Какие бактерии могут осуществлять фиксацию молекулярного азота

Обновлено: 18.05.2024

ГЛАВА 11. УЧАСТИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В КРУГОВОРОТЕ ВЕЩЕСТВ

В зависимости от выполняемой в природе функции живые организмы разделяют на три группы.

1. Растения являются продуцентами, поскольку они синтезируют органические вещества, используя энергию солнца и углекислоту.

2. Животные являются потребителями (консументами), так как используют биомассу растений и животных для построения собственного тела.

3. Микроорганизмы служат деструкторами, осуществляя минерализацию — процесс разложения органических веществ животных и растений.

Образовавшиеся в результате этого процесса минеральные вещества растворяются в воде и используются растениями в качестве источника питания. Таким образом, круговорот веществ в природе объединяет два взаимно противоположных процесса: синтеза и распада органических веществ и обусловлен биологической ролью разных групп микроорганизмов.

Наиболее важными процессами превращения веществ являются круговороты азота и углерода в природе.

11.1. КРУГОВОРОТ АЗОТА

В цикл превращений азота входят реакции синтеза сложных азотсодержащих соединений и реакции минерализации органического азота до солей азотной и азотистой кислот или молекулярного азота (рис. 34).

Рис. 34. Схема круговорота азота в природе

Молекулярный азот в природе постоянно имеется в избытке (он составляет около 80 % земной атмосферы), но этот газ химически инертен, и поэтому большинство организмов не могут его использовать. Питание всех растений, животных и большей части микроорганизмов зависит от источников связанного или фиксированного азота, который относительно дефицитен в почве и воде. Поэтому недостаток соединений азота часто служит фактором, лимитирующим развитие живых организмов. В связи с этим циклическое превращение азотистых соединений играет первостепенную роль в снабжении необходимыми формами азота различных организмов.

Цикл азота состоит из четырех этапов:

1) азотфиксация — фиксация молекулярного азота;

2) аммонификация — минерализация органических азотсодержащих соединений;

3) нитрификация — окисление аммонийного азота до нитратов и нитритов;

4) денитрификация — восстановление нитратов до аммиака и молекулярного азота.

1. Азотфиксация — уникальный процесс связывания азота атмосферы, который осуществляют прокариотические микроорганизмы. Биологическая фиксация азота осуществляется в природе двумя группами микроорганизмов: свободноживущими бактериями родов Azotobacter и Clostridium и симбиотическими бактериями рода Rhizobium (клубеньковыми), существующими в симбиозе с растениями.

Бактерии рода Azotobacter представляют собой грамотрицательные аэробные палочки, расположенные одиночно или сцепленные попарно. С возрастом они постепенно укорачиваются и превращаются в кокки, окруженные толстой слизистой капсулой. Молодые клетки азотобактера имеют перитрихиально расположенные жгутики и обладают подвижностью. При старении клетки теряют подвижность. Azotobacter широко распространен в почвах и водоемах, имеющих нейтральное значение pH.

К свободноживущим азотфиксаторам относятся также бактерии видов Clostridium pasterianum, С. felsineum и др. Они представляют собой палочки, грамположительные, подвижные, образующие эндоспоры. При образовании спор палочки утолщаются и принимают форму веретена. Облигатные анаэробы могут размножаться в диапазоне pH 5,5-8,0.

Связывать молекулярный азот могут и другие микроорганизмы: Azotomonas fluorescens, цианобактерии, некоторые актиномицеты.

Биологическая фиксация азота идет восстановительным путем с участием специфического ферментного комплекса нитрогеназы. Донором электронов является железосодержащий белок ферредоксин, источником энергии — АТФ.

Клубеньковые бактерии представляют собой мелкие, грамотрицательные, подвижные палочки, не образующие спор. Между бактериями и растением устанавливаются симбиотические взаимоотношения: бактерии питаются углеродсодержащими веществами, вырабатываемыми растением, а растения усваивают азотистые соединения, образующиеся бактериями в результате фиксации молекулярного азота.

2. Аммонификация. Белки в виде остатков растений и животных попадают в почву и там разлагаются под действием микроорганизмов. При разложении белка выделяется аммиак, поэтому процесс распада белка получил название аммонификации (гниения).

Гниением называют ферментативный распад белков, обусловленный жизнедеятельностью микроорганизмов. На первом этапе белки расщепляются внеклеточными протеазами до полипептидов и олигопептидов и отчасти аминокислот. Пептиды поступают в клетку и там расщепляются внутриклеточными пептидазами до свободных аминокислот. Аминокислоты либо используются клеткой для биосинтетических целей, либо подвергаются дальнейшим превращениям (рис. 35).

Рис. 35. Схема распада белка

Глубина расщепления белков зависит от видов микроорганизмов и условий их жизнедеятельности: температуры, влажности, доступа кислорода воздуха.

В аэробных условиях происходит полная минерализация белков, при этом конечными продуктами становятся аммиак, диоксид углерода, сероводород, соли фосфорной кислоты и др. Такой процесс называют тлением.

Дезаминирование — процесс отщепления аммиака от аминокислоты. Различают окислительное, гидролитическое дезаминирование, а также дезаминирование, приводящее к образованию ненасыщенных жирных кислот.

Окислительное дезаминирование — наиболее распространенный тип распада аминокислот, приводящий к образованию кетокислот:

Гидролитическое дезаминирование происходит при участии гидролаз и приводит к образованию оксикислот:

Примером дезаминирования с образованием ненасыщенных кислот является превращение аспарагиновой кислоты в фумаровую:

Гнилостные бактерии широко распространены в природе, они встречаются в почве, воде, воздухе, на растениях, в кишечнике человека и животных, в пищевых продуктах.

Процесс гниения способны осуществлять разнообразные микроорганизмы: бактерии, актиномицеты, плесневые грибы. Среди аэробных гнилостных бактерий наиболее часто встречаются Bacillus mycoides (грибовидная палочка), Bacillus mesentericus (картофельная палочка), Bacillus subtilis (сенная палочка), Bacillus meghaterium, Pseudomonas fluorescens (флюоресцирующая палочка) и др. Наиболее типичными представителями факультативно анаэробных бактерий являются Proteus vulgaris (палочка протея), Escherichia coli (кишечная палочка), Serratia marcescens(чудесная палочка). Представителями анаэробных гнилостных бактерий являются Clostridium putrificum, Clostridium sporogenes.

В наибольшей степени подвержены гниению пищевые продукты с высоким содержанием белка: мясные, рыбные, молочные. Для предохранения продуктов от гнилостной порчи их консервируют, используя различные физические и химические способы: охлаждение, замораживание, пастеризацию, стерилизацию, посол, засахаривание, копчение, вяление, высушивание, добавление различных химических веществ, подавляющих развитие микроорганизмов, — консервантов.

3. Нитрификация. Аммиак, образующийся в процессе гниения, под действием микроорганизмов превращается в нитраты — соли азотной кислоты. Этот процесс окисления аммиака называют нитрификацией. Он состоит из двух этапов.

На первом этапе аммиак окисляется до азотистой кислоты:

Первый этап нитрификации осуществляют бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira. В последние годы выделены еще два рода бактерий, способных к нитрификации: Nitrosolobus и Nitrosovibrio.

На втором этапе азотистая кислота окисляется до азотной бактериями рода Nitrobacter.

Процесс нитрификации более интенсивно протекает в почве в присутствии кислорода. В результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий за год в почве может накапливаться до 300 кг/га нитратов.

4. Денитрификация — процесс восстановления нитратов до нитритов и молекулярного азота, протекающий по схеме:

Денитрификацию осуществляют бактерии видов Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, P. stutzeri, Paracoccus denitriflcans, Thiobacillus denitrificans и др. В результате денитрификации снижается плодородие почвы, так как образовавшийся азот удаляется в атмосферу.

Биологическая библиотека - материалы для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

Процентное содержание азота в клубеньках также значительно повышалось под влиянием удаления цветков у растений кормовых бобов (табл. 3).

