Məlumat

Bakteriyaların azot fiksasiya edib-etmədiyini necə müəyyən etmək olar?

Bakteriyaların azot fiksasiya edib-etmədiyini necə müəyyən etmək olar?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Əgər sizdə təcrid olunmuş bakteriya nümunəsi olsaydı, onların azot fiksasiya etdiyini necə müəyyən edərdiniz?


Heç vaxt cavabı özüm tapdım, asetilenin azaldılması analizindən istifadə edə bilərsiniz.


Təcrübələrdən əvvəl bakterial genomların bioinformatik axtarışını etməyi təklif edərdim. Orada "nif" (azot fiksasiyası) genlərinin homoloqlarını tapa bilməlisiniz.


Biz hələ oradayıq? Azot fiksasiya edən bakteriyalar və paxlalı olmayan bitkilər arasında səmərəli simbiotik assosiasiyaların inkişafına doğru uzun addım

Azot həyatın vacib elementidir və azotun mövcudluğu çox vaxt məhsul məhsuldarlığını məhdudlaşdırır. Yaşıl İnqilabdan bəri atmosfer azotundan və təbii qazdan böyük miqdarda sintetik azot gübrələri istehsal edilmişdir ki, bu da qlobal qida istehsalının davamlılığını təhdid edir və ətraf mühiti pisləşdirir. Azotun əkinlərə gətirilməsi üçün alternativ vasitələrə ehtiyac var və azotun bioloji fiksasiyasından daha çox faydalanmaq məntiqli seçim kimi görünür. Paxlalı bitkilər rizobiya ilə azot fiksasiya edən simbioz səbəbindən dünyanın əksər əkin sistemlərində istifadə olunur. Bununla belə, dünyanın üç əsas dənli bitkiləri - düyü, buğda və qarğıdalı - rizobiya ilə əlaqəli deyil. Bu araşdırmada biz rizobiyada və onların paxlalı bitki sahiblərində genetik yanaşmaların kök düyünlərinin simbiozlarına nəzarət edən molekulyar mexanizmləri başa düşməkdə böyük irəliləyişlərə necə imkan verdiyini və bu biliklərin qeyri-paxlalı bitkilərdə belə birliklərin qurulmasına necə yol açdığını araşdıracağıq. Biz həmçinin bu sistemlərin sahəyə gətirilməsi ilə bağlı çətinlikləri və onların sintetik bioloqlar, mikrobioloqlar, bitki bioloqları, seleksiyaçılar, aqronomlar və siyasətçilər arasında fənlərarası əməkdaşlıq vasitəsilə necə aradan qaldırıla biləcəyini müzakirə edəcəyik.


  • rizobiya və paxlalı bitkilərin kök tüklərinin hüceyrələrində ifraz olunan “Nod faktoru”.
  • Rhizobia müxtəlif suşları müxtəlif Nod faktorları istehsal və
  • müxtəlif paxlalılar müxtəlif spesifiklikdə reseptorlar əmələ gətirir.

Kombinasiya düzgün olarsa, bakteriyalar kökün epitel hüceyrəsinə daxil olur, sonra korteksə köçür. [Kök strukturu ilə əlaqə.] Onların yolu bir-birinin ardınca korteks hüceyrəsi ilə böyüyən hüceyrədaxili kanalda keçir. Bu infeksiya ipi bakteriya deyil, kök hüceyrələri tərəfindən qurulur və yalnız infeksiyaya cavab olaraq əmələ gəlir.

İnfeksiya ipi korteksdə dərin bir hüceyrəyə çatdıqda, partlayır və rizobiya endositozla membranla əhatə olunmuş hüceyrəyə daxil olur. simbiosomlar sitoplazma daxilində. Bu zaman hüceyrə mitozun bir neçə raundundan keçir və sitokinezsiz &mdash keçir, beləliklə hüceyrə poliploid olur.

Sağdakı elektron mikroqrafik (Dr. D. C. Jordan-ın izni ilə) hüceyrədə böyüyən (yuxarı soldan aşağı sağa) rizobiya ilə dolu infeksiya sapını göstərir. İnfeksiya ipinin divarının hüceyrənin divarı ilə necə davamlı olduğuna diqqət yetirin. Qaranlıq ovallar simbiosomlardır.

Bundan sonra korteks hüceyrələri sürətlə bölünməyə başlayır və a düyün. Bu cavab sitokininlərin epidermal hüceyrələrdən korteks hüceyrələrinə köçürülməsi ilə idarə olunur.

Soldakı fotoda (The Nitragin Co. Milwaukee, Viskonsin şirkətinin izni ilə) paxlalı bitkilərdən olan quşayaqlı trefoilin köklərindəki düyünlər göstərilir.

Rizobiya da düyün hüceyrələrində sürətli çoxalma dövründən keçir. Sonra formasını dəyişməyə başlayırlar və hərəkətliliyini itirirlər. The bakterioidlər, indi adlandırdıqları kimi, hüceyrəni demək olar ki, doldura bilər. Yalnız indi azot fiksasiyası başlayır.

Sağdakı elektron mikroqrafiyada (R. R. Hebertin izni ilə) soya nodülünün bakterioidlə dolu hüceyrələri göstərilir. Üfüqi xətt iki bitişik düyün hüceyrəsi arasındakı divarları qeyd edir.

Kök düyünləri sadəcə struktursuz hüceyrə kütlələri deyil. Hər biri ksilem və floem vasitəsilə bitkinin damar sisteminə bağlanır. Aşağıdakı fotoda solda noxud kökündə inkişaf edən yanal kök göstərilir. Sağ tərəfində noxud kökünün bir seqmenti var inkişaf edən nodül Kök rizobiya ilə yoluxduqdan 12 gün sonra. Hər iki struktur bitkinin qida daşıma sisteminə bağlıdır (kökün mərkəzindən keçən qaranlıq sahə). (Fotomikroqraflar mərhum Con G. Torreydəndir.)

Beləliklə, düyünlərin inkişafı, rizobiyadan asılı olsa da, bitkinin yaxşı əlaqələndirilmiş inkişaf prosesidir.

Baxmayaraq ki, bəzi torpaq bakteriyaları (məsələn, Azotobakter) azotu öz-özünə düzəldə bilər, rizobiya isə bunu edə bilməz. Aydındır ki, rizobiya və paxlalı bitkilər bir-birindən asılıdır.

Paxlalı bitkilərin sahiblərinə faydası aydındır. Rizobiya onu torpaq azotundan müstəqil edir.

Bəs paxlalı bitki nə üçün lazımdır? Paxlalı bitkilər, şübhəsiz ki, azotu (N) çevirmək üçün lazım olan böyük miqdarda ATP sintez edən bakterioidləri qidalandırdığı üçün faydalıdır.2) ammonyak (NH3)

Bundan əlavə, paxlalı bitkinin sahibi bir kritik komponenti təmin edir nitrogenaza &mdash azotu fiksasiya etmək üçün əsas ferment.

Bakteroidlər ATP (hüceyrə tənəffüsü ilə) yaratmaq üçün oksigenə ehtiyac duyurlar. Bununla belə, nitrogenaz oksigen tərəfindən güclü şəkildə inhibə edilir. Beləliklə, bakterioidlər çox və çox az oksigen arasında incə bir xətt keçməlidirlər. Onların işi ev sahibinin başqa bir töhfəsi ilə asanlaşdırılır: hemoglobin.

Nodüllər hemoglobinlə doldurulur. O qədər çoxdur ki, əslində təzə kəsilmiş düyün qırmızıdır. Paxlalıların hemoglobini (leqhemoqlobin adlanır), onurğalıların hemoglobini kimi, yəqin ki, bakterioidlərin ziddiyyətli ehtiyaclarını ödəmək üçün onlara lazımi miqdarda oksigen verir.

Metal molibden kritik tərkib hissəsidir nitrogenaza və buna görə də azot fiksasiyası üçün tamamilə vacibdir. Ancaq tələb olunan məbləğlər olduqca kiçikdir. Avstraliyada bir akr (0,4 hektar) əkin sahəsinə yayılan bir unsiya (28,3 q) molibden on ildən artıq müddətdə məhsuldarlığı bərpa etmək üçün kifayət etdi.

Sağdakı fotoşəkil göstərir ki, paxlalı yonca yalnız molibdenin kifayət qədər tədarükü olan yerdə normal böyüyür. Burada göstərilən torpaq (Avstraliyanın şərqində) təbii olaraq molibden çatışmazlığına malikdir. Bütün hasarlanmış sahə yonca üçün səpilsə də, bitki yalnız molibden gübrəsinin (ön planda) əlavə edildiyi yerlərdə çiçəklənə və azot bağlaya bildi. (Foto A. J. Andersonun izni ilədir.)

Paxlalı bitkilərdə Nod faktoru ilə reseptorun qarşılıqlı təsirinin spesifikliyinə görə, rizobiyanın bəzi ştamları yalnız noxudu, bəziləri yalnız yoncanı, bəziləri yalnız yoncanı və s. yoluxdurur. Paxlalı toxumlarının rizobiyanın lazımi ştammı ilə müalicəsi bir şərtdir. müntəzəm kənd təsərrüfatı təcrübəsi. (Yuxarıdakı fotoşəkillərdən birini təqdim edən Nitragin Şirkəti hər paxlalı bitkiyə uyğun rizobial suşların istehsalında ixtisaslaşmışdır.)


