تحلل البروتين ومصير الأحماض الأمينية

نواتج تحلل البروتين

• في الظروف الهوائية، تتضمن نواتج تحلل البروتين الأمونيا، ثاني أكسيد الكربون، الماء، وكبريتيد الهيدروجين (H2S).
• في الظروف اللاهوائية، يصاحب التحلل روائح كريهة ونواتج مثل: الأمونيا، الأمينات، الأحماض العضوية والأمينية، H2S، ثاني أكسيد الكربون، ومركبات كبريتية كالمركبتان والسكاتول.
• يتحلل البروتين على مراحل: بروتين ← بروتيوز ← ببتيدات ← أحماض أمينية

مصير الأحماض الأمينية الناتجة عن التحلل

• جزء من الأحماض الأمينية تستهلكه الميكروبات غير الذاتية التغذية كمصدر للنيتروجين والكربون.
• الجزء المتبقي يتحلل بتأثير بعض الميكروبات الأخرى.
• تتعرض الأحماض الأمينية للتحلل الميكروبي بطرق عديدة حسب ظروف التربة والميكروبات، مثل نزع مجموعة الأمين أو مجموعة الكربوكسيل.
• الأمونيا المتكونة قد تتطاير أو تذوب في التربة لتكوين 4+NH، أو تتأكسد إلى نترات تستخدم في تغذية النبات والميكروبات.

تعريف التازت (النترتة)

• عبارة عن أكسدة الأمونيا إلى نترات بواسطة ميكروبات التربة.
• يتم بتحويل الأمونيا المتجمعة إلى نترات عن طريق الأكسدة في التربة.
• يتم في مرحلتين بواسطة مجموعات متخصصة من البكتيريا.
• تكون البكتيريا المستخدمة هوائية، ذاتية التغذية، وسالبة لصبغة جرام، ذات أشكال مورفولوجية متنوعة وبطيئة النمو.
• تحصل البكتيريا على الطاقة اللازمة لها من عملية الأكسدة.

أنواع أكسدة الأمونيا

• أكسدة الأمونيا إلى نتريت: بواسطة بكتيريا مؤكسدة للأمونيا مثل Nitrosomonas و Nitrosococcus: ‏‎2NH3 + 3 O2 → 2HNO2 + 2 H2O + Energy.
• أكسدة النتريت إلى نترات: بواسطة بكتيريا مؤكسدة للنتريت مثل Nitrobacter، ‏‎2HNO2 + O2 → ‏‎2HNO3 + Energy.
• النتريت المتكون في الخطوة الأولى سام للنبات ولكنه يتحول بسرعة إلى نترات مفيدة.

فقد النيتروجين من التربة

• يحدث الفقد بواسطة أنواع عديدة من البكتيريا ذاتية وغير ذاتية التغذية عن طريق إفراز إنزيمات.
• النيتروجين يفقد من التربة إما بطريقة بيولوجية مثل انطلاق النيتروجين واختزال النترات أو بطريقة غير بيولوجية مثل التطاير في مياه الصرف.
• انطلاق النيتروجين: عملية يتم فيها اختزال النترات اختزالًا كاملاً إلى نيتروجين غازي
• اختزال النترات يحدث في غياب الأكسجين حيث تعمل النترات كمستقبل للهيدروجين، ويتم اختزال النترات إلى أمونيا، وهي عكس عملية التازت.

تثبيت النيتروجين الجوي

• تحتاج الكائنات الحية إلى عنصر النيتروجين في تركيب الأحماض الأمينية، البروتينات، والمادة الوراثية.
• غاز النيتروجين (N2) يمثل 78% من الغلاف الجوي، لكن معظم الكائنات الحية لا تستطيع استخلاصه مباشرة.
• يمكن للكائنات استخدام النيتروجين إذا تحول من صورته الغازية الخاملة إلى أيونات الأمونيوم (+NH4) أو النترات.
• هذه العملية تسمى تثبيت النيتروجين، ويمكن أن تتم بالطرق التالية.

