Биологическая фиксация атмосферного азота

Растение усваивает минеральные соединения азота, содержание которых в почве всегда невелико. В атмосфере в большом количестве содержится молекулярный азот, который переводится в усвояемую растениями форму азотфиксирующими микроорганизмами. Это свободно- живущие или вступающие в симбиоз с высшими растениями микроорганизмы, способствующие повышению плодородия почвы.

Фиксация молекулярного азота свободноживутцими микроорганизмами. Наибольшее значение среди свободноживущих азотфик- саторов имеет азотобактер хроококкум. Клетки азотобактера имеют шаровидную или овальную форму, попарно или по четыре образуют общую слизистую капсулу. Молодые клетки имеют палочковидную форму, жгутики, старые — форму неподвижных кокков. Азотобактер требователен к субстрату, причем особенно резко реагирует на дефицит фосфора. На бедных почвах он не развивается. Из микроэлементов наиболее важен молибден, который входит в состав ферментов азотфиксации. Если имеются доступные источники связанного азота, то азотобактер питается ими, если их нет, — использует молекулярный азот.

Азотобактер относится к аэробным гетеротрофным микроорганизмам, использующим углерод органических соединений. Он встречается только в почвах, хорошо удобренных органическими веществами, достаточно влажных, с нейтральной или близкой к ней реакцией среды.

Положительное действие азотобактера на растение объясняется не только его азотфиксирующей способностью, но и тем, что он выделяет в окружающую среду витамины и другие физиологически активные вещества: пантотеновую и никотиновую кислоты, гиббереллины, ауксин.

Корень люцерны с клубеньками, содержащими Bact. radicicola

Рис. 2.7. Корень люцерны с клубеньками, содержащими Bact. radicicola

Кроме азотобактера, фиксировать азот из воздуха могут анаэробные бактерии рода клостридиум, многие грибы, пурпурные бактерии и сине- зеленые водоросли. Свободноживущие бактерии вносят существенный вклад в азотный фонд почвы: они могут накапливать 25—95 кг/га азота.

Симбиотическая фиксация азота. Давно известно, что бобовые растения способны обогащать почву азотом. Корни бобовых растений имеют специфические образования — клубеньки, в которых обитают бактерии рода ризобиум (рис. 2.7). Бактерии и растения вступают в симбиотические отношения: бактерии питаются органическими соединениями, синтезированными растениями, а растения получают из клубеньков связанные соединения азота. Инфицирование растения- хозяина начинается с проникновения бактерий в клетки коры корня, интенсивное деление которых приводит к образованию клубеньков. При этом сами бактерии превращаются в окруженные мембраной бактероиды с высокой нитрогеназной активностью (рис. 2.8).

Фермент нитрогеназа состоит из двух компонентов: более высокомолекулярного, содержащего Мо- и Fe-белки, и низкомолекулярного Fe-белка. Азот связывается и восстанавливается до NH3 первым олигомером, а Fe-белок поставляет для этого процесса электроны, получаемые через ферредоксин от цикла Кребса. Цикл Кребса обеспечивает также синтез аденозитрифосфата (АТФ), необходимого для поддержания структуры нитрогеназного комплекса, и поставляет кетокислоты, которые связывают аммиак с образованием аминокислот. Синтезируемый растением-хозяином гемсодержащий белок — леггемоглобин — встраивается в мембрану бактероида и осуществляет транспорт кислорода, создавая защиту нитрогеназы от его разрушающего действия (рис. 2.9).

Бактерии Bact. radicicola в клубеньках бобовых растений

Рис. 2.8. Бактерии Bact. radicicola в клубеньках бобовых растений:

а — разрез клубенька люцерны; б — клетка клубенька с бактериями

Схема фиксации N2 в бактерии клубеньков бобовых

Рис. 2.9. Схема фиксации N2 в бактерии клубеньков бобовых

Взаимоотношения между высшими растениями и клубеньковыми бактериями характеризуют как симбиоз. Однако на первых этапах инфицирования бактерии питаются целиком за счет высшего растения, т. е. практически паразитируют на нем. Поэтому может наблюдаться торможение роста зараженных растений. Развитые клубеньки начинают снабжать азотистыми веществами растение-хозяина и получать от него фотоассимиляты. Согласно расчетам, сделанным на основании модельных опытов для восстановления 1 моля N2, необходимо не менее 12—15 молей АТФ. Реальные затраты на процесс азотфик- сации значительно больше: на каждый грамм фиксированного азота окисляется 3—6 г органического углерода. В период вегетативного роста в клубеньки поступает 25—40 % продуктов фотосинтеза, при этом около половины возвращается в надземную часть растения в виде азотистых соединений. При переходе растений к репродуктивной фазе поток фотоассимилятов в клубеньки постепенно снижается, что приводит к затуханию их азотфиксирующей деятельности.