Genetik cəhətdən dəyişdirilmiş, azot fiksasiya edən məhsullar çirkləndirici sintetik gübrələri əvəz edə bilərmi?

Kredit: Bitki Elmində Trendlər

Qida, azot haqqında çox adam eşitmişdir, lakin bitkilər üçün nə üçün vacibdir?

Həm yediyimiz taxıllarda (toxumlarda), həm də yarpaqlarda olan zülalların əsas tərkib hissəsidir. Azot aclığı olan yarpaqlar sarıya çevrilə bilər və daha az fotosintez sürətinə malikdir, bu da atmosferdən karbon qazını yeni bitki böyüməsinə çevirir.

Ərzaqları münasib qiymətə saxlamaq və ətraf mühiti qorumaq üçün əkin bitkiləri lazımi miqdarda azot tələb edir, lakin bu, həm fermerlər, həm də elm adamları üçün problemdir. Əkinlərdə azot gübrəsinin çox olması çayları və quyu suyunu çirkləndirir və onun dəyəri yeməyi bahalaşdırır. Çox az azotla məhsuldarlıq azalır və tələb və təklif arasındakı balanssızlıq qidanı bahalaşdırır. Taxılın daha yüksək qiymətləri də kənd təsərrüfatı üçün tropik meşələrin təmizlənməsini daha sərfəli edə bilər.

Bioloji azot fiksasiyası bu problemlərin potensial həllidir. Paxlalı bitkilər, yerfıstığı, soya və yonca kimi paxlalı bitkilər azotun çox hissəsini havadan azot qazını götürən və ammonyak kimi bitkilərin istifadə edə biləcəyi formalara çevirən rizobiya kimi tanınan simbiotik bakteriyalardan alır. Rizobiyaların ehtiyac duyduğu karbon birləşmələri onların bitki sahiblərindən gəlir. Əks halda bu resurslar daha çox toxum hazırlamaq üçün istifadə edilə bilərdi, buna görə də paxlalılar ehtiyac duyduqlarından daha çox azot fiksasiyasını dəstəkləmək üçün mürəkkəb mexanizmlər inkişaf etdirdilər. Torpaqda ammonyak və ya nitrat kimi daha ucuz azot mənbələri mövcud olduqda, paxlalılar bakteriyaları saxlayan kök düyünlərini daha az təşkil edir və hətta mövcud düyünləri bağlaya bilər.

Bioloji azot fiksasiyası: Ekoloji faydalar və aşağı qiymət?

Qeyri-paxlalı bitkilər də oxşar ekoloji faydaları olan azot fiksasiyasından istifadə edə bilərmi? Əgər belədirsə, fermerlər resursların toxumçuluqdan azot fiksasiyasına yönəldilməsi ilə məhsuldarlığın azalmasını tarazlaşdırmaq üçün gübrə xərclərinə kifayət qədər pul qənaət edə bilərmi? Yoxsa daha etibarlı azot tədarükü, enerji xərclərinə baxmayaraq, həqiqətən məhsuldarlığı artıra bilərmi?

Qarğıdalı, buğda və düyü kök düyünləri əmələ gətirmir, lakin onların köklərində və ya yaxınlığında yaşayan bəzi bakteriyalar az miqdarda azot saxlaya bilir. In Təbiət Mikrobiologiyası, Ryu və başqaları. bu bakteriyaların genetik təkmilləşdirilməsini müzakirə edin. Əsas ferment olan nitrogenazanı məhv edən oksigenə məruz qaldıqda və ya ammonyak mövcud olduqda, onlar adətən azotu fiksasiya edirlər. Ryu və başqaları. bu xüsusiyyətləri dəyişdirə bildilər, lakin onların işinin praktiki tətbiqləri hətta uzunmüddətli perspektivdə də müəyyən deyil.

Kredit: Ryu et al.

Azot fiksasiyasının ammonyak tərəfindən aradan qaldırılması ekoloji baxımdan geriyə doğru bir addım kimi görünə bilər. Axı, paxlalı bitkilərin ehtiyac duyduğundan artıq azot tutma qabiliyyəti su ehtiyatlarımızın nitratla çirklənməsini məhdudlaşdırmaq üçün açardır. Lakin biz istəyirik ki, azot fiksasiya dərəcəsi təkcə bakteriyaların ətrafındakı ammonyak səviyyələrindən deyil, ümumi bitki ehtiyaclarından asılı olsun. Beləliklə, Ryu et al. bitkilərdən gələn siqnallara cavab olaraq azot fiksasiya dərəcələrini tənzimləmək üçün hazırlanmış bakteriyalar. Bununla belə, enerji hələ də bitkilərdən gəlməlidir. Azot fiksasiyasının faydaları bu xərci əsaslandıra bilərmi? Gəlin nikbin olaq və ilkin olaraq onların olacağını fərz edək.

Ancaq bakteriyalar inkişaf edir. Əvvəlcə azotu münasib qiymətə təmin etsələr belə, faydalar yalnız bir neçə gün ərzində azala bilər. Kağız azot fiksasiyasının “fitness yükündən” bəhs edir, bu da daha çox sabitləşən rizobiyanın məhv olmasına səbəb olur. Bitki üçün əlavə heç bir şey olmadan, yalnız özünə lazım olan qədər azot təyin edən "aldadıcı" mutant, özünün çoxalması üçün resursları boşaldacaq və ələ keçirəcək.


22.1: Azot mübadiləsinə baxış

Üzvi kimya adətən karbon tərkibli molekulların kimyası kimi təsvir edilir. Ancaq bu tərif bir az karbon mərkəzli deyilmi, xüsusən də oksigen tərkibli molekulların yayılması heyrətləndirici olduğundan? Bəs azot? Biz dinitrogenlə zəngin atmosferdə yaşayırıq (80%) və biomolekulların bütün sinifləri (lipidlər, karbohidratlar, nuklein turşuları və zülallar) azotdan ibarətdir. Dinitrogen üçlü əlaqə və qeyri-polyarlığı nəzərə alınmaqla çox sabitdir. N-i düzəltmək üçün bir neçə orqanizmə güvənirik2 atmosferdən ammonium əmələ gətirir (NH4 +), nitrifikasiya və denitrifikasiya yolu ilə nitrit əmələ gətirə bilər (NO2 - ), nitrat (NO2 - ), azot oksidi (NO) və azot oksidi (N2O), sonuncu güclü istixana qazıdır. Növbəti bölmədə amin turşuları və zülallardakı amin qruplarının metabolik taleyinə diqqət yetirəcəyik. Onların taleyini araşdırmadan əvvəl bioloji azot dövrünün ümumi görünüşünü göstərən aşağıdakı şəklə baxın. Biokimyanın öyrənilməsi homo sapiensdən daha çoxunu əhatə etməli və bu qədər kiçik, lakin zərərli bir hissə olduğumuz ekosistemi əhatə etməlidir.

Diaqramı biokimyəvi baxımdan parçalayaq. Aerob və anaerob proseslər (bakteriyalar tərəfindən aparılır) var. Azot tərkibli maddələrə həm qeyri-üzvi (ammonium, nitrat, nitrit) və həm də üzvi (amin turşuları, nukleotidlər və s.) molekullar daxildir. Göstərilən reaksiyalar oksidləşdirici və reduktivdir (qeyd: molekullardakı azot atomlarının oksidləşmə sayı qırmızı rənglə göstərilmişdir). Əksər reaksiyalar yeraltı bakterial və arxeal mikroorqanizmlər tərəfindən həyata keçirilir.

Əsas reaksiyalardan bəziləri bunlardır:

  • N2 fiksasiya (azalma): N2 havadan bakteriyalar tərəfindən ammoniuma çevrilir (NH4 + ) torpaq prokariotlarının nitrogenaz fermenti ilə. Enerji baxımından mənfi reaksiya çoxlu ATP tələb edir. Bir dəfə hazırlanmış ammonium daha sonra bitkilər kimi əsas istehsalçılar tərəfindən alına və heyvanların istehlak etdiyi amin turşuları kimi biomolekullara daxil edilə bilər. İnsanların biosferimizə marjinal təsirləri olduğuna hələ də inananlar üçün bunu nəzərə alın. Tezliklə daha çox N düzəldə bilərik2 NH üçün3 Bütün biosfer tərəfindən edilən sənaye Born-Haber reaksiyası (gübrə və partlayıcı istehsal üçün istifadə olunur). İstifadə olunan azotun çoxu Born-Haber reaksiyasından gəlir. Həddindən artıq NH4 + (50%-dən çox) sənaye üsulu ilə istehsal olunur və torpağa gübrələrlə daxil olur (əsasən NH kimi).4YOX3) təbiətin azot dövranını tarazlaşdırmaq qabiliyyətini aşdı və bitkilər tərəfindən qəbul edilmir. Mikroorqanizmlər tərəfindən nitrit və nitrata çevrilir.
  • Nitrifikasiya: Ammonium ammonyak oksidləşdirən aerob mikroorqanizmlər tərəfindən nitritə və daha sonra ayrıca nitrit oksidləşdirən aerob bakteriyalar qrupu tərəfindən nitrata çevrilir. Budur, hidroksilamin ara məhsulu vasitəsilə nitrat hasil etmək üçün reaksiyalar (Rx 1 və 2), ardınca nitratın əmələ gəlməsi (Rx 3).

Bu əlavə edilmiş ionlar torpağın tutumunu aşır və axır su ilə nəticələnir, çaylarımızı və göllərimizi çirkləndirir.

