Azotobacter

Azotobacter cells.jpg
Azotobacter
Azotobacter -arter, färgade med Heidenhains järnhematoxylin, ×1000
Vetenskaplig klassificering
Domän: Bakterie
Provins: Pseudomonadota
Klass: Gammaproteobakterier
Beställa: Pseudomonadales
Familj: Pseudomonadaceae
Släkte:
Azotobacter Beijerinck 1901
Art








Azotobacter agilis Azotobacter armeniacus Azotobacter beijerinckii Azotobacter chroococcum Azotobacter nigricans Azotobacter salinestris Azotobacter tropicalis Azotobacter vinelandii

Azotobacter är ett släkte av vanligtvis rörliga , ovala eller sfäriska bakterier som bildar tjockväggiga cystor (och har även hård skorpa) och kan producera stora mängder kapselslem . De är aeroba, frilevande jordmikrober som spelar en viktig roll i kvävets kretslopp i naturen, binder atmosfäriskt kväve , som är otillgängligt för växter, och släpper ut det i form av ammoniumjoner i jorden ( kvävefixering ). Förutom att vara en modellorganism för att studera diazotrofer , används den av människor för produktion av biogödselmedel , livsmedelstillsatser och vissa biopolymerer . Den första representanten för släktet, Azotobacter chroococcum , upptäcktes och beskrevs 1901 av den holländska mikrobiologen och botanikern Martinus Beijerinck . Azotobacter -arter är gramnegativa bakterier som finns i neutrala och alkaliska jordar, i vatten och i samband med vissa växter.

Biologiska egenskaper

Morfologi

Celler av släktet Azotobacter är relativt stora för bakterier (2–4 μm i diameter). De är vanligtvis ovala, men kan ta olika former från stavar till sfärer . I mikroskopiska preparat kan cellerna vara dispergerade eller bilda oregelbundna kluster eller ibland kedjor av varierande längd. I färska kulturer är cellerna rörliga på grund av de många flagellerna . Senare förlorar cellerna sin rörlighet, blir nästan sfäriska och producerar ett tjockt lager av slem som bildar cellkapseln . Cellens form påverkas av aminosyran glycin , som finns i näringsmediet pepton .

Under förstoring visar cellerna inneslutningar, av vilka några är färgade. I början av 1900-talet betraktades de färgade inneslutningarna som "reproduktiva korn", eller gonidier - ett slags embryoceller . Emellertid bestämdes granulerna senare för att inte delta i celldelningen . De färgade kornen är sammansatta av volutin , medan de färglösa inneslutningarna är droppar av fett, som fungerar som energireserver.

Cystor

Cystor av släktet Azotobacter är mer motståndskraftiga mot negativa miljöfaktorer än de vegetativa cellerna ; i synnerhet är de dubbelt så resistenta mot ultraviolett ljus. De är också resistenta mot torkning, ultraljud och gamma- och solstrålning , men inte mot uppvärmning.

Bildandet av cystor induceras av förändringar i koncentrationen av näringsämnen i mediet och tillsats av vissa organiska ämnen som etanol , n- butanol eller β-hydroxibutyrat . Cystor bildas sällan i flytande media. Bildandet av cystor induceras av kemiska faktorer och åtföljs av metaboliska förändringar, förändringar i katabolism , andning och biosyntes av makromolekyler ; den påverkas också av aldehyddehydrogenas och svarsregulatorn AlgR.

Cystorna av Azotobacter är sfäriska och består av den så kallade "centralkroppen" - en reducerad kopia av vegetativa celler med flera vakuoler - och "tvålagerskalet". Den inre delen av skalet kallas intine och har en fibrös struktur. Den yttre delen har en hexagonal kristallstruktur och kallas exin. Exin hydrolyseras delvis av trypsin och är resistent mot lysozym , i motsats till den centrala kroppen. Den centrala kroppen kan isoleras i ett livskraftigt tillstånd av vissa kelatbildare . Huvudbeståndsdelarna i det yttre skalet är alkylresorcinoler som består av långa alifatiska kedjor och aromatiska ringar. Alkylresorcinoler finns också i andra bakterier, djur och växter.

