5. Биологическая фиксация молекулярного азота.

Биологическая фиксация азота имеет большое зна­чение в повышении плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур, а также в экономии ми­неральных удобрений. Впервые азотфиксирующий мик­роорганизм был выделен в чистую культуру Н. С. Виноградским (1893). Это был анаэробный, спорообразующий, палочковидный азотфиксатор — C. pasteurianum. Позже, в 1901г., голландский микробиолог М. Бейеринк открыл аэробную азотфиксирующую бактерию рода Azotobacter .

За последнее время способность фиксировать молекулярный азот выявлена у многих других видов бактерий, многочисленных водорослей и ряда поч­венных грибов.

Известны две основные группы азотфиксирующих бактерий: свободноживущие в почве и симбиотические.

Из свободноживущих в почве азотфиксирующих бактерий наибольший интерес представляют бактерии рода Clostridium и Azotobacter.

C. pasteurianum — крупные толстые палочки длиной 1,5—8,0 мкм с перитрихально расположенными жгутиками, облигатные анаэробы. После образования спор клетка утолщается в середине или на конце клет­ки и принимает форму веретена. В качестве источника углеродного питания C. pasteurianum может ис­пользовать моносахариды, дисахариды, некоторые поли­сахариды и органические кислоты. На 1 г сброженного сахара этот микроб может связывать до 10—12 мг азо­та. Бактерии этого рода для азотного питания могут использовать соли аммония, нитраты, а при дефиците азота усваивают молекулярный азот.

Способностью фиксировать атмосферный азот обладают и другие виды рода Clostridium (C. pectinovorum, C. felsineum, C. butyricum).

После открытия М. Бейеринком аэробного азотфиксатора — Azotobacter chroococcum, связывающего моле­кулярный азот, был описан ряд других видов из рода Azotobacter: A. beierinckii, A. agile.

Размеры клеток азотобактера колеблются в пределах 2,0—7,0 × 1.0—2,5 мкм, в молодом возрасте они палочковидные, под­вижные, а затем превращаются в крупные кокки-, по­крываются капсулой и продуцируют пигмент. Все виды азотобак­тера — аэробы, гетеротрофы. Они могут ассимилировать азот из солей аммония, нитритов, нитратов и аминокис­лот, а при отсутствии связанных форм азота фиксируют молекулярный азот.

В качестве источника углерода азотобактер исполь­зует различные сахара (гексозы, пентозы), одноатом­ные и многоатомные спирты (метиловый, этиловый, бутиловый, глицерин) и органические кислоты (уксус­ную, масляную и др.).

Встречается азотобактер лишь в почвах с рН от 5,8 до 8,5. Оптимальная температура для его развития 28°С. По данным М. В. Федорова, усвоение сво­бодного азота азотобактером осуществляется при уча­стии фермента нитрогеноксидазы.

Для нормального роста клеток и фиксации молеку­лярного азота азотобактер нуждается в фосфоре, каль­ции, сере, железе, калии и некоторых микроэлементах, особенно в молибдене или боре.

В теле азотобактера фиксированный молекулярный азот аккумулируется в виде белковых соединений. От­мирая в почве, клетки минерализуются, и накопленный в них азот становится доступным растениям.

Азотобактер синтезирует также ростовые вещества (типа ауксинов), стимулирующие рост и развитие рас­тений витамины (биотин, инозит, тиамин, пиридоксин и др.). Особенно активно азотобактер размножается в высокоплодород­ных влажных почвах, а при дефиците увлаж­нения большинство клеток отмирает.

В последнее время установлено, что мно­гие почвенные микро­организмы также обла­дают способностью свя­зывать атмосферный азот. Так, описаны азотфиксаторы из се­мейств Pseudomonadaceae, Spirilaceae, Rhizobiaceae, Enterobacteriaceae и др.

Азотфиксирующая способность установлена и у некоторых ми- кробактерий, актиномицетов, проактиномицетов и у отдельных грибов. Функция азотоусвоения широ­ко распространена и среди сине-зеленых водорослей. К настоящему времени такая способность зарегистриро­вана почти у 40 видов этих организмов. Это различные виды родов Anabaena, Nostos, Calothrix и др.

Симбиотическая фиксация азота. Свободный азот атмосферы связывается и накапливается в почве также особыми бактериями, представленными их симбиотическими ассоциациями с высшими растениями. На корнях бобовых растений можно увидеть бородавчатые круглые вздутия, наполненные белым мутным соком — клубеньки. У гороха, клевера, вики клубеньки образуются на мелких разветвлениях корней, у люпинов они находят­ся на главном корне.