  • Denitrifikasiya: Bu anaerob reaksiya yolu N2 nitratdan Budur xalis reaksiya:
  • Anammox reaksiyası: Bu yaxınlarda kəşf edilmiş bakterial anaerob reaksiya yolu ammonium və nitratı N-ə çevirir.2. Budur xalis reaksiya
  • Ammonizasiya (mumiyalama ilə qarışdırılmamalıdır) bitki və heyvanların parçalanması zamanı baş verir, bu da ammoniumu bitkilər və mikroblar tərəfindən təkrar istifadə üçün torpağa qaytarır.

Bu reaksiyalar aşağıda qısaldılmış Azot Dövründə göstərilmişdir.

Azot metabolitləri bitkilər üçün qidadır və bəlkə də bitki artımının tənzimlənməsində (ilkin məhsuldarlıq) və biosferdə həyat müxtəlifliyinin tənzimlənməsində ən çox idxal olunan qidadır. Bütün canlı orqanizmlər enerji istehsal etmək və biosintetik reaksiyalar üçün substrat kimi xammal tələb edir. Hansının istifadə olunduğu orqanizmdən asılıdır. Bitkilər əsas istehsalçılardır, buna görə də həm enerji istehsalı, həm də biosintez üçün öz sintez edilmiş karbohidratlardan istifadə edirlər. Ətyeyənlər üçün zülallar və onların törəmə amin turşuları enerji mənbəyidir (oksidləşmə yolu ilə) və biosintetik prekursorlar kimi xidmət edir. Hər şeyi yeyən orqanizmlər üçün enerji mənbəyi "eed" vəziyyətindən asılıdır. Bol qida qaynaqları ilə karbohidratlar və lipidlər enerji mənbəyidir. Gələcək istifadə üçün glikogen və triaçilqliseridlər kimi saxlanıla bilən karbohidratlar və lipidlərdən fərqli olaraq, artıq zülal və onlarla əlaqəli amin turşuları saxlanıla bilməz, buna görə də amin turşusu xaric edilə və ya oksidləşdirici enerji üçün istifadə edilə bilər.

Qidalanmış vəziyyətdə karbohidratlar əsas mənbədir, qidalanmamış vəziyyətdə isə lipidlər üstünlük təşkil edir. Aclıq şəraitində orqanizmlərin öz zülalları parçalanır və oksidləşdirici enerji istehsalı və qalan hər hansı biosintez üçün istifadə olunur. Bol karbohidratların mövcudluğunda aclıq vəziyyətinə bənzədilə bilən diabet kimi xəstə dövlətlərdə həm lipidlər, həm də amin turşuları enerji mənbəyinə çevrilir.

Heyvanlarda amin turşuları oksidləşdirici şəkildə necə metabolizə olunur? Bunu etmək üçün bir çox yollardan istifadə edilə bilər, lakin məntiqli görünür ki, NH4 + çıxarılacaq və qalan molekuldakı karbonlar sonda keto turşuları şəklində qlikoliz və ya TCA dövrünə daxil olacaqlar. NH4 + yüksək konsentrasiyada zəhərlidir. Ammonium insanlarda torpaqda mikroorqanizmlər tərəfindən meydana gəldiyi kimi nitritə və ya nitratlara oksidləşmir. O, təkrar nukleotidlərə və ya amin turşularına çevrilə bilər və artıq miqdarlar orqanizmdən xaric edilir. Hər iki proses yüksək səviyyədə idarə olunmalıdır. Növbəti hissədə amin turşularının oksidləşməsinə diqqət yetirəcəyik.

Nitrogenaz: Giriş

Gözəllik baxanın gözündədir.

Domen biokimyası bütün bioloji dünyanı əhatə etdiyinə görə, dərsliklərdə verilən mövzunun əhatə dairəsi qismən materialı təqdim edən müəllif(lər)in marağından və təcrübəsindən asılı ola bilər. Uyğunluq əhatə dairəsini müəyyən edən bir metrikdirmi? Əgər belədirsə, insan və ya tibbi biokimyaya yönəlmiş kitablar, şübhəsiz ki, fotosintezi buraxacaq. Mövzular həyat üçün əhəmiyyətinə görə seçilərsə, o zaman fotosintez mütləq işıqlandırılmalıdır. Əgər belədirsə, onda nitrogenaz da daxil edilməlidir. Kimyəvi reaksiya üçün kimyəvi çətinlik dərəcəsi və inkişaf etmiş biokimya məhlulunun heyrətamiz bəlağəti nəzərə alınarsa, həm fotosintez, həm də azot fiksasiyası təqdim edilməlidir. Azot fiksasiyası reduktiv reaksiya olsa da, oksigenin təkamül edən fotosintez kompleksi ilə güclü oxşarlıqları var. Onlar təkamülün iş üçün unikal olaraq seçdiyi çox mürəkkəb və unikal qeyri-üzvi metal kofaktordan istifadə edərək, bol atmosfer qazını əhatə edən çox vacib redoks reaksiyalarını katalizləyir.

Kimya fakültəsinin hər birinci kurs tələbəsi dinitrogenin Lyuis quruluşunu çəkə bilər, N2, hər azotda üçlü bağ və tək bir cüt olan. Əgər Lyuis strukturları onlarla danışırsa, üçlü bağın N2 qeyri-adi dərəcədə sabitdir, beləliklə, 80% N olan atmosferi niyə nəfəs ala bildiyimizi izah edir2 və ölməz. Əgər biologiya götürmüşlərsə, çox az bioloji orqanizmin N.-dən istifadə edə biləcəyini də bilirlər2 substrat kimi, azot atomları arasında bağların qırılmasını tələb etdiyindən, müəyyən bitkilərin rizomlarında olan azot &ldqufiksinq&rdquo bakteriyalar üçün qorunan kimyəvi prosesdir. Nəhayət, onlar, ehtimal ki, yüksək təzyiq və temperaturun Haber-Bosch prosesi adlanan prosesdə N reaksiyasında istifadə edildiyini yadda saxlamışlar.2 və H2 ammonyak, NH əmələ gətirir3. Hər hansı bir elmi irəliləyiş kimi, Haber-Bosch prosesi həm zərər (partlayıcı silahlar üçün istifadə olunur), həm də xeyir (gübrələr) gətirdi. Bu proses indi kifayət qədər N-ni düzəldir2 Dünya əhalisinin yarısını təmin etmək üçün gübrələr şəklində, qalan hissəsini isə nitrogenaz təmin edir. Bitkilərin öz nitrogenazını yaratmaq üçün genetik modifikasiyasına səy göstərilir, gübrələrə ehtiyacı aradan qaldırır, lakin bəlkə də gözlənilməz problemlər yaradır.

Otaq temperaturunda tarazlıq sabitinin ammonyak əmələ gəlməsinə üstünlük verdiyini görəndə təəccüblənə bilərsiniz, buna görə də DG 0 < 0. Reaksiya otaq temperaturunda ekzotermik olduğu üçün entalpik olaraq üstünlük təşkil edir. Aşağıdakı balanslaşdırılmış tənlikdən göründüyü kimi entropik olaraq bəyənilmir: N2(g) + 3H2(g) &rarr 2 NH3(g)

Əgər reaksiya termodinamik olaraq otaq temperaturunda üstünlük təşkil edirsə, niyə davam edir? Bu hekayə tanış səslənir, çünki bu eyni təsvir üzvi molekulların dioksigenlə oksidləşməsinə aiddir. Orada MO nəzəriyyəsindən istifadə edərək reaksiyanın kinetik cəhətdən yavaş olduğunu göstərdik. NH ilə eyni3 formalaşması. Bunu görməyin səthi yolu odur ki, sabit N-də əlaqələri qırmalıyıq2 reaksiyaya başlamaq, yüksək aktivləşmə enerjisinə səbəb olur, reaksiya kinetikasını ləng edir.

Temperaturu yüksəltməklə reaksiyaya başlaya bilərsiniz, lakin bu, ekzotermik reaksiyanı ləngidir. Keq (və ya KD) və DG0 açıq-aydın temperaturun və bu reaksiya üçün funksiyalardır və daha yüksək temperaturda reaksiya xoşagəlməz hala gəlir. Haberin tapdığı məhlul yüksək təzyiq idi, reaksiyanı daha az qaz molekulu olan tərəfə və yüksək temperatura məcbur edərək aktivləşmə enerjisi baryerini aşmaq və reaksiyanı kinetik cəhətdən mümkün etməkdir. Mürəkkəb metal katalizatorları (maqnetit - Fe3O4 - CaO və Al kimi metal oksidləri ilə2O3 Fe-nin H ilə azalmasının qarşısını alır2) reagentləri bir araya gətirmək və H-də bağların qırılmasını asanlaşdırmaq üçün uducu səth təmin edir2 və N2.

Gördük ki, təbiət başqa bir çox sabit və hər yerdə mövcud olan H molekulunu oksidləşdirmək üçün Mn, Fe, S və Ca kimi çox qəribə oksigen təkamül kompleksini əhatə edən mexanizmləri cəlb edir.2O. İndi biz N-ni düzəldən nitrogenaza kompleksinin arxasındakı heyrətamiz mexanizmləri araşdırırıq2 NH yaratmaq3.