Groning av cystor

En cysta av släktet Azotobacter är den vilande formen av en vegetativ cell; Men medan vanliga vegetativa celler är reproduktiva, tjänar cystan av Azotobacter inte detta syfte och är nödvändig för att överleva negativa miljöfaktorer. Efter återupptagandet av optimala miljöförhållanden, som inkluderar ett visst värde på pH , temperatur och kolkälla , gror cystorna och de nybildade vegetativa cellerna förökar sig genom en enkel delning . Under groningen uppstår cystorna skador och frigör en stor vegetativ cell. Mikroskopiskt är den första manifestationen av sporgroning den gradvisa minskningen av ljusbrytning av cystor, vilket detekteras med faskontrastmikroskopi . Groning av cystor tar cirka 4–6 timmar. Under groningen växer den centrala kroppen och fångar upp granulerna av volutin, som fanns i intima ( det innersta lagret). Sedan spricker exinen och den vegetativa cellen befrias från exinen, som har en karakteristisk hästskoform. Denna process åtföljs av metaboliska förändringar. Omedelbart efter att ha försetts med en kolkälla börjar cystorna absorbera syre och avger koldioxid ; hastigheten för denna process ökar gradvis och mättas efter fyra timmar. Syntesen av proteiner och RNA sker parallellt, men den intensifieras först efter fem timmar efter tillsatsen av kolkällan. Syntesen av DNA och kvävefixering initieras 5 timmar efter tillsatsen av glukos till ett kvävefritt näringsmedium.

Groning av cystor åtföljs av förändringar i intima, synliga med ett elektronmikroskop. Intiman består av kolhydrater , lipider och proteiner och har nästan samma volym som centralkroppen. Under groning av cystor hydrolyserar intima och används av cellen för syntesen av dess komponenter.

Fysiologiska egenskaper

Azotobacter andas aerobt , tar emot energi från redoxreaktioner , använder organiska föreningar som elektrondonatorer , och kan använda en mängd olika kolhydrater, alkoholer och salter av organiska syror som kolkällor.

Azotobacter kan fixera minst 10 μg kväve per gram förbrukat glukos. Kvävefixering kräver molybdenjoner , men de kan delvis eller helt ersättas av vanadinjoner . Om atmosfäriskt kväve inte är fixerat kan kvävekällan alternativt vara nitrater , ammoniumjoner eller aminosyror . Det optimala pH-värdet för tillväxt och kvävefixering är 7,0–7,5, men tillväxten bibehålls i pH-intervallet från 4,8 till 8,5. Azotobacter kan också växa mixotrofiskt , i ett molekylärt kvävefritt medium som innehåller mannos ; detta tillväxtsätt är väteberoende. Väte finns tillgängligt i jorden, så detta tillväxtsätt kan förekomma i naturen.

Under tillväxten producerar Azotobacter platta, slemmiga, pastaliknande kolonier med en diameter på 5–10 mm, som kan bilda filmer i flytande näringsmedia. Kolonierna kan vara mörkbruna, gröna eller andra färger, eller kan vara färglösa, beroende på art. Tillväxten gynnas vid en temperatur på 20–30°C.

Bakterier av släktet Azotobacter är också kända för att bilda intracellulära inneslutningar av polyhydroxialkanoater under vissa miljöförhållanden (t.ex. brist på element som fosfor, kväve eller syre i kombination med en överdriven tillgång på kolkällor).

Pigment

Azotobacter producerar pigment . Till exempel Azotobacter chroococcum ett mörkbrunt vattenlösligt pigment melanin . Denna process sker vid höga nivåer av metabolism under fixeringen av kväve, och tros skydda nitrogenassystemet från syre. Andra Azotobacter -arter producerar pigment från gulgröna till lila färger, inklusive ett grönt pigment som fluorescerar med ett gulgrönt ljus och ett pigment med blåvit fluorescens.

Genom

Nukleotidsekvensen för kromosomerna av Azotobacter vinelandii , stam AvOP, bestäms delvis. Denna kromosom är en cirkulär DNA-molekyl som innehåller 5 342 073 nukleotidpar och 5 043 gener, varav 4 988 kodar för proteiner. Fraktionen av guanin + cytosinpar är 65 molprocent . Antalet kromosomer i cellerna och DNA-innehållet ökar vid åldrande, och i den stationära tillväxtfasen kan kulturer innehålla mer än 100 kopior av en kromosom per cell. Det ursprungliga DNA-innehållet (en kopia) återställs när kulturen återplanteras i ett färskt medium. Förutom kromosomalt DNA Azotobacter innehålla plasmider .

Distribution

Azotobacter- arter är allestädes närvarande i neutrala och svagt basiska jordar , men inte sura jordar. De finns också i de arktiska och antarktiska jordarna, trots det kalla klimatet, korta växtsäsongen och relativt låga pH-värden i dessa jordar. I torra jordar Azotobacter överleva i form av cystor i upp till 24 år.

Representanter för släktet Azotobacter finns också i vattenlevande livsmiljöer, inklusive sötvatten och bräckta kärr. Flera medlemmar är associerade med växter och finns i rhizosfären och har vissa relationer med växterna. Vissa stammar finns också i kokongerna av daggmasken Eisenia fetida .

Kvävefixering

Huvudartikel: Kvävefixering

Azotobacter -arter är frilevande, kvävefixerande bakterier; till skillnad från Rhizobium -arter fixerar de normalt molekylärt kväve från atmosfären utan symbiotiska relationer med växter, även om vissa Azotobacter- arter är förknippade med växter. Kvävefixering hämmas i närvaro av tillgängliga kvävekällor, såsom ammoniumjoner och nitrater.