М. С. Ворониным (1865) и М. Бейеринком (1888) было установлено, что молекулярный азот усваивается живущими в клубеньках бактериями. Отсюда их и называют клубеньковыми Rhizobium.

Молодые клубеньковые бактерии имеют форму па­лочек размером примерно 0,5—0,9 × 1,2—3,0 мкм, под­вижны. Бактерии как в средах, так и в клубеньках фор­мируют утолщения, разветвленные, грушевидные или сферические образования, которые значительно круп­нее обычных клеток клубеньковых бактерий (1,2—1,6 × 2,0—4,0 мкм). Такие формы бактерий получили на­звание бактероидов.

Оптимальная температура для роста клубеньковых бактерий 24—26 °С. Все клубеньковые бактерии грамотрицательные, гетеротрофы, энергетическими источника­ми для них служат углеводы растений. Азот они фикси­руют из атмосферы. Легко усваивают моносахариды и дисахариды, хуже — полисахариды. Кроме того, эти бактерии могут использовать в пищу и многоатомные спирты.

Некоторые представители клубеньковых бактерий при использовании углеводов образуют слизистые ве­щества, содержащие стимуляторы роста (биотин). Эти слизистые вещества защищают бактерии от поражения бактериофагами и служат источниками углерода для некоторых рас клубеньковых бактерий.

Клубеньковые бактерии могут использовать и раз­личные соединения азота. Очень благоприятно влияет на их рост нитратный азот, хотя они способны усваи­вать аммиачный азот, пептоны и аминокислоты.

Кроме необходимых макроэлементов (фосфор, ка­лий, кальций) клубеньковые бактерии нуждаются в микроэлементах (железо, молибден, бор и др.).

У клубеньковых бактерий резко выражена видовая специфичность (избирательность) по отношению к раз­личным бобовым растениям. Каждому виду бобовых растений соответствует своя, особая раса бактерий. Микроб, выделенный из гороха, не приживается на корнях клевера или люцерны, и наоборот.

В практике заслуживают внимания шесть разновид­ностей клубеньковых бактерий, специфичных для опре­деленных растений:

1) Rhizobium trifoli — образуют клубеньки на корнях белого, красного и других видов клевера;

2) R. japonicutn — формирует клубеньки на кор­нях сои;

3) R. phaseoli — образует клубеньки на корнях фасоли;

4) R. meliloti — живет на корнях люцерны и донника;

5) R. leguminosarum — характерная культура клубеньков корней гороха, вики, чины и нута;

6) R. lupine — образует клубеньки на корнях люпинов.

Клубеньковые бактерии проникают в ткань корня бобовых растений через корневые волоски. По мере продвижения по корневому волоску бактерии окутыва­ются выделяемой ими слизью, образуют длинные слизи-стые нити или тяжи, напоминающие мицелий гриба. Эти образования получили название инфекционных ни­тей. Они глубоко проникают в корни растений, где бактерии интенсивно размножаются и стимулируют бы­строе деление клеток вокруг бактериального очага, что и приводит к образованию клубенька.

В тканях бобовых растений клубеньковые бактерии размножаются разными способами: в инфекционных нитях — делением: перегородкой, в цитоплазме расте­ний— как изоморфным (сходное по форме), так и гете-роморфным (разноформенность) делением и почкова­нием (В. К. Шильникова, А. А. Авакян, Н. И. Коркина, 1969).

Клубеньковые бактерии могут жить не только в клу­беньках бобовых растений, но и самостоятельно в поч­ве. Иногда удавалось выделить различные расы этих бактерий из почвы, на которой много лет не выращива­ли бобовые растения (М. В. Федоров).

На развитие клубеньковых бактерий оказывает влияние реакция почвы. Так, почвы с рН ниже 6,0 со­держат меньше бактерий, чем почвы, близкие к нейт­ральным или щелочным. Значительное снижение чис­ленности Rhizobium в почве наблюдается зимой. Весной с повышением температуры почвы начинается быстрое размножение клубеньковых бактерий.

Многочисленными исследованиями доказано, что у клубеньковых бактерий биохимические реакции фикса­ции азота аналогичны азотобактеру.

Клубеньковые бактерии могут накопить за период вегетации 100—200 кг азота на 1 га. Фиксировать атмосферный азот могут также бакте­рии, живущие в клубеньках на корнях лоха, облепихи, сосны, лучистой ольхи и ряда других растений. Способ­ны к фиксации азота и бактерии, живущие в узлах листьев некоторых тропических кустарников.

Тема: «Влияние агроприёмов на почвенные микроорганизмы».