Bu reaksiyanı bioloji olaraq idarə etmək üçün nə lazım ola bilər? Siyahıya aşağıdakıları daxil edəcəyini təxmin edə bilərsiniz:

Bu çətin reaksiyanı idarə etmək üçün enerji mənbəyi, çox güman ki, ATP və siz haqlısınız

N atomları elementar N-də 0 oksidləşmə vəziyyətindən NH3-də 3-ə keçdikdə elektron mənbəyidir, bu mənbə flavodoksin və ya ferridoksin adlı bir zülal olur. Təbii ki, bu elektronların da bu zülalların elektron daşıyıcılarında olmamışdan əvvəl maraqlı mənbələri var

Elektronları idarə olunan şəkildə qəbul etmək və bağışlamaq üçün olduqca heyrətamiz metal mərkəzləri var, bu mərkəzlər əsasən molibden (Mo) olan əlavə çoxluqlu FeS klasterləridir. Klasterlər F, P və M adlanır

bir hidrogen mənbəyidir ki, siz onun H olmadığını düzgün təxmin etmişdiniz2 qaz (bu haradan gəlir?), lakin H + ionları olduqca hər yerdə mövcuddur.

Xaber-Bausç prosesindən fərqli olan xalis reaksiya (N2 + 3H2 &rarr 2 NH3).

Nitrogenazın kataliz etdiyi faktiki reaksiya budur:

Gəlin reaksiya haqqında bir az düşünək. Elektronlar əlavə olunduqca azot atomları arasındakı cazibə azalmalıdır. Nəhayət, aralarındakı bağlar qırılmalıdır. Yük neytrallığını qorumaq üçün protonlar asanlıqla əlavə edilə bilər. Əsas mexanizm aşağıda göstərildiyi kimi ara məhsulları əhatə edə bilər:

Nitrogenaz da daxil olmaqla üçlü bağları olan digər kiçik molekullar da ola bilər:C=O: və H-C=C-H.

Nitrogenazanın quruluşu

Nitrogenaza aşağıdakıları ehtiva edən multiprotein kompleksidir:

Elektronların mobil daşıyıcısı (protein ferrodoksin və ya flavodoksin), ATP və elektronları qəbul edən FeS kofaktoru (4Fe-4S, F çoxluğu) üçün bağlanma yerləri olan iki eyni alt bölmə, E və F. Bu alt bölmələr buna görə də nitrogenaz reduktaza alt bölmələri adlanır

alfa və beta alt bölmələrinin heterodimeri. a (alfa zənciri) 8Fe-7S F klasterini və Fe-S-Mo M çoxluğunu birləşdirir. Bu alt bölmələr (di)nitrogenaz alt bölmələrindən ibarətdir

Bağlı ATP və metal mərkəzləri olan zülal kompleksinin ümumi quruluşu aşağıda göstərilmişdir.

Nitrogenazanın interaktiv Jsmol strukturu aşağıdakı linkdə tapılıb.

Bağlanmış kofaktorların və ATP-nin təkmilləşdirilmiş görünüşü aşağıdakı şəkildə eyni məkan oriyentasiyasında göstərilmişdir.

Metal mərkəzlər aşağıda həm xətt, həm də boşluq doldurma görünüşlərində daha ətraflı göstərilmişdir.

Mo yuxarıda göstərilən kristal strukturunda 3 kükürd ionu və iki a OH və 3-hidroksi-3-karboksi, adipik turşunun karboksil qrupuna bağlıdır.

M çoxluğu -CH-dən əmələ gələn interstisial karbid ionuna malikdir3 S-adenosil-metioninin (SAM) kükürdünə əlavə olunur, bu da karbidin mexaniki tədqiqatlar üçün 13 C və ya 14 C ilə etiketlənməsinə imkan verir. Bu etiketli karbidlər ferment katalitik dövriyyəyə məruz qaldıqda dəyişdirilmir və ya substrat kimi istifadə edilmir. Beləliklə, görünür ki, karbid sadəcə M klasterini sabitləşdirir. daha ətraflı mexanizmləri göstərən aşağıdakı rəqəmlərdə göstərilməyəcək.

Nitrogenaz reaksiyası: 1-ci hissə - Elektronların və protonların əlavə edilməsi

F klasterini ehtiva edən reduktaza alt bölməsindən elektronların nitrogenaza alt bölməsindəki P və M çoxluqlarına ardıcıl yolu yuxarıdakı rəqəmlərdən aydın görünməlidir. N-nin bağlanmasına diqqət yetirəcəyik2 və M çoxluğundan elektronları necə qəbul edir. Aşağıdakı şəkildə FeMo-kofaktor və bəzi bitişik amin turşusu qalıqları göstərilir. Boşluq doldurmada Mo göstərilmir.

Sual 1: Val 70 Ile-ə mutasiya edilərsə, substrat klasterə daxil olmayacaq görünür. Klasterin hansı hissəsi daha çox N ilə qarşılıqlı əlaqədədir2?

Sual 2: Onun yan zəncirləri tez-tez fermentin aktiv yerlərində olur. Onlar katalizdə hansı rolu oynaya bilər?

Dinitrogenin azaldılması mexanizmi kimi Lowe və Thorneley (LT) modeli təklif edilmişdir. Bu modeldə fermentin oksidləşmiş formasına bir elektron və proton əlavə edilir (Eo) istehsal etmək üçün E1. Ardıcıl formalaşdırmaq üçün bu daha 3 dəfə təkrarlanır, E2, E3 və E4. Yalnız bundan sonra N2 bağlama və N-nin azalması2 baş verir. Əlavə edilmiş elektronlardan ikisi H əmələ gətirən H + ionları tərəfindən qəbul edilir2, N-də azad edilən2 bağlayıcı.

Sual 3: N-də N və H-nin oksidləşmə nömrələrinə əsaslanır2, NH3, H + və H2 və yuxarıdakı mexanizm, 8 elektrona ehtiyac olacağını gözləyirsinizmi?

Kristal quruluş reduktaza alt bölməsinə bağlı 2 ATP göstərir. Reaksiya stoxiometriyası istifadə olunan 16 ATP göstərir. Sadə riyaziyyat bir elektronun kompleksə daxil olmasını dəstəkləmək üçün 2 ATP-nin parçalandığını göstərir.

1-ci hissə - E1-E4: E4 ara məhsulu üçün potensial struktur aşağıda göstərilmişdir. Qeyd edək ki, karbid göstərilməyib. Bu, katalitik dövrün yarısında olduğu üçün tez-tez Janus ara məhsulu adlanır. O, Roma başlanğıcların və keçidlərin tanrısı Yanusun şərəfinə adlandırılmışdır və qapılara, qapılara, qapılara və keçidlərə aid edilmişdir. Janus adətən iki üzlə göstərilir, biri gələcəyə, digəri isə keçmişə baxır.

Sual 4: Bu rəqəmin E4-ü təmsil etdiyini necə deyə bilərsiniz?

Hidridlər 2 Fe ionunu körpü edir, buna görə də bunlar üç mərkəzli, iki elektronlu bağların nümunələridir.

Bu reaksiya necə baş verir? Bu və sonrakı addımların mexanizmini başa düşmək üçün orqanometal kimyasına müraciət etməliyik. Aydındır ki, mərkəzdə metal ionlarının oksidləşməsi ilə əlaqədar metallara hidrid ekvivalenti əlavə edilmişdir. Bu xüsusi reaksiya adlanır oksidləşdirici əlavə. Güman ki, kükürd ionları Lyuis turşusundan, ehtimal ki, HIs 195-dən proton qazandıqları üçün Lyuis əsasları kimi fəaliyyət göstərirlər.

Oksidləşdirici əlavə reaksiyaları

Üç müxtəlif növ reaktivlər üçün oksidləşdirici əlavələri göstərən rəqəm aşağıda göstərilmişdir. H-nin daxil edilməsi üçün xüsusi nümunəyə diqqət yetirin2, M klasterinə hidrid əlavələrinə bir qədər bənzər bir nümunə. Metal ionunun iki oksidləşmə vəziyyəti sabit olduqda oksidləşdirici reduksiya daha tez baş verir. Eyni şəkildə, sterik olaraq maneə törətməyən metal mərkəzlər üçün də üstünlük verilir (AB-nin əlavə ediləcəyi mənası var) və A-B-nin aşağı bağ dissosiasiya enerjisi varsa.

Sual 5: Yuxarıda göstərilən E4 kompleksində H + ionlarının hansı rolu ola bilər? Niyə onlar hidridlərə nisbətən yaxın ola bilərlər?

Reaksiya aralıqlarını öyrənməyin bir yolu onları tələyə salmaqdır. Əgər N2 bağlayıcı yerə daxil ola bilmir və temperatur azalır, E4-də yığılmış hidridlər və H + reaksiya E1-ə geri dönərkən qarşılıqlı təsir göstərə bilər.

Sual 6: Belə bir vəziyyətdə hansı məhsul ola bilər? Bu təcrübəyə cəhd etmək üçün hansı mutantdan istifadə edilə bilər.

Nitrogenaz reaksiyası: 2-ci hissə - N-in azaldılması2

E4-dən E5-ə qədər olan addım H kimi bir az qəribə görünür2 qaz buraxılır. Bu, ATP-ni boşa çıxarmış kimi görünür, amma aydın olmalıdır ki, bu fermenti yaradan təkamülə etibar etməliyik. Sizcə bu reaksiya hidridlərin bir Fe ionu Fe6 üzərində olması ilə asanlaşdırıla bilərmi? Mexanizm başqa bir klassik orqanometalik reaksiyadır, reduktiv aradan qaldırılması, oksidləşdirici əlavənin əksi.

