Почти весь азот, попадающий в почву в процессе азотфиксации, а также азот растительных и животных тканей, зеленых удобрений, навоза, гумуса содержится в органических белковых соединениях - до 99 % от всего запаса азота в почве. Однако этот азот не может усваиваться растениями. Им необходим минеральный азот. И только благодаря деятельности микроорганизмов - бактерий, актиномицетов и грибов - в почве и воде постоянно происходит разложение органических азотистых соединений на более простые вещества, в результате чего выделяется аммиак. Этот процесс, получивший название аммонификации, представляет собой второй этап цикла азота.
Аммонификации подвергаются вещества самой разнообразной структуры - белковые соединения, аминосахара, нуклеиновые кислоты, алкалоиды, мочевина и другие, причем освобождающийся аммиак расходуется по-разному. Часть его адсорбируется в обменных реакциях почвы, часть используется гетеротрофными микроорганизмами и превращается в белки их тел; некоторое количество аммиака окисляется автотрофами до нитритов и нитратов; или же он может остаться в свободном состоянии и выделяться в атмосферу.
В аммонификации принимают участие многие микроорганизмы, включая неспорообразующие бактерии, бациллы, актино- мицеты, микроскопические грибы. В зависимости от стадии минерализации органического вещества доминирует те или другие представители. Активными возбудителями процесса являются
бактерии родов Pseudomonas и Bacillus. В развитии аммонификации наблюдается определенная закономерность, характеризующаяся последовательной сменой доминирующих групп микроорганизмов.
Аммонификацию свежего материала начинают неспорообразующие бактерии в ассоциации с некоторыми микроскопическими грибами. По мере потребления легкодоступных соединений развитие их замедляется, численность снижается. Доминирующие положение начинают занимать бациллы. Они производят расщепление более сложных соединений. Однако исчерпание данных соединений и появление гумуса благоприятствует развитию актиномицетов, которые в значительной мере сдерживают развитие бацилл. В микробоценозе численность актиномицетов не уступает численности бацилл. Завершают процесс минерализации органического вещества мицелиальные грибы.
Химизм аммонификации состоит в следующем. Расщепление молекулы белка начинается с процесса гидролиза, осуществляемого внеклеточными гидролитическими ферментами, выделяемыми аммонификаторами. В результате образуется более простые продукты: белок —» пептоны —gt; пептиды —gt; аминокислоты. Аминокислоты ассимилируются бактериями как источники питания, и под действием внутриклеточных ферментов дезаминаз от них отщепляется аммиак - конечный продукт аммонификации. Чаще всего наблюдается гидролитическое и окислительное дезаминирование, реже - дезаминирование, приводящее к образованию ненасыщенных соединений; для анаэробных условий характерно восстановительное дезаминирование.
Кроме аммиака, продуктами дезаминирования аминокислот могут быть органические кислоты, а при сочетании с декарбокси- лированием - спирты и углеводороды.
Так, при окислительном дезаминировании глутаминовой кислоты глутаматдегидрогеназой образуются а-кетоглутаровая кислота и аммиак:

Аспарагиновая кислота дезаминируется аспартазой и дает фумаровую кислоту:

Гидролитическому дезаминированию подвергаются многие аминокислоты. Реакция идет по схеме:

Восстановительное дезаминирование приводит к образованию жирных кислот:

Дезаминированию подвергаются вещества и небелковой природы. Многие бактерии в качестве источника азота используют мочевину. Расщепление мочевины осуществляется гидролитическим путем с участием фермента уреазы:

Аммонификация мочевины, как и белковых веществ, имеет положительное значение для обеспечения бактерий и растений аммонийным азотом.
Наряду с дезаминированием может происходить и декарбоксил ирование аминокислот. Обычно в кислой среде наблюдается декарбоксилирование, в щелочной - дезаминирование. Обе ферментные системы - дезаминаз и декарбоксилаз - действуют как механизмы нейтрализации среды, в результате чего pH поддерживается на уровне, обеспечивающем нормальную жизнедеятельность клетки. При декарбоксилировании аминокислот образуются первичные
амины, такие, как кадаверин, путресцин (трупные яды), и выделяется углекислый газ (рис. 12.7).

Рис. 12.7. Схема аммонификации белков

5. Нитрификация

Аммиак и аммонийные соли, образующиеся в процессах аммонификации, подвергаются в почве и водоемах окислению в соли азотистой (нитриты), и затем азотной кислоты (нитраты). Процесс окисления аммиака и аммиачных солей до азотной кислоты называется нитрификацией. Сущность процесса нитрификации была выяснена в классических исследованиях С. Н. Виноградского.
В 1891 г. он выделил возбудителей нитрификации в чистую культуру и показал, что процесс нитрификации является двухфазным и осуществляется различными видами бактерий.
В первую фазу через ряд промежуточных звеньев происходит окисление аммиака до нитритов:

Освобожденная при этом энергия обусловливают развитие нитрифицирующих бактерий. Возбудителями первой фазы нитрификации являются бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus (рис. 12.8 (I)). Они различаются по морфологии и упорядоченности внутриклеточных мембран, тонкая структура которых была описана Ж. Ватсоном в 1971 г. Наиболее значимым в процессе нитрификации является род Nitrosomonas. Бактерии этого рода имеют палочковидную палочковидную форму размером 1,5x1 мкм. Они грамотрицательны, подвижны, спор не образуют.
Для второй фазы характерно окисление нитритов до нитратов:

Возбудителями второй фазы нитрификации являются бактерии родов Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina. Представители рода Nitrobacter - мелкие (lx 0,8 мкм) овальные грамотрицательные палочки (12.8(H)).
Как и возбудители первой фазы, это типичные хемоавтолитотрофы, т. е. они развиваются на чисто минеральных средах, используя для синтеза органических веществ энергию реакций окисления нитритов, а углерод - из углекислого газа.
Нитрификаторы являются облигатными аэробами. Оптимальная температура их развития равна 28-30° С. Нитрифицирующие бактерии очень специфичны в отношении окисляемого субстрата. Nitrosomonas окисляет только аммиак, a Nitrobacter - только соли
азотистой кислоты. Ни один из этих организмов не может использовать в качестве источника энергии соединения серы или органические вещества. Единственным источником углерода для них являются углекислота и карбонаты .
Кроме типичных нитрифи- каторов многие гетеротрофные бактерии родов Pseudomonas, Xantho- monas, Arthrobac- ter, Bacillus способны окислять аммиак и другие восстановительные соединения азота
до нитритов и нитратов. Этот тип нитрификации получил название гетеротрофной. В отличие от нитрификации, осуществляемой бактериями Nitrosomonas и Nitrobacter, гетеротрофная нитрификация не является источником энергии для бактерий.
Гетеротрофная нитрификация широко распространена в природе, особенно там, где аммиак образуется в условиях высокого содержания органического вещества, например, в компостах, сточных водах. Образование нитратов параллельно окислению органического вещества.