νιτροποιητικα βακτηρια. οι γνωστοι μας αγνωστοι...(..και οι εταιριες)

[Πάνος]

Κυκλος του αζωτου, νιτροποιηση, αμμωνιες, νιτρωδη και νιτρικα….
Ασχολουμαστε με αυτά και μας πονοκεφαλιάζουν συχνά. Κάποιες βασικές αρχές είναι γνωστές …αλλα ποια είναι αυτά τα γνωστα – αγνωστα βακτηρια?? Πως λειτουργουν?? Υπο ποιες συνθηκες?? Που απαντωνται?? Τι ιδιοτητες εχουν? Από τι επηρρεαζονται?? Επιβιωνουν σε δυσμενεις συνθηκες?? Μπορουν να διατηρηθουν σε σκευασματα εμποριου?? Ερωτησεις που συχνα αναφερονται και οι απαντησεις ενιοτε είναι ξεκαθαρες…αλλα πολλες φορες συγκεχυμενες ή και παρεξηγημενες.
Στο χομπυ μας εχουν σημασια όλα τα παραπανω…γιαυτο και θα προσπαθησω να μεταφερω καποιες εννοιες που συναντησα κατά τη μελετη διδακτορικων διατριβων.

Ταξινομηση – γενικες πληροφοριες.

Υπάρχουν δύο ξεχωριστές ομάδες αυτοτροφων βακτηρίων οι οποίες δρουν συλλογικά για την επίτευξη της νιτροποίησης.
Α) Στην πρωτη ομαδα ανηκουν τα βακτήρια που είναι υπεύθυνα για την οξείδωση της αμμωνίας (ammonium oxidizing bacteria) ή νιτρωδοβακτήρια, τα οποία λαμβάνουν την ενέργεια τους από τον καταβολισμό της μη ιονισμένης αμμωνίας σε νιτρώδη (νιτρωδοποίηση-nitritification), συμφωνα με την αντιδραση:

2ΝΗ3 +3Ο2 --> 2ΝΟ-2 + 2Η2Ο + 2Η+

Τα βακτηρια αυτά ανηκουν στα γενη Nitrosomonas (Έδαφος, Θάλασσα, Διεργασίες Επεξεργασίας Αποβλήτων, Νερό), Nitrosococcus (Νερό, Θάλασσα), Nitrosospira (Έδαφος), Nitrosolobus (Έδαφος), Nitrosovibrio (Έδαφος).
Β) Στη δευτερη ανηκουν τα βακτήρια που οξειδώνουν τα νιτρώδη (νιτρικοβακτήρια) μετατρέποντάς τα σε νιτρικά (νιτρικοποίηση nitratification). Η αντιδραση είναι η παρακατω:

2ΝΟ-2 + Ο2 --> 2ΝΟ-3

Ανηκουν στα γενη Nitrobacter ( Έδαφος, Θάλασσα, Νερό), Nitrospina (Θάλασσα), Nitrococcus (Θάλασσα), Nitrospira (Θάλασσα).
Τα περισσότερα βακτήρια που οξειδώνουν την αμμωνία ανήκουν στη β - υποκατηγορία της οικογένειας των πρωτεοβακτηρίων ή πορφυρών βακτηρίων. Υπάρχουν όμως και κάποιες ομάδες που ανήκουν στα γ – πρωτεοβακτήρια. Β – νιτρωδοποιητές αποτελούν τα βακτηρία Nitrosomonas και Nitrospira, ενώ στο γένος των γ – πρωτεοβακτηρίων ανήκει το βακτήριο Nitrosococcus. Τα μέλη των οικογενειών των 9 βακτηρίων αυτών, που επικρατούν τόσο στις διάφορες μονάδες βιολογικής επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων όσο και στα φυσικά οικοσυστήματα, ποικίλουν.
Για τα βακτήρια που οξειδώνουν τα νιτρώδη πρέπει να αναφερθεί ότι τα Nitrobacter και Nitrococcus ανήκουν στα άλφα – πρωτεοβακτήρια, ενώ για τα Nitrospira δεν έχουν σχετιστεί φυλογενετικά με κάποια άλλα καλλιεργούμενα είδη οπότε αποτελούν μία ξεχωριστή κατηγορία.