Reduktiv eliminasiya reaksiyaları

Bu reaksiyada metal ionu azaldıqca və iki elektron əlavə etdikcə bir molekul kompleksdən çıxarılır və ya xaric edilir. Aşağıdakı rəqəm reduktiv aradan qaldırılmasını göstərir. Reduktiv eliminasiya reduksiya zamanı sabitləşə bilən daha yüksək oksidləşmə vəziyyətinə malik metal mərkəzlərində daha tez baş verir. Bu, ən çox elektron zəngin liqandlardan və digər ətraf liqandlar həcmli olduqda baş verir. Ayrılan növlər də bir-birinə cis olmalıdır, çünki onlar ayrılarkən bir-birləri ilə əlaqə yaradırlar.

Metal mərkəzlərində oksidləşdirici əlavə və reduktiv eliminasiya tez-tez orqanometaliklərdə birləşir. katalitik dövrələr aralarında baş verən bəzi yenidən qurulma və ya digər modifikasiya ilə. Bu barədə düşünün. FeS klasterləri tam LT dövründən sonra orijinal oksidləşmə vəziyyətinə qayıtmalıdır. N əlavə edildikdən sonra başqa bir orqanometal reaksiya ilə qarşılaşacağıq2, köçəri daxiletmə, reaksiyanın ikinci yarısında.

H2(g) həqiqətən azad edildi? Bunu öyrənmək üçün müstəntiqlər alternativ substrat, asetilen, HC istifadə etmişlər=CH, D-nin iştirakı ilə2 və N2 sulu sistemdə.

Asetilen azaldıldı və C əmələ gəldi2H2D2 və C2H3D. Beləliklə, E4-də 2 D olmalıdır və E2 yəqin ki, 1. Bu nəticələr bunu dəstəkləyir geri çevrilə bilən E4-dən E4-ə qədər reduktiv eliminasiya mexanizmi:N2 yuxarıdakı reaksiya. Əvvəllər H +-nın D ilə azaldığı göstərilmişdi2 D-nin iştirakı ilə2 və N2 sulu sistemdə, buna görə də bu nəticələr ardıcıldır. Əlavə dəstək olaraq, D-dən deuterium2 məhsullara daxil edilmir (C2H2D2, C2H3D və ya HD) N olmadıqda2.

Aşağıdakı şəkildə yenidən göstərildiyi kimi bir anlığa körpü hidridlərinə qayıdaq.

H formalaşdırmaq üçün2, H - hidridləri protonlaşdırılmalıdır.

Sual 5: Yuxarıdakı modeldəki hidridlər terminal kimi deyil (H + üçün göstərildiyi kimi) körpü (3 mərkəz, 2 elektron rabitəsində iştirak edir) kimi göstərilmişdir. Hansı protonasiyaya və deməli reduktiv aradan qaldırmağa, körpülərə və ya terminal hidridlərə daha davamlı ola bilər?

Körpü hidridləri artıq istənilən substratla reaksiya vermək üçün kifayət qədər sabitdir, N2. M kofaktoru alt üzdə karbidlə əlaqələndirilmiş dörd Fe ionundan (aşağıdakı şəklə bax) üz yaratmaq üçün kifayət qədər böyükdür. Fe ionlarının bu üzünü yaratmaq üçün triqonal prizmatik həndəsə əmələ gətirən 6 Fes və 1 mərkəzi C ilə kifayət qədər ölçülü çoxluq lazımdır.

Nitrogenase Fe mərkəzlərinin oksidləşmə vəziyyəti

İlk yarı: M kompleksində hər bir Fe ionuna xüsusi oksidləşmə vəziyyəti təyin etmək çətin olardı. Bunun əvəzinə reaksiya E0-dən E4-ə qədər davam etdikcə oksidləşmə vəziyyətlərində nisbi dəyişikliklər təyin edə bilərik. LT modelinin hər addımında 1 elektron əlavə olunur. Biz bunu əvvəlcə ixtiyari olaraq təyin olunmuş oksidləşmə vəziyyəti 0 olan orta Fe ionuna, M 0-a təyin edəcəyik. 1 elektron əlavə edildikdə, metal azaldıqca oksidləşmə vəziyyəti M 0-dan M -1-ə keçəcək. M -1 vəziyyəti daha sonra bir elektron H + -a köçürüldükdə oksidləşir və 2 elektron köçürüldükdə və tək H - edilir. Aşağıdakı diaqram E0-dən E4-ə keçəndə oksidləşmə vəziyyətinin dəyişməsini göstərir.

Qırmızı qutular Fe ionlarının (M) redoks vəziyyətindəki dəyişikliklərin necə görünə biləcəyini göstərən termodinamik dövrə bənzər addımları vurğulayır. Qeyd edək ki, E0-dən E4-ə keçəndə M-nin faktiki oksidləşmə vəziyyəti 0-dan +1-ə 0-dan +1-ə və yenidən 0-a dəyişir. Bu, 4 elektronun əlavə olunduğunu nəzərə alsaq, olduqca təəccüblüdür. Onu da qeyd edək ki, E0-dən E1-ə gedən qırmızı qutuda M -1-dən +1-ə keçir, bu da metal mərkəzi iki elektron itirdiyi zaman oksidləşdirici əlavənin təsvirinə uyğundur. Bu mexanizm göstərir ki, nitrogenaz "hidrid saxlama cihazı" hesab edilə bilər.

İkinci Yarım (istehsal NH3):

Necə N2 ilkin E4 ilə qarşılıqlı? Hidridlərin H kimi necə sərbəst buraxılmasından asılı olmalıdır2, hansı dəlillər tərəfindən baş verdiyini göstərir reduktiv aradan qaldırılması (re) və hidrid protonasiyası (hp) deyil. Bundan əlavə, N2 çox tez diazenə çevrilir, HN=NH, ayrılan H ilə2 özü ilə 2 H + s və 2 elektron (və ya azaldıcı ekvivalentlər) götürür. Bu hadisələr aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi baş verə bilər.

İndi isə N2 diazen kimi bağlanır (N2H2) və H2 buraxıldıqda, reaksiyanın qalan hissəsi aşağıda göstərildiyi kimi baş verə bilər. Yeni bir addım, miqrasiya əlavəsi göstərilir.

Reaksiyanın iki yarısı istifadə olunan körpü hidridləri ilə oxşardır. E4 Janus ara məhsulu iki yarını birləşdirir.


Bakteriyaların azot fiksasiya edib-etmədiyini necə müəyyən etmək olar? - Biologiya

References herein to the writing of lab reports and posters were current through Fall Semester, 2006. Since then, report guidelines for any current semester are in the present lab manual for Microbiology 102. However, even though this website for our old Bacteriology 102 course (splammo.net/bact102) was "retired" as of the end of Fall Semester, 2006, subject matter details throughout the site are still current , and questions asked on this page are generally worth pursuing regarding isolation of microorganisms, lab reports on such experiments, and examinations.

I. GENERAL INTRODUCTION

This page on our Bacteriology 102 website expands on the material given in the introduction to Experiment 11 in the manual and also serves to summarize major points regarding the following specific isolation experiments: 11.1 (purple non-sulfur photosynthetic bacteria), 11.2 ( Bacillus ), 11.3 (N 2 -fixers), 10.2 ( Streptomyces ) and 9.3 (bacteriophages). Even though bacteriophages are not bacteria but, rather, viruses which infect bacteria, many of these general principles will apply.

In this course, the selective enrichment/isolation concept applies not only to the isolation of the organisms indicated in the above-named experiments, but wherever we are isolating a certain type of organism from a natural source. This includes gram-negative bacteria from hamburger (Exp. 4), lactic acid bacteria from sauerkraut (Exp. 12), Staphylococcus aureus from the body (Exp. 13.1) and coliforms from water (Exp. 15). The basic principles also apply to the isolation and identification of the mixed unknowns (Exps. 7.2, 14.1 and 17).

The generalized procedure for the isolation and identification of any particular type of bacteria can be represented in the following flow chart:

ENRICHMENT AND ISOLATIONPURE CULTURE WORK
SOURCE
MATERİAL
BROTH
ENRICHMENT
PLATING FOR
ISOLATION
STOCK
CULTURES
CHARACTERIZATION & IDENTIFICATION
•Consider inoculum: what organisms may or may not be present.
•May pre-treat inoculum, e.g., by heat-shocking.
•Usually is selective.
•May be skipped altogether.
•Usually selective or selective-differential &ndash but not always!! 
Throughout procedure, appropriate media and incubation conditions must be considered.

In these experiments, we show how this general plan is applied productively to several specific, naturally-found groups of organisms . Students who took our Bacteriology 320 course from the mid-1970s through the 1990s will recognize this approach and recall the dozen or so different kinds of bacteria we obtained from a variety of natural sources &ndash intestinal and otherwise. Naturally the successful isolation of the small set of organisms in either course will not make us experts in the isolation of all kinds of bacteria &ndash nor has this author ever claimed to be such an expert(!) &ndash but we can appreciate the general plan and how samples, media and incubation conditions can be chosen appropriately for each type of organism such that the desired growth is enhanced with the inhibition of as many other kinds of organisms as possible . So, we provide the basic framework upon which we can hang the specifics of a given isolation situation, and such can be kept in mind out in the real world if the student encounters an entirely new isolation project. The author has applied this concept in the isolation of Edwardsiella (with appropriate pH-based differential media) and the purple non-sulfur photosynthetic bacteria &ndash both of which have been great fun &ndash and may possibly consider iron-oxidizing bacteria his third area of expertise in bacterial isolation.

