Под нитрификацией понимают процессы окисления аммиака до нитрита и нитрата. Превращение аммиака в нитрит и нитрат идет в две фазы и вызывается главным образом бактериями двух родов (нитрифицирующие бактерии):
Nitrosomonas: NH4 + 1 1/2O2 = NO2 + 2H + H2O;
Nitrobacter: NО2 + 1/2О2 = NO3
Энергию, возникающую при окислении аммиака и нитрита, бактерии используют для ассимиляции углекислого газа. Микроорганизмы, осуществляющие этот процесс, относятся к хемолитоавтотрофам и являются облигатными аэробами.
Для выявления бактерий первой фазы нитрификации и определения относительной плотности населения их в почве, используют метод Виноградского на гелевых пластинах.
Промытые, прокипяченные чашки Петри с кремнекислым гелем пропитывают 3—5 мл питательной среды следующего состава (в г на 200 мл дистиллированной воды):
(NH4)2SO4 - 2,0; К2НРO4 - 1,0; MgS04 - 0,5; NaCl - 0,4; FeSO4 - 0,4; MgCO3 или CaCO3 - 5,0.
При этом MgCO3, СаСO3 перед приготовлением среды растирают пестиком в стерильной ступке.
Питательную среду в чашках упаривают (при 40 - 50°С) до образования белой блестящей эмалевой поверхности, возникающей за счет равномерного распределения слоя MgCO3 или СаСO3.
Оба эти слоя служат индикаторами процесса нитрификации, так как в тех местах на геле, где развиваются эти бактерии, появляются зоны растворения карбонатов, в которых и обнаруживают нитрифицирующие бактерии.
По эмалевой поверхности пластины раскладывают определенное число комочков свежей почвы. Для этого берут два часовых стекла, стерилизуют их (фламбиро-ванием), затем в одно часовое стекло помещают почву, а в другое наливают дистиллированную воду. Палочкой с оттянутым концом (предварительно ее слегка проводят над огнем и смачивают водой) захватывают комочек почвы (диаметр 1 - 2 мм) и по трафарету помещают на поверхность эмалевой пластины.
Чашки помещают во влажную камеру и ставят в термостат при температуре 28—30°С. Через некоторое время в зависимости от активности нитрифицирующих бактерий (спустя 7, 14, 21 день) вокруг отдельных комочков почвы появляются зоны растворения мела, свидетельствующие об обрастании комочков почвы нитрифицирующими бактериями. Чашки вынимают и подвергают анализу: определяют процент обрастания комочков почвы нитрифицирующими бактериями, изучают по морфологии их представителей и продукты жизнедеятельности.
Для изучения процента обрастания комочков почвы сначала подсчитывают общее число комочков почвы, разложенных на чашке, и принимают их за 100%. Затем подсчитывают число комочков почвы, давших зоны растворения мела, и высчитывают, какой процент они составляют от общего числа комочков почвы. Эта величина не показывает абсолютное количество этих бактерий в почве. Однако если сопоставить процент обрастания ими комочков разных почв, то этот показатель позволит судить о том, какая почва более богата нитрифицирующими бактериями.
Чтобы познакомиться с продуктами жизнедеятельности бактерий первой фазы нитрификации, надо чистым ланцетом вырезать по три кусочка геля из зон растворения мела и с мест, в которых мел не растворился, поместить эти кусочки изолированно в лунки белой фарфоровой пластины или в фарфоровые чашки. Сначала делают пробы с кусочками геля с контрольных участков (где мел не растворился). Пробу делают на аммиак с реактивом Несслера; гель приобретает желтовато-оранжевую окраску, что свидетельствует о присутствии аммиака. Затем пробу делают на нитрит с реактивом Грисса или цинк-йод-крахмалом, добавляя каплю 10%-ной серной кислоты; гель остается без изменения, что указывает на отсутствие нитрита.
Аналогичные пробы делают с кусочками геля, взятыми из зон растворения мела (или MgCO3). В этом случае реакция на аммиак с реактивом Несслера отрицательная (гель не окрашивается). Реактив Грисса окрашивает его в красный цвет, а с циик-йод-крахмалом в кислой среде гель окрашивается в темно-синий цвет, что свидетельствует о появлении азотистой кислоты.
Для знакомства с возбудителями первой фазы нитрификации из зон растворения мела берут иглой немного материала и готовят окрашенный препарат. При его микроскопировании можно обнаружить овальные клетки, похожие на нуль, - Nitrosomonas и Nitrosospira. Первые встречаются в старопахотных почвах, вторые - в целинных. В почвах Европы чаще встречаются Nitrosomonas europea.
Микроорганизмы, вызывающие вторую фазу нитрификации, можно наблюдать на чашках с культурой первой фазы при более длительном стоянии их. После исчезновения аммиака образовавшийся нитрит может окисляться до нитрата. В этом легко убедиться по исчезновению нитрита и появлению нитрата. Для этого вырезают чистым ланцетом два кусочка геля, помещают их в фарфоровые лунки и об исчезновении нитрита судят по отрицательной реакции с реактивом Грисса или цинк-йод-крахмалом в кислой среде. С другим кусочком геля делают пробу на нитрат с дифениламином в растворе крепкой верной кислоты. В присутствии азотной кислоты гель приобретает темно-синий цвет (реакцию на нитрат с дифениламином делают только в отсутствие нитрита). В препарате, приготовленном из мест растворения мела, взятого с поверхности чашки, в этот период можно обнаружить возбудителей второй фазы нитрификации — мелкие, слегка искривленные и угловатые клетки Nitrobacter.
В связи с тем что коэффициент полезного действия хемосинтеза у нитрифицирующих бактерий очень низкий, рост клеточной массы их незначителен, и в препаратах, приготовленных обычным способом, они не всегда обнаруживаются или обнаруживаются с трудом.
Для выявления нитрифицирующих бактерий обеих фаз из культуры на гелевых пластинах разработан прием (Е. 3. Теппер), который дает весьма удовлетворительные результаты. В чашку, в которой прошли процессы нитрификации, осторожно вливают дистиллированную воду, бактерии при этом собираются на поверхности воды. Если к поверхности воды прикоснуться чистым обезжиренным предметным стеклом, то на нем остаются нитрифицирующие бактерии. После сушки и фиксации препарата его красят фуксином и рассматривают под микроскопом с иммерсионной системой.
В препаратах из чашек, в которых прошли первая и вторая фазы нитрификации, можно легко обнаружить представителей обоих родов нитрифицирующих бактерий и нх спутников, в частности бактерии рода Bactoderma, всегда сопровождающие вторую фазу нитрификации.
Для специального наблюдения за процессом второй фазы нитрификации опыт также можно ставить на гелевых пластинах. Их пропитывают 2 - 3 мл питательной среды следующего состава (в г на 200 мм дистиллированной воды):
NaNO2 - 1,0; Na2CO3 (безводный) - 1,0; NaCl - 0,5; K2HPO4 - 0,5; MgS04 - 0,5; FeSO4 - 0,4.
Среду упаривают при 50°С до исчезновения свободной воды и по поверхности геля, как в предыдущем опыте, раскладывают комочки почвы. Затем после 20 - 30 дней инкубации при 28 - 30°С анализируют, как и в предыдущем опыте.