Azotobacter- arter har ett komplett utbud av enzymer som behövs för att utföra kvävefixeringen: ferredoxin , hydrogenas och ett viktigt enzym nitrogenas . Processen med kvävefixering kräver ett inflöde av energi i form av adenosintrifosfat . Kvävefixering är mycket känslig för närvaron av syre, så Azotobacter utvecklade en speciell försvarsmekanism mot syre, nämligen en betydande intensifiering av ämnesomsättningen som minskar koncentrationen av syre i cellerna. Dessutom skyddar ett speciellt nitrogenasskyddande protein nitrogenas och är involverat i att skydda cellerna från syre. Mutanter som inte producerar detta protein dödas av syre under kvävefixering i frånvaro av en kvävekälla i mediet. Homocitratjoner spelar en viss roll i processerna för kvävefixering av Azotobacter .

Nitrogenas

Huvudartikel: Nitrogenas

Nitrogenas är det viktigaste enzymet som är involverat i kvävefixering. Azotobacter -arter har flera typer av nitrogenas. Den grundläggande är molybden-järnnitrogenas. En alternativ typ innehåller vanadin ; det är oberoende av molybdenjoner och är mer aktivt än Mo-Fe-nitrogenas vid låga temperaturer. Så det kan fixera kväve vid temperaturer så låga som 5 °C, och dess lågtemperaturaktivitet är 10 gånger högre än Mo-Fe-nitrogenas. En viktig roll i mognad av Mo-Fe-nitrogenas spelar det så kallade P-klustret. Syntes av nitrogenas styrs av nif -gener. Kvävefixering regleras av förstärkarproteinet NifA och "sensor" flavoproteinet NifL som modulerar aktiveringen av gentranskription av kvävefixering genom redoxberoende omkoppling. Denna regleringsmekanism, som förlitar sig på att två proteiner bildar komplex med varandra, är ovanlig för andra system.

Betydelse

Kvävefixering spelar en viktig roll i kvävets kretslopp. Azotobacter syntetiserar också vissa biologiskt aktiva substanser, inklusive vissa fytohormoner såsom auxiner , vilket stimulerar växttillväxt. De underlättar också rörligheten för tungmetaller i marken, vilket förbättrar bioremedieringen av jord från tungmetaller, såsom kadmium , kvicksilver och bly . Vissa typer av Azotobacter kan också biologiskt bryta ned klorhaltiga aromatiska föreningar , såsom 2,4,6-triklorfenol , som tidigare användes som insekticid , fungicid och herbicid , men senare visade sig ha mutagena och cancerframkallande effekter.

Ansökningar

På grund av deras förmåga att fixera molekylärt kväve och därmed öka jordens bördighet och stimulera växttillväxt, används Azotobacter -arter i stor utsträckning inom jordbruket, särskilt i kvävebiogödselmedel som azotobakterin. De används också vid produktion av alginsyra , som används inom medicin som antacida , i livsmedelsindustrin som en tillsats till glass, puddingar och krämer.

Taxonomi

Martinus Beijerinck (1851–1931), upptäckare av släktet Azotobacter

Släktet Azotobacter upptäcktes 1901 av den holländska mikrobiologen och botanikern Martinus Beijerinck, som var en av grundarna av miljömikrobiologin . Han valde ut och beskrev arten Azotobacter chroococcum – den första aeroba , frilevande kvävefixeraren.

1909 beskrev Lipman Azotobacter vinelandii och ett år senare Azotobacter beijerinckii Lipman, 1904 , som han namngav för att hedra Beijerinck. År 1949 identifierade den ryske mikrobiologen Nikolai Krasilnikov arten Azotobacter nigricans Krasil'nikov, 1949 som delades 1981 av Thompson Skerman i två underarter – Azotobacter nigricans subsp. nigricans och Azotobacter nigricans subsp. akromogener ; samma år beskrev Thompson och Skerman Azotobacter armeniacus Thompson och Skerman, 1981 . 1991 rapporterade Page och Shivprasad en mikroaerofil och lufttolerant typ Azotobacter salinestris Page och Shivprasad 1991 som var beroende av natriumjoner .

Tidigare tilldelades representanter för släktet familjen Azotobacteraceae Pribram, 1933 , men överfördes sedan till familjen Pseudomonadaceae baserat på studier av nukleotidsekvenserna 16S rRNA . År 2004 avslöjade en fylogenetisk studie att A. vinelandii tillhör samma kladd som bakterien Pseudomonas aeruginosa , och 2007 föreslogs att släktena Azotobacter , Azomonas och Pseudomonas är släkt och kan vara synonymer .

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Azotobacter&oldid=1136843337 "