I often put a multiple-true/false question like this on a quiz or final. We expect all statements to be false and sincerely hope no one teaches such heresy.

To isolate a certain kind of organism from a natural source, utilizing the enrichment and isolation principles we learned about in our experiments:

       We can examine a sample from anywhere to find any kind of organism, as bacteria do tend to get around and can be found everywhere .

       It is best to utilize an all-purpose medium to isolate as many different kinds of bacteria as possible. Then we can study all of the colonies obtained and choose which ones we want to continue with.

       We always wish to compare our results to a general key to find out if we isolated the correct strains and got the correct determination of CFUs per gram of the sample.

       We always try to duplicate the original habitat of the organisms in the laboratory as much as possible such that all organisms in any sample can continue to grow in the laboratory as they did out in their normal habitat.

       We can expect to find a pure culture growing in any selective enrichment.

       In the experiment on purple non-sulfur photosynthetic bacteria, we expect each different kind of colony on a plate to represent a different genus .

Generally speaking, it would be unthinkable to streak out a plate of an all-purpose medium from a sample and then examine all of the resulting colonies to find what we are after . (That is the literal "looking for the needle in the haystack" approach.) Most likely, the desired type of organism would be totally overgrown. In looking for some obscure organism in the environment &ndash for example, Edwardsiella tarda from a swimming beach &ndash one would never be expected to have generated a list of genera or species in that environment that were encountered on the way to finding the E. tarda . You don't have to be an expert on the microbial flora in the environment &ndash that's a separate issue for those who care to do that. Using selective procedures you would be inhibiting or killing most of them anyway in your attempt to recover (more easily) the desired organism.

Hopefully for our experiments, we will have a variety of samples from various probable habitats of these organisms. (Note the admonition in the manual to bring in your own samples !) Habitats from which the samples are taken are not homogenous and will vary considerably from each other, and they will themselves vary over time. We must never expect to replicate exactly anyone else's results or any supposed "typical" result! There is no "key" to tell us if we are "correct" when we isolate anything &ndash that is, there is no tally of specific genera or species to check off for any given source! For any of our experiments, we may isolate representatives of several genera from one sample and several species of only one genus from another. We may spot a "trend," and we may isolate a new species these are things that are fun to follow up on. At least we will come up with some new strains &ndash as we define that term here.

Sooner or later in your lecture course you will learn about lithotrophic organisms such as the iron-oxidizing bacteria which we really should be including in our lab course. (A few views of a habitat in which they are found are shown here.) Similarly we could do something with the symbiotic nitrogen-fixers, but &ndash at least &ndash we get an appreciation of what "special" medium can help sort out free-living nitrogen-fixers from other soil organisms, and we have demonstration materials that feature the effects of Rhizobium , a genus of organisms that fix nitrogen whilst in symbiosis with leguminous plants.

Here are some items to consider as you collect, analyze and present your data and observations:

    Taking notes in lab of various observations can be greatly facilitated by the use of tables which are also valuable in reports and posters. Also, flow charts can summarize procedures in a general way and can be used to great advantage in posters and in day-to-day preparation for lab. The set-up of flow charts and tables is discussed here.

  • In the highlighted box above, we show a six-part multiple-true/false question. Be sure you understand why each of the six statements is false.
  • Questions are posed below in Sections III and V concerning the setup of the various experiments and what we hope to find out about the cultures we isolate.
  • Also, look over the relevant quiz questions in Appendix X of the lab manual. They test basic understanding of the general concept of isolating bacteria as well as major points about the specific kinds of organisms we are looking for.
  • Be sure to go over the requirements for reports and posters associated with these experiments. Some questions to think about are found on this page.

Reference material concerning the isolation of various organisms can include some professionally-produced web pages, a good textbook (such as recent editions of Brock ) and also these items:

    The Prokaryotes , a multi-volume set. The updated on-line edition is found here and is the primary source of reliable information I recommend when questions keep pouring in about how to isolate whatever. As stated above, I do not claim to be an expert on such things &ndash or a general consultant, for that matter. But The Prokaryotes is where the experts on specific kinds of bacteria hang out. As an example of how one can begin to use The Prokaryotes on-line, type "Edwardsiella AND isolation" in the search box (without the quotes), and you might find a surprise.

II. TAILORING THE ENRICHMENT/ISOLATION PLAN TO SPECIFIC TYPES OF ORGANISMS

Many specific kinds of microorganisms can be obtained from their natural habitats (soil, water, etc.) by the creation in the laboratory of an artificial environment which will enhance their growth over competing organisms. We would not get far by replicating exactly the habitat from which a sample was taken. Morphological and/or physiological characteristics of the desired organisms which can give them special advantages over others are exploited in the formulation of culture media, the choice of incubation conditions, and any special treatment of the original source material itself. We want to inhibit as many "undesirable" organisms as possible so they do not interfere with the isolations of the desired organisms, and we want to satisfy the nutritional requirements of the desired organisms such that they grow well.

To help us detect and isolate a certain kind of organism and minimize interference by other organisms, the following considerations are made:

    Choice of suitable source material likely to contain the desired organism. Also, one can consider where the desired organism may occur as a significant contaminant. As mentioned elsewhere, purple non-sulfur photosynthetic bacteria have been found in samples of snow, ice and rain &ndash surely not to be considered as habitats for microorganisms.

  • Often the source material is inoculated directly into a broth medium which will encourage the proliferation of the desired organism this is called an enrichment . When an enrichment is formulated to suppress the growth of undesired competitors, it is then a selective enrichment . A selective enrichment (such as what is utilized in Experiments 11.1 and 11.3) increases the probability that colonies of the desired organism will be isolated upon subsequent streak-plating and not crowded out by others. Selective enrichment media are useful in recovering organisms which are in very low numbers, and they are often formulated like their corresponding isolation media. Selective enrichments can also be used for certain organisms that are not necessarily in low numbers the "most probable number" method of quantitation involves their use as we shall find out in the water analysis experiment (Exp. 15).
  • When plate counts are to be performed and/or when the desired organism is relatively abundant, no enrichment is made and the source material is plated directly (as in Experiments 10.2 and 11.2).
  • Water samples can be passed through a filter which is then placed on the appropriate selective plating medium. This method is useful in the direct plating of samples containing low numbers of the desired organism and is discussed further and illustrated here.

  • Temperature: How high or low can we go without inhibiting or killing the desired organism?
  • Oxygen or no oxygen?
  • Does the desired organism need an increased-CO 2 atmosphere?
  • Is light necessary?

Note how the blank table on this page can be filled in to summarize the above points for the organisms we are isolating in these experiments.

III. ENRICHMENT AND ISOLATION MEDIA

Essential medium components can be manipulated (these are items from Appendix D):

  • Carbon source: As an example, one can leave organic compounds out of the medium to allow for the growth of autotrophs which can obtain their carbon from atmospheric CO 2 which diffuses into the medium.
  • Nitrogen source: For example, one can leave nitrogenous compounds out for the growth of " nitrogen-fixers " which can obtain atmospheric nitrogen (N 2 ). The so-called "nitrogen-free media" are indeed free of nitrogenous compounds but not N 2 which diffuses in from the air.
  • Energy source: For example, photosynthetic bacteria utilize light as their ultimate source of energy , and any compounds that can serve as energy sources for other types of organisms can be left out of the medium.
  • Compounds which can be used as growth factors (vitamins, amino acids, nucleic acid bases, fatty acids, etc.) and other special medium ingredients can be added as needed.

Here are some questions about specific medium components and procedures:

  • Regarding purple non-sulfur photosynthetic bacteria: What is the "magic" of succinate ? Why use it as the carbon source?
  • What do we really mean when we say " non-sulfur " regarding the very metabolically-diverse group of photosynthetic bacteria we are working with? If we were to look for various kinds of photosynthetic bacteria that can grow autotrophically, why might one include a sulfide compound in the medium?
  • Regarding Streptomyces : What kind of compound serves as the primary source of carbon and energy (and nitrogen)? What does an organism need to produce in order to utilize such a compound? Why is it beneficial to re-streak our initial colonies on an all-purpose medium?
  • Regarding the nitrogen-fixers: Why is there so much sugar in the enrichment and isolation media? Is it possible for non -nitrogen-fixers to grow in our enrichments and on our plates? How do we really know that we are isolating nitrogen-fixers?
  • Why don't we need a selective medium when isolating Bacillus from soil?
  • Why does the combination of (1) heating the initial soil suspension to 80°C and (2) aerobic incubation assure us of having virtually only Bacillus on our isolation plates? What two genera would we expect if we were to incubate the isolation plates anaerobically ?
  • When we get to Experiment 12 on the lactic acid bacteria, consider why the combination of (1) a "rich" plating medium with sodium azide and (2) aerobic incubation conditions assures us of having virtually only aerotolerant anaerobes on the plates.

IV. DETECTION OF THE DESIRED ORGANISMS DURING THE ENRICHMENT AND ISOLATION PROCESS

The following gives a few examples of recognizable cultural and/or morphological characteristics of certain organisms which aid in their detection during enrichment and/or isolation. Click on the highlighted text for images and further explanation.

V. CHARACTERIZATION AND IDENTIFICATION OF OUR ISOLATES

We have neither the time nor the materials necessary to identify any of our bacterial isolates to the species level. Find a copy of Bergey's Manual and see what it takes to identify the dozens of species for the various genera we consider in our isolation experiments. A little more about bacterial identification is given here.

We can at least run some tests on pure cultures of our isolates to see if they follow the general pattern of what is expected for the genus or type of organism under consideration. And we can perform some "special" tests which are not essential to identify anything to the genus level, such as testing Streptomyces isolates for the ability to produce antibiotics and Bacillus isolates for the production of amylase.

For the organisms in Experiments 10.2 and 11, consider the following:

    Exp. 10.2 ( Streptomyces ): How did we recognize probable Streptomyces colonies, and what do the cells look like microscopically? Should we expect all Streptomyces isolates to be able to produce an antibiotic? What is our official definition of antibiotic ?

  • As we incubated one tube of Succinate Agar in the dark and one in the light, which tube shows the pigmented phototrophic growth? Where do you see it? (Aerobically or anaerobically?)
  • As we expect most purple non-sulfur bacteria to be "facultative phototrophs," do you see any growth in the tube incubated in the dark? (Aerobically or anaerobically?) Is there corresponding growth in the "light" tube?
  • Click here to see the appearance of a "facultative phototroph" in this test.

  • Why do we expect virtually any isolate from these plates to be a member of the genus Bacillus ? If you don't see endospores for any isolate, what might you do with the isolation plates in order to see endospores eventually? (It's hinted at in the lab manual!)
  • As we have mentioned a number of times, some species of Bacillus are strictly aerobic and the others are facultatively anaerobic. How does this relate to the tests for catalase and glucose fermentation? Recall what we did in Experiment 7 to show the oxygen relationships of the twelve known cultures without the use of Thioglycollate Medium.
  • Must we expect all isolates of Bacillus to give positive results for the amylase test? Remember in Experiment 7 that we tested only three of the dozens of Bacillus species.

  • Do not be concerned if you did not isolate anything resembling Azotobacter. Other nitrogen-fixers are possible, but they would be a bit harder to identify with what little we did in lab. A non-motile gram-negative rod might suggest Klebsiella. Sometimes Bacillus (identifiable if endospores are apparent) is isolated. Why would we not expect Clostridium on our plates? (Think about the incubation conditions of the plates.) Just characterize each isolate the best you can, and do not go beyond the recommendations and precautions mentioned in the latter part of Experiment 11.3 , although some semesters we have media available to see whether or not any non-motile gram-negative rod is a Klebsiella. If you can't identify anything to genus based on the observations made, don't go sleepless about it! At least you can indicate whether or not each one was a nitrogen-fixer or a non-nitrogen-fixer.
  • As for the slants we inoculate our isolates onto: Would you expect nitrogen-fixers to grow on the all-purpose medium? (Why not?) Would you expect a non-nitrogen-fixer to grow by itself on the N-free medium? (Why?) For there to be any growth on the N-free medium, the growth has to be initiated by a nitrogen-fixer, so a pure culture inoculated onto such a medium which grows (without any "help" from another organism) is considered by us to be a confirmed nitrogen-fixer. We always strive to inoculate any of our test media with a pure culture and this test is no exception. Furthermore, if a mixed/contaminated culture were to be inoculated onto an N-free Agar slant and it subsequently grew, there must have been a nitrogen-fixer included in the mixed inoculum. But at this point in the semester, let's not expect to be rampant contaminators any more &ndash what with our aseptic technique skills which had better not be deteriorating!

VI. A FEW GENERAL WORDS OF CAUTION especially to those not taking Bact. 102 at UW-Madison

The growth of cultures from natural sources (soil, water, human body, etc.) can be a dangerous undertaking and should only be done in a for-real microbiology lab. One can never tell if the growth of pathogens is being enhanced. Make sure all cultures are handled with the utmost care and are completely sterilized before they are discarded!

I cannot advise about laboratory techniques (such as learning the various bacteriological manipulations) via e-mail or even the phone. Take the course in the appropriate laboratory environment at a college or university and get your techniques certified.


Scientists identify corn that fixes its own nitrogen, needing less fertilizer

The dripping gel from this corn plant harbors bacteria that convert atmospheric nitrogen into a form usable by the plant. Photo: Howard-Yana Shapiro

A public-private collaboration of researchers at the University of Wisconsin–Madison, the University of California, Davis, and Mars Inc., have identified varieties of tropical corn from Oaxaca, Mexico, that can acquire a significant amount of the nitrogen they need from the air by cooperating with bacteria.

To do so, the corn secretes copious globs of mucus-like gel out of arrays of aerial roots along its stalk. This gel harbors bacteria that convert atmospheric nitrogen into a form usable by the plant, a process called nitrogen fixation. The corn can acquire 30 to 80 percent of its nitrogen in this way, but the effectiveness depends on environmental factors like humidity and rain.

Scientists have long sought corn that could fix nitrogen, with the goal of reducing the crop’s high demand for artificial fertilizers, which have monetary, energy and environmental costs. Further research is required to determine if the trait can be bred into commercial cultivars of corn, the world’s most productive cereal crop.

Jean-Michel Ané

The findings were reported Aug. 7 in the journal PLOS Biology.

“It has been a long-term dream to transfer the ability to associate with nitrogen-fixing bacteria from legumes to cereals,” says Jean-Michel Ané, a professor of bacteriology and agronomy at UW–Madison and a co-author of the new study.

Legumes, such as beans, are the only group of crop plants previously known to acquire a significant amount of nitrogen through fixation, which they perform in specialized tissues called root nodules.

Howard-Yana Shapiro, the chief agricultural officer at Mars, a senior fellow in the Department of Plant Sciences at UC Davis and a co-author of the report, identified the indigenous varieties of corn in a search for cultivars that might be able to host nitrogen-fixing bacteria.

The corn is grown in the Sierra Mixe region of Oaxaca in southern Mexico, part of the region where corn was first domesticated by Native Americans thousands of years ago. Farmers in the area grow the corn in nitrogen-depleted soils using traditional practices with little or no fertilizer, conditions that have selected for a novel ability to acquire nitrogen. The biological materials for this investigation were accessed and utilized under an Access and Benefit Sharing Agreement with the Sierra Mixe community and with the permission of the Mexican government.

Nitrogen-fixing corn varieties secreting large amounts of sugar-rich gel as they grow in Madison, Wisconsin. Photo: Jean-Michel Ané

The corn is striking. Most corn varieties grow to about 12 feet and have just one or two groups of aerial roots that support the plant near its base. But the nitrogen-fixing varieties stand over 16 feet tall and develop up to eight or 10 sets of thick aerial roots that never reach the ground. Under the right conditions, these roots secrete large amounts of sugar-rich gel, providing the energy and oxygen-free conditions needed for nitrogen-fixing bacteria to thrive.

Establishing that plants are incorporating nitrogen from the air is technically challenging.

“It took us eight years of work to convince ourselves that this was not an artifact,” says Ané, whose lab specializes in studying and quantifying nitrogen fixation. “Technique after technique, they’re all giving the same result showing high levels of nitrogen fixation in this corn.”

The group used five different techniques across experiments in Mexico and Madison to confirm that the Sierra Mixe corn’s gel was indeed fixing nitrogen from the air and that the plant could incorporate this nitrogen into its tissues.

“What I think is cool about this project is it completely turns upside down the way we think about engineering nitrogen fixation,” says Ané.

The gel secreted by the corn’s aerial roots appears to work primarily by excluding oxygen and providing sugars to the right bacteria, sidestepping complex biological interactions. The research team was even able to simulate the natural gel’s effects with a similar gel created in the lab and seeded with bacteria. The simplicity of the system provides inspiration to researchers looking to identify or create more crop plants with this trait.

Nitrogen-fixing corn varieties secreting large amounts of sugar-rich gel as they grow in Madison, Wisconsin. Photo: Jean-Michel Ané

Breeding the trait into commercial cultivars of corn could reduce the need for artificial nitrogen fertilizers, which have a host of disadvantages. More than 1 percent of the world’s total energy production goes toward producing nitrogen fertilizer. Developed countries contend with waterways polluted by leaching nitrogen, while adequate fertilizer is often inaccessible or too expensive for farmers in developing countries. Corn that fixes some of its own nitrogen could mitigate these issues, but more research will be required.

“Engineering corn to fix nitrogen and form root nodules like legumes has been a dream and struggle of scientists for decades,” says Ané. “It turns out that this corn developed a totally different way to solve this nitrogen fixation problem. The scientific community probably underestimated nitrogen fixation in other crops because of its obsession with root nodules.”

“This corn showed us that nature can find solutions to some problems far beyond what scientists could ever imagine,” Ané says.

This story was originally published on the UW–Madison News site.


Nitrogen cycle for IGCSE Biology: Grade 9 Understanding 4.11B

I will make a blog post on each of the three “cycles” you need to know about for iGCSE. By far the most complicated is the Nitrogen cycle, so we might as well start there….

The first bit of understanding you need to is be clear the difference between how energy moves through an ecosystem and how matter (i.e. atoms) are exchanged between organisms and their environment. Energy in the ecosystems moves in a linear flow: there is no recycling of energy. The energy comes in at one end (in the producers through the process of photosynthesis) and is ultimately all lost as heat to the environment through the process of respiration. There is no possible way energy can be recycled. The “circle of life” that students like so much from Disney certainly does not apply here…. People find this idea very difficult to appreciate. All the time students will tell me that the energy in dead plants and animals goes into the soil and is then absorbed through the roots of plants: “it’s the circle of life sir” they earnestly tell me. And in the words of the late, great Amy Winehouse, I say “NO,NO,NO”…

Matter on the other hand is recycled through the ecosystem. The individual atoms that make up your body (H,O,C,N,S etc.etc,) have all been in other organisms and indeed will be again in the future. You took them in through your food and use these atoms to build the molecules that make up your cells. But ultimately all these atoms will leave your body either through metabolic processes or when you die and are decomposed. You could draw up a cycle for any of the atoms that are found in living things but your specification only requires you to understand two. How are carbon atoms cycled – the Carbon cycle – and how are nitrogen atoms cycled – the Nitrogen cycle. (You will also look at the Water cycle as well…..)

Things to understand about the Nitrogen Cycle:

1) Which molecules in living things contain nitrogen atoms?

Well the answer is fairly simple. Proteins are polymers of amino acids. Amino acids all contain an -NH2 group (amine group) and so Nitrogen is found in proteins. The bases in DNA (Adenine, Cytosine, Guanine and Thymine) are described as nitrogenous bases and so they contain nitrogen too.

2) Where are nitrogen atoms found in the ecosystem other than in the molecules of living organisms?

This is more complicated. Nitrogen gas makes up 78% of the atmosphere so clearly there is a lot of nitrogen in the air. In the soil, there will be urea from the urine of animals and urea contains nitrogen. There are also a range of ions found in the soil that contain nitrogen: the two most important are ammonium NH4+ and nitrate, NO3-. (I don’t know how to do subscript and superscript in WordPress and so you will have to excuse the rather ugly molecular formulae)

3) How do nitrogen atoms move from the abiotic (non-living) parts of the ecosystem and into the organisms?

There is only one way nitrogen atoms can move from the abiotic environment and into the organisms in an ecosystem. This is via plants that can absorb nitrate ions from the soil in their roots. This is a slight simplification but it will do at the moment. Look at the diagram above and find the arrow that shows assimilation of nitrates from the soil into plants.

4) How many different kinds of soil bacteria are involved in cycling nitrogen?

You need to know about dörd different kinds of bacterial that live in the soil that play a role in recycling nitrogen. Use the diagram above and your notes to describe the role each of these organisms play in the cycling of nitrogen atoms in the ecosystem.

  • Decomposers (Putrefying Bacteria)
  • Nitrifikasiya edən bakteriyalar
  • Nitrogen-Fixing Bacteria
  • Denitrifying Bacteria

I am off to have my supper: another post about these bacteria will appear here later tonight or tomorrow. Please don’t read it until you have tried to write down a paragraph on each of the four types of bacteria in the bullet point list above.


Displaced Cholera

It seems that many microbes once had a good purpose but have changed as a result of the Fall and now cause disease.

Cholera is a severe intestinal illness that humans get from contaminated water or food. It leads to severe diarrhea, shock, and even death. In its most virulent form, it can kill within three hours of infection. Cholera is caused by the bacterium Vibrio cholera, which produces a variety of toxins. Interestingly, most species related to Vibrio cholera grow harmlessly on the surface of practically all shelled ocean creatures and some fish. There they perform a valuable task: breaking down chitin, the main component of the hard outside shell, or exoskeleton, of crabs, shrimp, lobsters, and many other sea creatures. Without their help, oceans and beaches would be littered with billions of shells. The breakdown of chitin also returns precious nutrients like carbon and nitrogen back to the ocean.

Even more fascinating, some of the cholera components that are toxic to the human intestines are used to break down chitin. So creationists hypothesize that Vibrio cholera originally broke down chitin in the ocean, but after Adam’s Fall, God allowed them to spread beyond their proper place.

Disease-causing versions of Vibrio cholera may also have been genetically modified after the Fall. We have discovered that they have some extra DNA, apparently inserted by viruses, which allows the bacteria to produce toxin. Other types of cholera lack this DNA and are typically nontoxic.


Farmers Can Now Buy Designer Microbes to Replace Fertilizer

Bu məqaləni yenidən nəzərdən keçirmək üçün Profilimə daxil olun, sonra Saxlanmış hekayələrə baxın.

Wichan Nikhrothanon/EyeEm/Getty Images

Bu məqaləni yenidən nəzərdən keçirmək üçün Profilimə daxil olun, sonra Saxlanmış hekayələrə baxın.

Jake Misch’s family has been growing corn in the sandy soils of northwestern Indiana for four generations. Like other farmers in the area, the Misches spray their fields with a nitrogen-rich fertilizer once in the spring when the seeds are planted, and once later in the year, when the corn is going through its growth spurt. Fertilizing is essential to yielding a healthy harvest, but it’s expensive enough that he stresses about it, and, as he’s well aware, it’s not great for the planet.

Which is why next year, Misch is trying something new. In the spring he’ll douse his freshly furrowed corn seeds with a liquid probiotic for plants. As the seedlings grow, these special microbes will colonize their roots, forming hairy nodes and converting atmospheric nitrogen into a form that plants can use to turn sunlight into sugar. If all goes as planned, those little critters will produce 25 pounds of usable nitrogen for every acre of corn.

At least, that’s what Pivot Bio is promising. The Berkeley, California, biotech startup announced today its commercial launch of the first and only nitrogen-producing microbial treatment for US corn farmers. It’s not a complete and total replacement for fertilizer, but the product aims to reduce farmer’s reliance on it. Fertilizer production is a huge contributor to greenhouse gases. Once it’s on fields, it can leach into aquifers or run off into rivers, leading to toxic algae blooms. According to Pivot, if every corn farmer in the US followed Misch’s lead, it would be the environmental equivalent of removing one million cars from the road.

“We’re trying to create an ecological zeitgeist,” says Karsten Temme, CEO and cofounder of Pivot. The company also announced that it had raised $70 million in series B funding, led by Bill Gates’ Breakthrough Energy Ventures, an investment fund that aims to drastically cut greenhouse gas emissions.

Using underground microbes to solve modern agriculture’s biggest challenges is not an altogether new idea. Farmers have been lacing their fields with pest-killing bacteria for decades. But money only recently started flowing into Big Ag microbials. Startups like Pivot and Indigo Ag began hunting down useful organisms to turn into products in 2014. Last year, German biotech giant Bayer launched a $100 million joint venture with Ginkgo Bioworks, an organism-engineering outfit, to create self-fertilizing crops with the help of designer bacteria.

That company, now called Joyn Bio, is using every trick in the synthetic biology trade to engineer organisms that can do for corn and wheat what naturally occurring microbes do for legume crops like soybeans. It’s still two to three years from field testing its first product.

Pivot, on the other hand, saw a way forward with what nature had already provided. There were bacteria, they knew, that lived on corn roots, that had nitrogen-fixing genes encoded in their DNA. But because the process is so energy-expensive, those bacteria only flipped those genes when needed. And because farmers always plant in fertilized fields, those genes had gone dormant over the decades. Someone just had to turn them back on. “What we’re trying to do is actually reawaken this function that the microbe has had all along,” says Temme.

But first, they had to find ’em. To start, Pivot bought buckets of soil from farmers throughout the US corn belt. Into that soil, the company’s scientists planted young corn seedlings called “bait plants” because of the substances they excrete to attract beneficial bacteria. Think of it like agricultural Tinder the corn swipes right on microbes that make its life easier. Out of thousands of bugs that might be in the soil, the plant pulls out maybe a dozen or so. Then Pivot’s scientists grind up the roots and dab the mixture onto a plate of agar devoid of nitrogen. Anything that survives must be making its own.

Once they’ve got some good candidate bacteria, says Pivot scientist Sarah Bloch, they use gene editing tools to rewire their gene expression programs. The goal is to keep the nitrogen-fixing activity turned on, even in the presence of fertilizer. “We’ll take a promising strain and remodel it 100 different ways and test all those approaches to see which one is best,” she says. Sometimes, big breakthroughs come from surprising places. The strain that makes up Pivot’s first product, which will be available to farmers in select states for the next growing season, came from land in Missouri belonging to Bloch’s father.

“A lot of our early samples came from people we know—friends and family,” says Bloch. “It just turned out that we hit the jackpot on my dad’s sample.”

That product was tested in five generations of small field trials before going into larger trials this summer. Pivot worked with twenty-five farmers across the US to each grow a few acres using the liquid probiotic treatment. The harvest has yet to come in, and the data with it, but farmers like Misch are already excited. He learned on Twitter that an associate of his was participating in the trial, so Misch stopped by his farm to walk the test rows last week. What he saw convinced him to sign up to be Pivot’s first customer in Indiana. “If you go back 10 years, biologics get a mixed review from farmers,” says Misch. “These are living organisms and they act with every environment differently, but the science has come a long way.” The way Misch crunches the numbers, using this kind of probiotic plant treatment could save him $20 an acre, or about a third of his current annual nitrogen investment.

Is it enough to save the planet? Bəlkə yox. But at least it's a step in the right direction.


Videoya baxın: AZOT GÜBRƏSİNİ TAXILLARA PAYIZDA TOXUMLA BİRLİKDƏ SƏPMƏK OLARMI? (Oktyabr 2022).