Η ενέργεια που παράγεται κατά την οξείδωση των νιτρωδών (76 kJ/mole) είναι σημαντικά λιγότερη από αυτή που παράγεται κατά την οξείδωση της αμμωνίας (287 kJ/mole), και για το λόγο αυτό, ο συντελεστής απόδοσης, δηλαδή η παραγόμενη ποσότητα κυτταρικής μάζας ανά ποσότητα οξειδούμενου αζώτου, για το Nitrobacter, είναι χαμηλότερος από τον αντίστοιχο για τη Nitrosomonas. Έτσι, στις μικροβιακές κοινότητες των νιτροποιητικών βακτηρίων, οι πληθυσμοί των νιτροδωποιητικών είναι γενικά μεγαλύτεροι από τους πληθυσμούς των νιτρικοποιητικών. Επισης ο ρυθμος ανάπτυξης των νιτρικοποιητικών μικροοργανισμών είναι σημαντικά μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο για τους νιτρωδοποιητικούς.

Παραγοντες που επηρρεαζουν τη νιτροποιηση

Η συγκεντρωση του διαλυμενου οξυγονου.
Η επίδραση του διαλυμένου οξυγόνου στην νιτροποίηση έχει απασχολήσει τους ερευνητές από πολύ παλιά. Οι Butt και Lees ανέφεραν ότι χαμηλές συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου προκάλεσαν παρεμπόδιση στο βακτήριο Nitrobacter winogradskyi. Οι Downing και Scragg ανέφεραν ότι απαιτείται συγκέντρωση ΔΟ τουλάχιστον 0.3 mg/L ώστε να πραγματοποιηθεί η νιτροποίηση, ενώ η διεργασία της νιτροποίησης έχει αναφερθεί πως μπορεί να πραγματοποιηθεί ακόμα και σε συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου έως 0.05 mg/L (Abeliovich, 1987). Οι Schobert και Engel διαπίστωσαν ότι οι ρυθμοί νιτροποίησης είναι ανεξάρτητοι για συγκεντρώσεις διαλυμενου οξυγονου (ΔΟ) πάνω από 1 mg/L για τους νιτρωδοποιητικούς μικροοργανισμούς και πάνω από 2 mg/L για τους νιτρικοποιητικούς. Απο την άλλη, οι Nagel και Haworth κατέληξαν στο συμπέρασμα, ότι αυξάνοντας το ΔΟ από 1 mg/L σε 3 mg/L, οι ρυθμοί νιτροποίησης διπλασιάζονταν.
Από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση λοιπον είναι προφανές ότι οι ελάχιστες συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου που απαιτούνται για την νιτροποίηση διαφέρουν σε
κάθε έρευνα και υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορούν να εξηγήσουν το φαινόμενο αυτό εχοντας σχεση με το τελικο ποσο οξυγονου που φτανει στα βακτηρια.

Επιδραση της θερμοκρασιας.
Η θερμοκρασία ασκεί έντονη επίδραση στην νιτροποίηση. Η βέλτιστη θερμοκρασία έχει βρεθεί ότι είναι 30 οC, ενώ δεν παρατηρείται καμιά δραστηριότητα κάτω από 5 οC ή πάνω από 40 οC. Ο ρυθμός ανάπτυξης σχεδόν διπλασιάζεται για κάθε αύξηση θερμοκρασίας 10 βαθμων, αλλά πέρα από τους 30 ξαφνικά μειώνεται και στους 38 είναι σχεδόν ίδιος με τους 5 οC. Οι μικροοργανισμοί είναι αρκετά ανθεκτικοί στις χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά σε υψηλές θερμοκρασίες η ενεργότητά τους μειώνεται λόγω απενεργοποίησης των κυτταρικών πρωτεϊνών.