Тесная связь восстановления молекулярного азота в клубеньках с фотосинтезом и перераспределением ассимилятов обусловливает зависимость этого процесса от интенсивности и продолжительности освещения, концентрации диоксида углерода и водообеспеченности растений. Повышенные дозы азотных удобрений подавляют процесс азотфиксации.

Благодаря деятельности клубеньковых бактерий бобовые растения не только обеспечиваются азотсодержащими соединениями, но и значительно обогащают почву азотом за счет корневых выделений и пожнивных остатков.

В клубеньках бобовых могут содержаться активные и неактивные штаммы бактерий. Если клубеньки мелкие, то в них чаще встречаются штаммы, которые характеризуются высокой вирулентностью, т. е. способностью заражать, но низкой азотфиксацией. Эти бактерии используют азот, который растения получают из почвы, т. е. ведут паразитический образ жизни. Рост растений угнетается. Среди бобовых имеются и такие, которые не образуют клубеньков на корнях.

Ризобии характеризуются избирательностью, т. е. специфичностью по отношению к растению-хозяину; выделяют клубеньковые бактерии гороха, вики, фасоли, кормовых бобов, клеверов, люпина и т. д. Для обеспечения эффективного симбиоза семена бобовых растений обычно заражают высококачественными культурами ризобий, специфичными для данного растения. Клубеньковые бактерии в симбиозе с бобовыми могут фиксировать до 50—300 кг/га азота.

Существуют и другие виды высших растений, способные к симбиозу с азотфиксаторами. У деревьев и кустарников (ольхи, лоха, облепихи) клубеньки в большинстве случаев образуют азотфиксирующие актино- мицеты, у злаковых культур — азотфиксирующие бактерии.

Лабораторная работа № 17. Изучение азотфиксирующих бактерий

1. Азотфиксация свободноживущими бактериями. Заполнить колбу на 2/3 жидкой безазотной средой. Внести в среду в качестве посевного материала небольшое количество почвы. Колбу закрыть ватным тампоном и инкубировать в термостате при 30 °С.

Приготовить фиксированные препараты аэробных азотфиксирующих бактерий из пленки, образовавшейся на поверхности. Просмотреть препараты под микроскопом и зарисовать клетки азотобактера.

Приготовить препарат анаэробных азотфиксирующих бактерий в раздавленной капле из придонного слоя безазотной питательной среды. Окраску произвести раствором Люголя (12 и KI). Зарисовать клетки.

2. Азотфиксация клубеньковыми бактериями. Приготовить фиксированные препараты из клубеньков различных бобовых культур. Клетки бактерий, в том числе и бактероиды, зарисовать, сделать подписи.

Контрольные вопросы

  • 1. В каких процессах превращения азота участвуют микроорганизмы?
  • 2. Какова роль микроорганизмов в круговороте азота в природе?
  • 3. Какие микроорганизмы участвуют в аммонификации?
  • 4. Какова роль микробиологической аммонификации в питании растений?
  • 5. В чем состоит сущность первой и второй фаз нитрификации?
  • 6. Что представляет собой денитрификация?
  • 7. Какие условия способствуют развитию денитрифицирующих микроорганизмов?
  • 8. Как сказывается денитрификация на плодородии почвы?
  • 9. Какова роль иммобилизации азота в питании растений?
  • 10. Какие свободноживущие микроорганизмы осуществляют фиксацию атмосферного азота?
  • 11. Какие условия способствуют развитию свободноживущих азотфиксаторов?
  • 12. Что лежит в основе симбиоза азотфиксирутощих бактерий и высших растений?
  • 13. Каков химизм фиксации молекулярного азота клубеньковыми бактериями?
  • 14. Какие растения, кроме бобовых, образуют на корнях клубеньки?
  • 15. Каков вклад свободноживущих и симбиотических микроорганизмов в формирование плодородия почвы?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >