3. Нитрификация, и ее роль в плодородии почвы.
Нитрификация - это процесс окисления аммиака до азотистой (НNO2), а затем до азотной (HNO3) кислоты, соли которых наиболее пригодны для азотного питания растений.
Процесс нитрификации вызывается двумя группами открытых в 1890 году С.Виноградским нитрифицирующих бактерий. В первой фазе аммиак окисляется нитрозными бактериями до азотистой кислоты:
2NH3 + 3O2 = 2HNO3 + 158 кал,
а во второй нитробактерии окисляют азотистую кислоту в азотную:
HNO2 +O2 =2HNO3 + 48 кал.
К нитрозным бактериям относятся Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus и Nitrosovibrio, а к нитробактериям Nitrobacter, Nitrosococcus, Nitrospina и Nitrospira. Все нитрификаторы бесспоровые, грамотрицательные, подвижные бактерии, облигатные аэробы, хемолитотрофы (в качестве источника углерода используют СО2). Оптимальным для нитрификаторов является щелочной рН - 8,5-9,3, а при рН ниже 6,0 нитрификация прекращается. Благодаря нитрифицирующим бактериям могут образовываться огромные залежи солей азотной кислоты (в Чили, Перу). Нитраты легко вымываются из почвы и могут загрязнять грунтовые воды и водоёмы, способны накапливаться в продукции, которая становится непригодной в пищу, а также в результате денитрификации происходят потери азота.
4. Денитрификация. Меры предупреждения и борьбы с ней.
Денитрификация - это восстановление нитратов и нитритов до окислов азота и молекулярного азота. Это восстановление происходит в результате прямой (биологической) и косвенной (химической) денитрификации.
Прямая денитрификация вызывается жизнедеятельностью денитрифицирующих бактерий, очень широко распространенных в почве, навозе и водоемах. Они представлены некоторыми видами Pseudomonas, Bacillus licheniformis, Paracoccus и другими, имеющими факультативно анаэробный тип дыхания. В отсутствии кислорода в качестве акцептора водорода они используют нитраты и нитриты. Такая денитрификация идет по схеме:
NO3 |
|
NO2 |
|
NO |
|
N2O |
|
N2 |
Наибольшие потери азота наблюдаются при плохой аэрации и высокой влажности почвы, поэтому для борьбы с биологической денитрификацией необходимо рыхлить почву и проводить сток воды с затопляемых участков.
Косвенная денитрификация происходит в кислых почвах при рН ниже 5,5. В этом случае происходит чисто химическая реакция между азотистой кислотой и аминокислотами:
R-CHNH2COOH + HNO2 = R-CHOHCOOH + H2O + N2
Косвенной денитрификации способствуют нитрификаторы, восстанавливающие нитраты в нитриты, а также аммонификаторы, разлагающие белковые вещества с образованием аминокислот. На окультуренной почве, редко имеющей кислую реакцию, она не имеет широкого распространения.
Денитрификация в водоемах полезный процесс, так как ведет к очистке воды.
5. Фиксация атмосферного азота.
Биологическая фиксация азота очень важный процесс, за счет которого пополняется азотный фонд почвы. Азотфиксирующие микроорганизмы можно подразделить на три группы:
Свободноживущие
Симбиотические
Ассоциативные.
К свободноживущим азотфиксаторам относится анаэробный микроорганизм: Cl.pasteurianum, выделенный в 1893 г. С.Н. Виноградским. Это подвижная палочка с овальной спорой на конце, придающей ей вид веретена. Отличительной особенностью этой бактерии является студенистая капсула вокруг споры. При дефиците азота в почве переходит к фиксации атмосферного, фиксируя 10-15 мг азота на 1 г используемого сахара.
Второго представителя свободноживущих азотфиксаторов из рода Azotobacter открыл в 1901 г голландский ученый М.Бейеринк. В молодой культуре это крупные подвижные Грам+ полочки, при старении подвижность теряется и ставшие кокковидными клетки покрываются капсулой, образуют пигмент. Облигатный аэроб, фиксирует от 15 до 20 мг азота на 1 г сахара. Азотобактер дает слизистые колонии, пигментированные в темно-бурый цвет. Он требователен к почвам, особенно к содержанию в них фосфора и некоторых микроэлементов (Мо), не развивается в кислой среде и на целинных почвах.
Кроме фиксации азота азотобактер вырабатывает и выделяет в почву витамины (никотиновую и пантотеновую кислоты), ростовые (гибберелин, гетероауксин) и фунгистатические вещества, предохраняющие растения от заболеваний.
Азотобактер встречается в больших количествах в рубце жвачных, где использует как связанный, так и молекулярный азот. Участвует в синтезе незаменимых аминокислот, биологически активных и других веществ, что способствует повышению привесов.
Симбиотические азотфиксаторы живут в симбиозе с высшими растениями. Наличие бактерий в клубеньках бобовых установлено М.Ворониным в 1866 г. В чистой культуре их выделил Бейеринк в 1888 г. Все они относятся к роду Rhizobium.
Это Грам-, подвижные палочки, имеющие свой цикл развития: в молодых клубеньках мелкие бесспоровые подвижные палочки, теряют жгутики, становятся неподвижными и в них появляются вакуоли, что придает им вид опоясанных палочек, которые превращаются в бактероиды, (фиксация молекулярного азота происходит в бактероидах), прямые или ветвистые. Бактероиды могут распадаться на кокки, которые превращаются в подвижные палочки. Бактерии питаются углеродсодержащими веществами, вырабатываемыми растениями в процессе фотосинтеза. Растения усваивают азотистые соединения, которые образуют бактерии из молекулярного азота.
Они аэробы, могут выдерживать низкое порциональное давление О2.
Оптимальный рН 6,5-7,2 (минимальный рН для люпина 3,5 - 4,0), температура 20 - 300С (от 0 до 470С).
Для клубеньковых бактерий характерны :
- вирулентность - способность проникать в ткань корня и образовывать клубеньки;
- эфективность - способность в симбиозе с бобовыми растениями фиксировать атмосферный азот. Клубеньки, образованные активными культурами, окрашены в розовый цвет, неактивные - в желтый;
- специфичность в отношении вида бобовых растений (Rh. trifolii, Rh. phaseoli, Rh. lupini, Rh. meliloti (люцерны и донника), Rh. leguminosarum (гороха, душистого горошка, вики, чины и нута).
Род актиномицетов Frankia образует клубеньки на корнях древесных и кустарниковых растений, которые также фиксируют молекулярный азот.
Ассоциативные азотфиксаторы - живут в ризосфере небобовых культур. Это представители родов:Azospirillum, Bifidobacterium, Arthrobacter, Pseudomonas, Serratia, Klebsiella.