طرق تثبيت النيتروجين: التثبيت الحيوي

• تعيش بكتيريا تثبيت النيتروجين (الريزوبيوم) في عقد على جذور البقوليات كالفول والحمص والعدس.
• تستطيع هذه البكتيريا تحويل غاز النيتروجين الجوي إلى أيون الأمونيوم (+NH4)، ثم تحويل الأمونيوم إلى أيونات النتريت (-NO2) باتحاد الأمونيا مع الأكسجين.
• أخيرًا، تقوم بكتيريا أخرى بتحويل النتريت إلى نترات (-NO3).
• النترات هي المادة التي تمتصها النباتات الخضراء عبر جذورها وتستخدمها في بناء مركباتها العضوية النيتروجينية.
  • تسمى هذه العلاقة بين البكتيريا العقيدية والبقوليات بالمعيشة التكافلية.
• تستفيد البقوليات من النيتروجين الذي تثبته البكتيريا، وتستفيد البكتيريا من المواد الغذائية (الطاقة) والماء الذي توفره جذور البقوليات.
• استغل المزارعون هذه العلاقة فيما يعرف بالدورات الزراعية، حيث تزرع الأرض بالبقوليات لإغنائها بالنيتروجين بدلاً من إضافة الأسمدة.
• في بعض الحالات، تعيش بكتيريا تثبيت النيتروجين معيشة تكافلية مع بعض الحيوانات المجترة في أمعائها، حيث تزود البكتيريا الحيوانات بنصف احتياجها من النيتروجين والنصف الآخر يأتي من بروتين النباتات الخضراء التي تتناولها.
• في المقابل، تحصل البكتيريا على الغذاء من المواد العضوية في معدة الحيوان، وتساعد أيضًا في هضم المركبات العضوية النباتية كالأنسجة الخشبية.

التثبيت الجوي (طرق تثبيت النيتروجين)

• يمكن للطاقة الكبيرة الناتجة عن البرق والصواعق أن تحول غاز النيتروجين إلى ثاني أكسيد النيتروجين (NO2) ثم إلى نترات (NO3).
• تصل النترات إلى سطح الأرض مع الأمطار وتصبح متاحة للنباتات.
• كمية النيتروجين المثبتة بهذه الطريقة قليلة مقارنة بالتثبيت الحيوي.

التثبيت الصناعي (طرق تثبيت النيتروجين)

• يتم في مصانع الأسمدة الكيميائية.
• يتم إنتاج مركبات الأمونيوم أو النترات، والتي تعتبر المكونات الرئيسية للأسمدة النيتروجينية.
• الأسمدة قد تكون نيتروجينية فقط، أو نيتروجينية فوسفاتية، أو نيتروجينية فوسفاتية بوتاسية.
  • تحتوى الأخيرة على العناصر الغذائية الرئيسية الثلاثة.
• تستخدم كميات كبيرة من الأسمدة في الزراعة المكثفة.
• جزء من السماد النيتروجيني (مثل النترات) يخرج مع مياه الري الزائدة ويصل إلى مصادر المياه السطحية أو الجوفية، مما يلوثها.
• وفقًا للإرشادات الصادرة عن منظمة الصحة العالمية، يجب ألا تتجاوز النترات في مياه الشرب 45 ملغ/لتر.
• النترات قد تصل إلى مصادر المياه من المياه العادمة أيضاً.
• قياس تركيز النترات في المياه يعد إحدى الطرق المستخدمة للكشف عن تلوث المياه.

التثبيت الحيوي للنيتروجين

• تثبيت النيتروجين الحيوي يحول النيتروجين الغازي في الغلاف الجوي إلى نيتروجين عضوي في المركبات النيتروجينية العضوية.
• تتخصص الكائنات الحية الدقيقة في اختزال النيتروجين الجوي إلى NH3 في الظروف العادية من الضغط ودرجة الحرارة.
• تلعب الكائنات الدقيقة دورًا هامًا في تحديد طبيعة دورة النيتروجين في الأرض من خلال التحكم في تحويل جزيئات النيتروجين الجوي إلى نيتروجين عضوي.
• هذه الطريقة من أهم طرق زيادة محتوى الأراضي من النيتروجين.
• تتم عملية التثبيت عندما يختزل إنزيم النيتروجينيز (Nitrogenase) النيتروجين الجوي داخل الكائنات الدقيقة، و يحتاج إلى طاقة من مركب أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).
• يبدأ الاختزال باتحاد الإنزيم مع جزيء النيتروجين (N2) الذي يختزل عبر خطوات باكتساب أيونات الهيدروجين من حمض البيروفيك، و يحتاج التفاعل لمساعدات إنزيمية مثل الموليبدينوم والكوبالت.

تقسيم طرق التثبيت الحيوي للنيتروجين

• التثبيت غير التكافلي للنيتروجين: تقوم به كائنات حرة المعيشة في التربة الزراعية (غير تكافلية)، سواء وُجد النبات أم لا. بعضها ينشط بوجود النبات وإن لم يعتمد عليه، وفي هذه العملية يتحول النيتروجين الغازي بواسطة هذه الكائنات إلى نيتروجين عضوي داخل أجسامها، وبعد موت هذه الكائنات وتحللها يتحول إلى نيتروجين ميسر للنبات.