Επίδραση του pH στην νιτροποίηση
Τα νιτροποιητικά βακτήρια είναι πολύ ευαίσθητα σε διαταραχές της αλκαλικότητας. Για το βακτήριο Nitrosomonas europaea έχει αναφερθεί ότι είναι αδύνατο να ρυθμίσει το ενδοκυτταρικό pH του όταν οι εξωτερικές συνθήκες αλλάζουν. Μία συνήθης τιμή για το pH των νιτροποιητικών μικροοργανισμών είναι το 7.8. Υπάρχουν όμως και πολλές έρευνες όπου ο βαθμός επίδρασης του pH ποικίλει. Οι Wild et al. έδειξαν ότι ο μέγιστος ειδικός ρυθμός σε pH 7.0 ήταν 50% του αντίστοιχου ρυθμού σε pH 8.0, με σχετικά γραμμική σχέση για τις ενδιάμεσες τιμές. Οι Engle και Alexander και οι Downing et al. παρατήρησαν μικρή μεταβολή του ρυθμού νιτροποίησης για τιμές του pH μεταξύ 7.2 και 8.0 και γραμμική μείωση του ρυθμού για τιμές κάτω από 7.2. Ο Hall ανέφερε πλήρη νιτροποίηση για τιμές του pH μεταξύ 7.2 και 9.4 και καθόλου νιτροποίηση για pH 6.3. Οι Hankinson και Schmidt έδειξαν ότι η ανάπτυξη και η ενεργότητα των νιτροποιητικών μικροοργανισμών μειώνεται δραματικά για τιμές του pH κάτω του ουδέτερου. Πιο πρόσφατα οι Antoniou et al. (1990) παρατήρησαν ότι ο ρυθμός νιτροποίησης σε pH 6.9 ήταν 84% του ρυθμού σε pH 7.9 στους 20 οC, ενώ στους 15 ο ρυθμός σε pH 6.8 ήταν 42% του ρυθμού σε pH 7.8 υποδηλώνοντας τη μεγαλύτερη επίδραση του pH στις χαμηλότερες θερμοκρασίες.
Σε μία μελέτη της επίδρασης από απότομες μεταβολές του pH, οι Poduska καιAndrews δεν παρατήρησαν δραστική μεταβολή στο ρυθμό νιτροποίησης σεμείωση του pH από 7.2 σε 6.4. Παρά ταύτα, όταν το pH μειώθηκε από 7.2 σε 5.8 ηνιτροποιητική απόδοση περιορίστηκε σημαντικά. Η επαναφορά του pH στην τιμή 7.2οδήγησε σε ραγδαία βελτίωση της νιτροποιητικής ικανότητας, οπότε προέκυψε τοσυμπέρασμα ότι η επίδραση του pH στην νιτροποίηση είναι απλώς παρεμποδιστική και όχι τοξική.

Προσκόλληση στα τοιχώματα

Οι νιτροποιητικοί μικροοργανισμοί είναι αρκετά γνωστοί για την τάση τους να εκκρίνουν εξωκυτταρικά πολυμερή και να σχηματίζουν γλοιώδη υλικά. Αυτά τα επικαλυπτικά στρώματα από λιποσακχαρίδια επιτρέπουν να προσκολληθούν προσδίδοντας σταθερότητα σε ένα μικροβιακό φίλμ. Αν δεν υπάρχει επαρκής επιφάνεια και το επιτρέπουν οι συνθήκες ροής του υγρού, μπορούν να σχηματιστούν χαλαρά συνδεδεμένα συνονθυλεύματα που ονομάζονται ζούγκλια. Σε φυσικά συστήματα οι νιτροποιητές είναι πάντα συνδεδεμένοι με τα αιωρούμενα σωματίδια και με αυτά που καθιζάνουν. Έχει παρατηρηθεί ότι μεταξύ του 70 και 95 % των αιωρούμενων νιτροποιητών μπορεί να προσκολληθεί σε ένα ακίνητο υλικό μέσα στα 30 λεπτά από τη δημιουργία τους. Περισσότερο αινιγματική είναι η θετική επίδραση που έχει η επιφανειακή προσκόλληση στη φυσιολογία της διεργασίας. Οι Diab και Shilo επίσης έδειξαν ότι τα προσκολλημένα κύτταρα παρουσίασαν αξιοπρόσεκτα μεγαλύτερη ικανότητα επιβίωσης σε σχέση με τα μη προσκολλημένα κάτω από αναερόβιες και αερόβιες συνθήκες.
Αν και ακόμα δεν έχουν προσδιοριστεί οι μηχανισμοί, εντούτοις ένα ξεχωριστό χαρακτηριστικό των νιτροποιητικών βακτηρίων είναι η ικανότητα να χρησιμοποιούν την επιφανειακή προσκόλληση ως μέσο για να αυξήσουν την βιωσιμότητα τους.


{Πηγες: http://nemertes.lis.upatras.gr/dspace/bitstream/123456789/485/1/Nimertis_Kakogianni.pdf
http://nemertes.lis.upatras.gr/dspace/bitstream/123456789/219/1/430.pdf }

ΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΝΙΤΡΟΠΟΙΗΤΙΚΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ

Αφορμη για την παραγραφο αυτή ηταν το θεμα:
http://www.aquatek.gr/vb/showthread....E1%EA%F9%F3%E7
μια πρωτογνωρη για μενα εννοια.

