1. Биологическая и абиологическая фиксация азота

Азот является одним из самых важных минеральных элементов, поглощаемых растениями. Ведь он является органогеном, то есть входит в состав белков, нуклеиновых кислот, витаминов и АТФ, необходимых для построения тела растений и осуществления различных жизненных функций. К сожалению, атмосфера Земли на 77% состоит из молекулярного азота, а для большинства растений он совершенно недоступен, растения могут усваивать азот только в виде нитрат-ионов и аммонийных катионов.

Азот, который поступает в растение и включается в состав белков, нуклеиновых кислот и других компонентов клеток в результате связывания микроорганизмами, носит название «биологический», а сами микроорганизмы, фиксирующие молекулярный азот атмосферы, — азотфиксаторами, или диазотрофами, т. е. использующими как N2, так и связанные формы азота (Мишустин, Емцев, 2005).

Диазотрофы - микроорганизмы, способные восстанавливать молекулярный азот атмосферы, переводя его в доступную для растений  форму. Другие - выбрали путь, который называют "уклоняющиеся типы азотного питания". Это паразиты и полупаразиты, поселяющиеся на других растениях, либо растения-хищники.

Молекула азота, находящегося в атмосфере в виде газа, состоит из 2 атомов азота (N₂), соединенных тройной связью. Молекулярный азот химически инертен, и у растений нет механизмов, которые могли бы разорвать эту прочную связь. Зато диазотрофы таким инструментом обладают. Они вырабатывают особый фермент - нитрогеназу. Нитрогеназа состоит из нескольких белковых субъединиц, в состав которых также входят атомы железа и молибдена. Этот фермент находится в мембранах клеток микроорганизмов. Фермент восстанавливает молекулярный азот до аммиака. Аммиак в  водной среде находится в виде катионов аммония, которые уже могут поступать в корни растений.

Характер взаимоотношений диазотрофов с растениями различен. Некоторые, например клубеньковые бактерии из рода Rhizobium проникают через корневые волоски в корневую систему растения и стимулируют деление тетраплоидных клеток корня, приводящее к образованию клубенька. В нем происходит интенсивное размножение бактерий. В молодых клубеньках большинство бактериальных клеток имеют форму палочек. В процессе последующего развития наблюдается образование клеток неправильной формы (бактероидов), в которых и происходит активная фиксация N2. Некоторые бактерии предпочитают обитать в прикорневой зоне, создавая ассоциациатичные связи с корнями, например азоспириллы (что чрезвычайно полезно для растений семейства злаковых). Особое место в проблеме фиксации атмосферного азота отведено цианобактериям. Они могут жить как самостоятельно, так и в симбиозе с другими организмами - лишайниками, папоротниками и т.д.

Термином “биологическая фиксация азота” подчеркивается, что мы имеем дело с уникальным биологическим явлением. Свой вклад в фиксацию азота воздуха вносят и иные (небиологические) процессы, такие, как грозы, извержения вулканов, воздействие УФ-лучей, пожары, сжигание топлива на тепловых электростанциях и в двигателях, наконец, производство аммиака по технологии лауреатов Нобелевской премии Фрица Габера и Карла Боша [1,2]. Но они составляют лишь 5%, следовательно, свыше 90% всей фиксации молекулярного азота атмосферы осуществляется в результате метаболической активности микроорганизмов (Гусев, Минеева 2003).

Согласно последним оценкам, микроорганизмы на земном шаре ежегодно фиксируют 175—190 млн т молекулярного азота в наземных экосистемах, из которых 99—110 млн т — на почвах сельскохозяйственных угодий. Ежегодное производство минеральных удобрений в мире достигло 60—70 млн т; кроме того, в составе органических удобрений на поля вносится около 15 млн т азота.

Азотфиксация является процессом восстановления атмосферного азота до аммиака, которой становится доступным для растений (Игнатов 1998).

Реакцию восстановления молекулярного азота до аммиака катализирует фермент нитрогеназа. Синтез нитрогеназы детерминируют nif-гены (от англ. nitrogen fixation), которые находятся в хромосоме (Klebsiella, Bradyrhizobium ) или мегаплазмиде (Rhizobium). Кроме nif-генов в азотфиксации участвуют продукты fix -генов. Известны три типа ферментов нитрогеназ. Наиболее распространенный тип содержит молибден, в других типах этого фермента вместо молибдена присутствует ванадий или железо. Некоторые азотфиксирующие бактерии в зависимости от наличия в среде молибдена или ванадия способны синтезировать два или даже три (Azotobacter sp. ) типа нитрогеназ. Все типы нитрогеназ состоят из двух белковых компонентов.

Компонент 1 – это собственно нитрогеназа, или MoFe-белок (динитрогеназа, или молибдоферредоксин); компонент 2 – это редуктаза динитрогеназы, или Fe-белок (FeS-белок, или азоферредоксин). MoFe-белок (мол. масса примерно 240 кДа) состоит из четырех субъединиц двух типов, т.е. представляет собой α2β2-тетрамер. Этот тетрамерный белок связан с MoFe-кофактором, выполняющим роль каталитического сайта восстановления N2. Fe-белок – гомодимер, состоящий из двух идентичных субъединиц, α2 – димер (мол. масса примерно 60 кДа), соединенных через [Fe4S4]-центр. Fe-белок принимает электроны от восстановленного ферредоксина или флаводоксина и передает их на MoFe-белок в АТФ-зависимой реакции.

Фермент нитрогеназа высокочувствителен к молекулярному кислороду – он инактивируется на воздухе и в аэробных условиях его синтез прекращается. Таким образом, фиксация азота представляет собой строго анаэробный процесс. Поэтому чувствительность нитрогеназы к О2 не затрудняет осуществление азотфиксации у строгих анаэробов, но является лимитирующим фактором в случае аэробов и факультативных анаэробов (Умаров, 1986).