أنواع التثبيت غير التكافلي للنيتروجين

• البكتيريا الهوائية من جنس Azotobacter: تنتشر في أنواع الأراضي ماعدا الحامضية ذات رقم pH أقل من 6.
• البكتيريا غير الهوائية من جنس Clostridium: تختلف عن الأزوتوباكتر في قدرتها على تثبيت النيتروجين في الأراضي الحامضية ذات رقم pH أقل من 6.
• الطحالب الخضراء المزرقة (Blue-green algae) من أجناس Nostoc، Anabaena، و Gloecapsa: توجد في ظروف بيئية واسعة المدى وتحتاج في غذائها إلى الماء، الضوء، النيتروجين الحر (N2)، ثاني أكسيد الكربون (Co2) وأملاح تحتوى على العناصر المعدنية الأساسية وتلعب دورًا هامًا في إمداد مزارع الأرز بالنيتروجين.
• التثبيت التكافلي للنيتروجين (Symbiotic N2 Fixation): يتم بواسطة كائنات أرضية دقيقة متخصصة، مثل البكتيريا ذات التكافل (Symbiosis) في معيشتها داخل العقد الجذرية للعديد من النباتات البقولية، وتوجد أيضًا في جذور نباتات عشبية وأشجار عديدة. ومن هذه الكائنات بكتيريا .Rhizobium sp التي تعيش مع جذور البقوليات والتي يطلق عليها "بكتيريا العقد الجذرية". لهذا النوع أهمية كبيرة في تثبيت النيتروجين الجوي.
• بكتيريا خيطية من جنس Frankia sp مثل Actinomycete تعيش في جذور نباتات غير بقولية كالكسوارينا والحور.
• بعض الطحالب الخضراء المزرقة (blue-green algae) تستطيع أن تقيم علاقة تكافلية مع بعض الفطريات، حيث تقوم الطحالب الخضراء المزرقة بإمداد الفطر بحاجته من النيتروجين المثبت من الجو.

أهمية التثبيت بواسطة بكتيريا الريزوبيم

• يعتبر التثبيت التكافلي للنيتروجين بواسطة بكتيريا الريزوبيم أمرًا هامًا جدًا في الزراعة لإمداده النباتات البقولية بمعظم احتياجاتها من النيتروجين.

أنواع بكتيريا الريزوبيم وتخصصها

• هناك العديد من بكتيريا الريزوبيم القادرة على تكوين عقد على جذور النباتات البقولية.
• هناك تخصص بين أنواع بكتيريا الريزوبيم، حيث توجد أنواع معينة متخصصة في الارتباط بمجموعة معينة من النباتات البقولية دون الأخرى.
• يعتمد نجاح البكتيريا في تثبيت النيتروجين على هذه العلاقة التخصصية بين البكتيريا والعائل البقولي المناسب لها.

شروط تثبيت النيتروجين في البقوليات

• تثبيت البقوليات للنيتروجين يكون في أشده فقط عندما يكون مستوى النيتروجين الميسر في التربة قليلًا.
• يُنصح بإضافة كمية قليلة من النيتروجين مع الأسمدة إلى المحاصيل البقولية عند الزراعة لتوفير كمية كافية للبادرات الصغيرة حتى يتمكن الريزوبيم من المعيشة على جذورها.

العوامل التي تؤثر على معدل تثبيت النيتروجين الحيوي

• pH: تنخفض كفاءة التثبيت بانخفاض الرقم الهيدروجيني (pH) للتربة، حيث تكون بكتيريا الريزوبيوم حساسة للحموضة.
• محتوى التربة من النيتروجين: يقل معدل التثبيت بزيادة محتوى التربة من النيتروجين الميسر.
• توفر العناصر الغذائية: يزداد معدل التثبيت بتوفر كميات مناسبة من العناصر (P, Ca, K) في صورة ميسرة.
• العناصر النادرة: تعتبر عناصر الموليبدينوم والكوبالت ضرورية لكل أنواع البكتيريا المثبتة للنيتروجين، ويزداد معدل التثبيت بزيادة محتوى التربة من هذه العناصر.
• الحالة الغذائية للنباتات: تؤثر الحالة الغذائية للنباتات البقولية على معدل التثبيت، حيث يزداد المعدل بزيادة التمثيل الضوئي في النبات وتوفر الكربوهيدرات التي تعطي للبكتيريا.