Καταρχην να διευκρινησουμε πως η ενθυλακωση των νιτροποιητικων βακτηριων ουδεμια σχεση εχει με το σχηματισμο ενδοσποριων. Σε αντίξοες συνθήκες, όπως σε ακραίες θερμοκρασίες ή υπό τη δράση ακτινοβολιών, πολλά βακτήρια μετατρέπονται στις ανθεκτικές αυτές μορφές. Τα ενδοσπόρια είναι αφυδατωμένα κύτταρα με ανθεκτικά τοιχώματα και πολύ χαμηλούς μεταβολικούς ρυθμούς. Όταν οι συνθήκες του περιβάλλοντος ξαναγίνουν ευνοϊκές, τα ενδοσπόρια βλαστάνουν δίνοντας το καθένα ένα βακτήριο. Πολλοι ακουγοντας για ενθυλακωση φανταζονται καποια παρομοια ληθαργικη κατασταση.Τα νιτροποιητικα βακτηρια όμως δεν ανηκουν στην κατηγορια αυτή.

Η νιτροποιηση μπορει να προσαυξηθει ευνοωντας τα συγκεκριμενα βακτηρια οξειδωσης της αμμωνιας και των νιτρωδων. Για τον σκοπο αυτό τα βακτηρια αυτά μπορουν να ενθυλακωθουν - παγιδευθουν με τη χρηση οξικης κυτταρινης, πολυακρυλαμιδιου, πολυβινυλοαλκοόλης (PVA) σε καποιο υποστρωμα το οποιο όμως θα πρεπει να πληρεις ορισμενες προυποθεσεις:

· Να συγκρατει αποτελεσματικα τα βακτηρια αλλα και να επιτρεπει την προσβαση σε οξυγονο και αλλα συστατικα που απαιτουνται για το μεταβολισμο τους.
· Να είναι σταθερο, να προστατευει από μηχανικες δυναμεις αλλα παραλληλα να μη βλαπτει ανεπανορθωτα τα βακτηρια.
· Να είναι αρκετα ευελικτο ώστε να επιτρεπει το σχηματισμο αποικιων μιας και η νιτορποιηση βασιζεται σε βακτηρια που πληθαινουν.
· Να εχει σχημα και μεγεθος τετοιο ώστε να αποφευγονται επιπτωσεις από περιορισμενη διαχυση.

Μια υδρογελη με βαση την πολυβινυλικη αλκοολη (PVA) πληρει ολες τις παραπανω προυποθεσεις. (υπαρχουν διαφορες μεθοδοι παρασκευης της και η παραγωγη LentiKats είναι μια που εξασφαλιζει καλα ποσοστα επιβιωσης των ευαισθητων βακτηριων http://www.lentikats.eu/en/faq/faq-cisteni ).
Η ενθυλακωση λοιπων των νιτροποιητικων βακτηριων είναι δυνατη και λαμβανει χωρα (π.χ. βιολογικος καθαρισμος) με αρκετα πλεονεκτηματα όπως η μικροτερης διαρκειας κατακρατηση του νερου (λογω αυξημενης συγκεντρωσης βακτηριων) και η μικροτερη αναγκη για βιολογικο οξυγονο (αφου είναι επιλλεκτικη νιτροποιητικη διαδικασια παρακαμπτοντας τα ανεπιθυμητα σε αυτό το σταδιο ετεροτροφα βακτηρια).
(http://literatur.vti.bund.de/digbib_extern/zi029521.pdf )

Παρα τα οφελη της όμως εξακολουθει να είναι αρρηκτα συνδεδεμενη με την παροχη οξυγονου και των λοιπων φυσικα συστατικων που χρειαζονται τα βακτηρια για το μεταβολισμο τους. Ετσι καμια σχεση δεν εχει με τη «διατηρηση» νιτροποιητικων βακτηριων σε μπουκαλακια, αμπουλες και άλλες τετοιες αναεροβιες καταστασεις.
Τα σκευασματα αυτά μπορουν να περιεχουν ετεροτροφα (όχι πρωταρχικα νιτροποιητικα) βακτηρια που η δυναμικη τους όμως μπορει να είναι 1000δες φορες μικροτερη των αυτοτροφων με ο,τι αυτό συνεπαγεται.
Σκευασματα (διαφορετικα για γλυκο και θαλασσινο) που διατηρουνται σε ψυγειο και θερμοκρασιες από 1-10 οC με ημερομηνια ληξης ένα τριμηνο περιπου αργοτερα, μπορουν να υποσχονται καποια πραγματα καθως διατηρουν αυτοτροφα βακτηρια σε πολύ χαμηλη μεταβολικη κατασταση για συντομο χρονικο διαστημα.