В своих выводах автор отмечает, что удаление цветков у бобового растения вызывает исключительно сильное развитие вегетативной массы — в 3-4 раза больше, чем в цветущих.
Вес корней у кастрированных растений также в 4-5 раз выше, чем у плодоносящих. У растениях с удаленными цветками увеличивается количество клубеньков и, что особенно важно, существует определенная зависимость между развитием репродуктивных органов и характером клубеньков, их весом и накоплением в них азота.
Данные опытов Маттироло представляют большой интерес для понимания взаимозависимости между клубеньковыми бактериями и бобовыми растениями. Но хотя учет автор производил в несколько сроков, все же эти сроки относятся к одной фазе развития растений, и поэтому нельзя представить процесса возрастных изменений на протяжении всей вегетации.
Установить же динамику усвоения азота бактериями, ход этого процесса и зависимость его от фазы развития растений можно только при большом числе сроков уборки их и учете возрастных изменений содержания сухого вещества и азота в разных частях растения и в клубеньках за весь вегетационный период.
Растения на протяжении своей вегетации проходят целый ряд отдельных стадий и фаз и в процессе развития претерпевают при этом как количественные, так и качественные изменения, и было бы большой методической ошибкой не учитывать этих изменений при изучении их физиологии.
Как развивающийся организм растение на разных этапах своего развития по-разному реагирует на внешние условия — свет, температуру, влажность, питание и другие воздействия.
Бутонизация и цветение представляют собой отдельные фазы в росте и развитии люпина и являются как бы подготовительным этапом в переходе растения к плодоношению. Эти фазы связаны с глубокими изменениями физиологических и биохимических процессов, протекающих в листьях, стеблях, корневой системе и в клубеньках люпина.
Клубеньковые бактерии по своей физиологии являются гетеротрофными организмами и в симбиозе с высшим растением получают от последнего энергетический материал в виде углеводов и органических кислот.
Г. Торнтон в своих исследованиях показал, что клубеньковые бактерии не проникают в корень бобового растения до тех пор, пока на нем не разовьется первый листок. Изучая этот вопрос, Торнтон в своих опытах заметил очень резкое влияние корней старых растений на образование клубеньков на молодых корешках. Так, на корнях 50 молодых проростков люцерны с первым едва развившимся листочком без старых корней образовалось всего лишь по 5,5 клубенька, а на таком же количестве проростков, где были корни старых растений, образовалось в среднем по 36,5 клубенька на одно растение.
Следовательно, наличие в среде корней более старых растений способствует развитию клубеньков на корнях молодых.
Из этого вытекает предположение, что корни более старых растений выделяют в наружную среду особые вещества (органические кислоты, гормоны), которые стимулируют образование клубеньков на корнях молодых растений.
Многочисленные исследования условий проникновения, образования и развития клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений подтверждают положение о том, что органические вещества и, в первую очередь, растворимые углеводы, органические кислоты и гормоны, образующиеся в растениях, играют важную роль в развитии и жизнедеятельности клубеньковых бактерий.

В связи с заметным обогащением почвы связанным азотом его симбио-тическая фиксация давно обратила на себя внимание при разных агро технических приемах (пар, севооборот), и ее стали сознательно использовать в сельском хозяйстве.

На то, что клевер и другие бобовые растения обогащают почву азотом, впервые указал Буссенго. Установление связи между фиксацией азота и корневыми клубеньками бобовых явилось заслугой Хелльригеля и Вильфарта (1886-1888). Бобовые могут расти в отстутствие связанного азота лишь в том случае, если их корни усеяны клубеньками, которые образуются в результате за ражения корневых волосков бактериями из почвы (рис. 13.1).

Корневые клубеньки бобовых растений. Бактерии, вызывающие обра зование клубеньков у бобовых растений (клубеньковые бактерии), отно сятся к роду Rhizobium. При свободном существовании в почве эти аэ робные грам-отрицательные палочки растут как сапрофиты за счет органических соединений. По специфичности в отношении растения-хо зяина, а также по некоторым другим признакам различают несколько видов клубеньковых бактерий (Rhizobium leguminosarum, R. meliloti, R.trifolii, R. phaseoli, R. lupini, R. japonicum и др.).

Пока еще недостаточно выяснено, что лежит в основе специфичности сим биоза Rhizobium с растением-хозяином. Согласно новой гипотезе, которую сей час пытаются проверить, уже при первом контакте бактерий с корневым воло ском определяется, подходят ли партнеры друг к другу. Бобовые растения содержат лектины-гликопротеины, способные специфически связывать полиса хариды. Лектины широко распространены в природе и выполняют, по-видимо му, функцию распознавания. Предполагают, что лектины находятся на наруж ной поверхности корневых волосков; в то же время наружный слой клеточной стенкиRhizobium содержит видоспецифичные полисахаридные цепи. Возможно, что именно взаимодействие лектинов корневого волоска с поверхностными по лисахаридами Rhizobium определяет, будет ли волосок инфицирован.

В том случае, если партнеры совместимы, возникает истинный сим биоз между растением и Rhizobium.Растение обеспечивает бактерий питательными веществами (главным образом сахарами) и создает для них оптимальные условия. Когда растение отмирает, в почву попадает больше жизнеспособных бактерий, чем там могло бы расти без симбио-тической ассоциации. Фиксация N₂ происходит только в бактероидах, причем около 95% фиксированного азота переходит в виде ионов аммо ния в цитоплазму растения-хозяина.

Помимо корневых клубеньков встречаются также клубеньки на стеб лях, содержащие бактероиды Rhizobium;такие стеблевые клубеньки образуются, например, у влаголюбивого бобового растения централь ной Африки Sesbania rostrata.

Маловероятно, что и свободно живущие в почве ризобии способны фиксировать N₂. Лишь у немногих штаммов удалось обнаружить в ко лониях на агаризованной питательной среде нитрогеназу. Образование нитрогеназы в колониях зависело от парциального давления 0₂.

Корневые клубеньки у небобовых растений. У некоторых растений, не относящихся к бобовым, тоже имеются корневые клубеньки, способные фиксировать N₂. Фиксация азота и здесь основана на симбиозе с прока риотами. В случае эндосимбионтов речь идет в большинстве случаев об актиномицетах, принадлежащих к роду Franckia.

Хозяевами актиномицетов-симбионтов могут быть как древесные, так и травянистые растения. Они распространены по всему свету и первыми появляются в местах, где почва бедна азотом. Накопление азота в почве при участии таких растений может достигать 150- 300 кг на 1 га в год и имеет поэтому большое хозяйственное значение. К рас тениям, наиболее эффективно связывающим азот, относятся Casuarinaequisetifolia, ольха (Alnus), облепиха (Hippophae) и Ceanothus; менее эф фективны в этом отношении восковница (Myrica), куропаточья трава (Dryas), лох (Elaeagnus) и Shepherdia.

Корневые клубеньки древесных растений могут достигать размеров теннисного мяча. Они представляют собой густые сплетения корней, разветвленных наподобие кораллов и прекративших рост. У казуарины клубеньки состоят из рыхлого пучка утолщенных корней с отрицатель но геотропным ростом. Бактерии-симбионты инфицируют только па-ренхимные клетки в коре корня. Так же как и у бобовых, инфекция проникает в корни из почвы через корневые волоски; в клубеньках тоже образуется леггемоглобин. Лишь недавно у одного из растений, не от носящихся к бобовым,-Parasponia parviflora (ильмовые)-был обнаружен в качестве эндосимбионта штамм Rhizobium. Удалось даже перенести этот штамм на бобовые растения. Клубеньки древесных растений ак тивно фиксируют N₂.

Симбиозы с азотфиксирующими цианобактериями. Цианобактерии то же могут быть фиксирующими азот партнерами в симбиозе с высшими растениями. У водного папоротника Azolla, растущего на поверхности стоячих тропических водоемов, цианобактерии содержатся в полостях листьев. Симбиотический партнер этого растения - Апа'оаепа azollae. В то время как свободкоживущие виды Anabaena содержат лишь немного (5%) гетероцист, в трихомах симбиотических видов 15-20% клеток со ставляют гетероцисты. Такое соотношение само по себе указывает на активное связывание азота. Измерения активности нитрогеназы под тверждают это предположение. Azolla растет на поверхности зато пленных рисовых полей и может при надлежащей агротехнике пол ностью удовлетворить потребность риса в азоте. Накопление азота в почве в результате симбиоза Anabaena с Azolla составляет около 300 кг/га в год. Сходный симбиоз наблюдается между печеночниками (Blasia pusilla, Anthoceros punctatus, Peltigera) и Nostoc.

У тропического кустарника Gunnera macrophylla симбиотические циа-нобактерии Nostoc punctiformeнаходятся в нижней части ствола, а имен но в специальных железах в местах отхождения листовых черешков. Этот вид Nostoc тоже образует гетероцисты и нитрогеназу.

Читайте также: