bakteriemi [41 ] .
Některé kmeny se nacházejí také v zámotcích žížaly Eisenia fetida . [42]
Zástupci rodu Azotobacter jsou volně žijící fixátoři dusíku, to znamená, že na rozdíl od zástupců rodu Rhizobium fixují molekulární dusík z atmosféry, aniž by vstoupili do symbiotického vztahu s rostlinami, ačkoli se někteří zástupci rodu spojují s hostitelskou rostlinou. [43] Fixace dusíku je inhibována přítomností dostupných zdrojů dusíku, např. amonných iontů , dusičnanů . [44]
Zástupci rodu Azotobacter disponují kompletním komplexem enzymů nezbytných pro realizaci fixace dusíku: ferredoxiny , hydrogenázy a nejvýznamnější enzym - dusíkatou . Proces fixace dusíku je energeticky závislý a vyžaduje příliv energie ve formě ATP . Proces fixace dusíku je extrémně citlivý na přítomnost kyslíku , proto zástupci rodu Azotobacter vyvinuli speciální mechanismus ochrany před působením kyslíku - tzv. respirační ochranu, prováděnou výrazným zintenzivněním dýchání, což snižuje koncentraci kyslíku v buňkách. [45] Existuje také speciální protein Shethna , který chrání dusíkatost a podílí se na prevenci buněčné smrti způsobené kyslíkem: mutanti, kteří tento protein neprodukují, umírají v přítomnosti kyslíku během fixace dusíku v nepřítomnosti zdroje dusíku v prostředí. [46] Azotobacter hrají homocitrátové ionty. [47]
Komplex dusíkatých látek je nejdůležitějším enzymem , který se podílí na fixaci dusíku. Zástupci rodu Azotobacter mají několik typů dusíkatých látek — Mo [51][50][49]obsahující, na molybdenových iontech nezávisléVanada alternativních dusíkatých látek:48][dusíkatých-Fe- 5 ° C , méně aktivní než konvenční dusíkatá [53] [54] . Důležitou roli při tvorbě aktivní dusíkaté látky hraje zrání P - klastru Mo-Fe-nitrogenázy [55] a také prekurzoru Mo-Fe kofaktoru dusíkaté látky [56] , chaperonu GroEL , hraje důležitou roli při konečném přeskupení dusíkaté látky [57] . Regulaci aktivity dusíkaté látky lze provádět tvorbou sraženiny argininu [58] Syntéza dusíkaté látky probíhá pod kontrolou tzv. nif geny. [59] Fixace dusíku je regulována operonem nifLA , produkt NifA reguluje transkripci genů nif, NifL má antagonistický účinek na působení NifA v reakci na absorbovaný dusík a v závislosti na úrovni dodávky kyslíku do buňky exprese operonu nifLA je regulována pozitivním regulačním mechanismem . [60] NifL je flavoprotein , který moduluje transkripční aktivaci genů fixujících dusík prostřednictvím redox - dependentního přepínače. [61] Dvousložkový regulační systém sestávající ze dvou proteinů ( zesilovače NifA a senzoru NifL), které spolu tvoří komplexy, je atypickým a u jiných organismů neobvyklým systémem regulace genové exprese . [62]
Fixace dusíku hraje důležitou roli v koloběhu dusíku v přírodě. Fixace dusíku je nejdůležitějším zdrojem dusíku a zástupci rodu Azotobacter hrají zásadní roli v koloběhu dusíku v půdě fixací molekulárního dusíku. Zástupci rodu také syntetizují některé biologicky aktivní látky, včetně některých fytohormonů , jako jsou auxiny [63] , čímž stimulují růst a vývoj rostlin [64] , jsou biologickým stimulátorem růstu rostlin a syntetizují faktory nezbytné pro růst rostlin [65] ] . Exopolysacharidy zástupců rodu přispívají k mobilizaci těžkých kovů v půdě, přispívají k samočištění půd kontaminovaných těžkými kovy, jako je kadmium , rtuť a olovo . [66] Někteří zástupci rodu Azotobacter jsou také schopni biodegradovat určité aromatické sloučeniny obsahující chlor , jako je 2,4,6-trichlorfenol ( 2,4,6-Trichlorofenol ) – dříve používaný insekticid , fungicid a herbicid , který má mutagenní a karcinogenní účinek a je xenobiotický a znečišťující . [67]
Zástupci rodu Azotobacter se díky své schopnosti vázat molekulární dusík, a tím zvyšovat úrodnost půdy a stimulovat růst rostlin, využívají v zemědělství [68] k získávání dusíkatých biohnojiv včetně Azotobacterinu [69] , zástupci rodu jsou také výrobci polysacharid - kyselina alginová ( E400) [70] [71] [72] používaný v lékařství (jako antacidum ), v potravinářském průmyslu (jako potravinářská přísada do zmrzliny, pudinků a krémů) a při biosorpci kovů [73] a poly(3-hydroxybutyrát) ( polyhydroxybutyrát ) [74] . Azotobacter beijerinckii je producentem restrikčního enzymu Abe I, který rozpoznává asymetrickou heptanukleotidovou sekvenci CCTCAGC. [75]
Rod Azotobacter byl popsán v roce 1901 Martinem Beijerinckem, holandským mikrobiologem a botanikem, jedním ze zakladatelů ekologické mikrobiologie, na základě jím prvního izolovaného a popsaného Azotobacter chroococcum , prvního aerobního volně žijícího ustalovače dusíku. [76]
V roce 1903 Lipman ( Lipman ) popsal Azotobacter vinelandii Lipman, 1903 , a o rok později Azotobacter beijerinckii Lipman, 1904 , pojmenované po samotném Martinu Beijerinckovi. V roce 1949 ruský mikrobiolog Nikolaj Alexandrovič Krasilnikov popsal druh Azotobacter nigricans Krasil'nikov, 1949 , v roce 1981 rozdělený Thompsonem a Skyrmanem na dva poddruhy : Azotobacter nigricans subsp. nigricans Krasil'nikov, 1949 a Azotobacter nigricans subsp. achromogenes Thompson a Skerman, 1981 , ve stejném roce Thompson a Skerman popsali druh Azotobacter armeniacus Thompson a Skerman, 1981 . V roce 1991 Page a Shivprasad 1991 popsali mikroaerofilní aerotolerantní druh závislý na sodíkových iontech Azotobacter salinestris Page a Shivprasad 1991 . [77]
Dříve zástupci rodu patřili do čeledi Azotobacteraceae Pribram, 1933 , ale poté byli převedeni do čeledi Pseudomonadaceae na základě studia nukleotidových sekvencí 16S rRNA . V roce 2004 byla provedena fylogenetická studie, která zjistila, že Azotobacter vinelandii je ve stejném kladu jako bakterie Pseudomonas aeruginosa . [78] V roce 2007 bylo navrženo, že rody Azotobacter , Azomonas a Pseudomonas jsou příbuzné a že mohou být synonyma . [79]
Taxonomické schémakrálovství bakterií | ||||||||||||||||||||||
kmen Proteobakterie | více než dvacet typů, včetně Actinomycetes , Firmicutes , Cyanobacteria , Aquificae , Dictyoglomi | |||||||||||||||||||||
třídy gama proteobakterie | třídy Alpha Proteobacteria (rod Rickettsia atd.), Beta Proteobacteria (rod Neisseria atd.), Delta Proteobacteria (rod Bdellovibrio , Desulfovibrio atd.), Epsilon Proteobacteria | |||||||||||||||||||||
řádu Pseudomonadales | asi patnáct dalších řádů, včetně Enterobacteriales (rod Yersinia , Salmonella , Erwinia atd.), Oceanospirillales (rod Alcanivorax atd.), Pasteurellales ( Hemophilus influenzae atd.) | |||||||||||||||||||||
čeleď Pseudomonadaceae | čeleď Moraxellaceae | |||||||||||||||||||||
rod Azotobacter | dalších asi patnáct | |||||||||||||||||||||
šest druhů | ||||||||||||||||||||||
Rod Azotobacter dříve zahrnoval také druhy Azotobacter agilis (převeden v roce 1938 Vinogradskym do rodu Azomonas ), Azotobacter macrocytogenes (převeden do rodu Azomonotrichon v roce 1981 a do rodu Azomonas v roce 1982 ) a Azorferred do thepalitoba genh . 1981 ).
Slovníky a encyklopedie | |
---|---|
Taxonomie | |
V bibliografických katalozích |