أهمية عملية التثبيت البيولوجي

• من خلال عملية التثبيت البيولوجي للنيتروجين، يتحول هذا العنصر إلى صورة عضوية بتحويله إلى أحماض أمينية وبروتينات.
• تعتبر هذه العملية نقطة البداية لتراكم النيتروجين في الأراضي الزراعية على صورة مركبات عضوية.

دورة الكبريت

• تتشابه التحولات التي تقوم بها الميكروبات في دورة الكبريت من حيث المعدنة، الأكسدة، والاختزال مع تلك التي تقوم بها الميكروبات في دورة النيتروجين.

التحولات البيوكيميائية في دورة الكبريت

• تقوم بعض أنواع البكتيريا بأكسدة الكبريت المعدني (صورة غير صالحة لتغذية النبات والحيوان) إلى كبريتات (صورة صالحة للتغذية).
• تتحول الكبريتات إلى أحماض أمينية كبريتية تدخل في تركيب البروتين وتقوم الميكروبات بمعدنة الكبريت العضوي في عملية تشبه النشدرة في دورة النيتروجين حيث تفرز إنزيمات تحلل البروتين مع انفراد الأحماض الأمينية التي تتحلل وينفرد منها الكبريت.
• تختزل الكبريتات إلى كبريتيد الهيدروجين بواسطة ميكروبات الأراضي التي أغلبها بكتيريا لا هوائية تنشط في قاع البرك والبحيرات.
• يتأكسد كبريتيد الهيدروجين الناتج من اختزال الكبريتات وتحلل الأحماض الأمينية إلى كبريت بواسطة البكتيريا اللاهوائية الخضراء والأرجوانية الممثلة للضوء.

ميكروبيولوجيا الأغذية

• ترتبط الميكروبات بكل الأغذية مسببة لها تغيرات قد تكون مفيدة وقد تكون غير مرغوب فيها.
• أنواع الميكروبات في الأغذية:نوع يعمل على تحلل الأغذية وفسادها: وتنتقل الميكروبات المرضية عن طريق الأغذية فتسبب أمراضا للمستهلك او تفرز سموما وتسبب تسممات غذائية.
• تستخدم الميكروبات في اعداد وتجهيز بعض الأغذية: كالخبز وفي صناعة الألبان وفى انتاج المخللات والمشروبات الكحولية.

مصادر تلوث الغذاء

• الهواء - المياة - الحشرات - اثناء التداول – النقل - معاملات التصنيع.

كيفية تلوث الخضروات والفاكهة

• تتعرض للتلوث بالبكتريا والفيروسات و الفطريات ومدى الفساد يتوقف على إصابة الأنسجة الداخلية بالميكروبات أثناء النمو النبات وعند الحصاد اليدوى او الالى واثناء التداول.
• ذلك يسبب جروحا وتمزق للأنسجة فيسهل دخول الميكروبات إلى الأنسجة الداخلية.
• الخضر أكثر ملاءمة للإصابة بالبكتريا، أما الفواكه فهي ذات حموضة اعلى من الخضر ولذلك فهي أكثر تعرضا للإصابة بالفطريات.

تلوث اللحوم

• تتعرض أنسجة اللحوم الداخلية للتلوث عن طريق التقطيع، الوسط المحيط، أثناء النقل والتداول، وأثناء نزع الأحشاء الداخلية الغنية بالميكروبات.
• تركيب اللحوم يناسب نمو البكتريا ومن البكتريا الشائع وجودها في اللحم.

الأسماك والأغذية البحرية

• الطبقة اللزجة الخارجية للأحياء البحرية غنية بالميكروبات المرضية وتنتقل الى الداخل عن طريق التنظيف ونزع الأحشاء الداخلية
• التلوث يزداد عندما تكون المياه ملوثة بمخلفات المجارى وبذلك تكون وسيلة لنقل الميكروبات المرضية مثل البكتريا التي تسبب الاضطرابات المعوية والفيروسات التي تسبب الالتهاب الكبدى الوبائي وشلل الأطفال.

تلوث البيض

• المحتويات الداخلية للبيض السليم خالية من الميكروبات وتدخل الميكروبات عن طريق شروخ القشرة التي تحدث أثناء التداول والنقل والتخزين، ومن الثقوب الموجودة بالقشرة الكلسية التي تتفتح بسبب بلل البيض أو غسيله بالماء.