2. Свободноживущие азотфиксирующие бактерии и их роль в обогащении почвы азотом

2.1 Значение азотобактера и бактерии рода Clostridium в пополнении азотного фонда почвы

Род Clostridium. Первым из свободноживущих азотфиксаторов был открытый С. Н. Виноградским в 1893 г. Clostridium pasteurianum. Это анаэробная бактерия, вызывающая маслянокислое брожение; имеют палочковидные клетки длиной 1,5—8 мкм и шириной 0,8—1,3 мкм. Молодые клетки несут жгутики, в старых образуются споры. При спорообразовании клетки утолщаются посередине или на конце. В присутствии кислорода воздуха С. pasteuriаnum может развиваться только при наличии в среде аэробных бактерий, поглощающих кислород.

Источником азотного питания для бактерий рода Clostridium могут служить соли аммония, азотной кислоты и многие содержащие азот органические соединения. При отсутствии указанных соединений бактерии усваивают молекулярный азот. Источником углерода для С. pasteurianum может быть широкий набор углеродсодержащих соединений — моносахариды, дисахариды, некоторые полисахариды (декстрин, крахмал) и органические кислоты. Развиваясь на питательных средах, содержащих углеводы, С. pasteurianum разлагает их с образованием масляной и уксусной кислот, диоксида углерода и водорода. Освобождающаяся при сбраживании углеводов энергия частично идет на усвоение молекулярного азота атмосферы. С. pasteurianum обычно считался слабоактивным фиксатором азота. Пределом его активности было связывание 1—3 мг азота на 1 г сброженного сахара. Однако, используя питательные среды, наиболее отвечающие физиологическим потребностям С. pasteurianum, его активность удалось повысить до 10—12 мг азота на 1 г сброженного сахара, в некоторых случаях и более.

Способность фиксировать азот атмосферы свойственна и другим видам рода Clostridium (Cl. butyricum, Cl. acetobutylicum, Cl. pectinovorum, Cl. felsineum и т. д.). Эти бактерии близки в систематическом отношении к Cl. pasteurianum, но отличаются от него ферментативными свойствами. Так, Cl. acetobutylicum вызывает ацетонобутиловое брожение, Cl. pectinovorum может разлагать пектин и т. д. Отдельные виды Clostridium приурочены к определенным почвам (Гусев, Минеева, 2003).

Род Azotobacter. Голландский микробиолог М. Бейеринк [3] в 1901 г. открыл аэробную бактерию, также усваивающую молекулярный азот — Azotobacter chroococcum (сем. Azotobacteriaceae). Молодые клетки азотобактера представляют собой палочки размером 2—3 х 4— 6 мкм. Позже они превращаются в крупные кокки диаметром до 4 мкм. Кокковидные клетки обычно покрыты капсулой и содержат разные включения (жир, крахмал, поли-В-гидроксимасляную кислоту и др.). У кокковидных клеток некоторых видов азотобактера появляется толстая оболочка, и они превращаются в цисты. На одних питательных средах палочки быстро приобретают кокковидную форму, на других — лишь по истечении длительного времени. Палочковидные клетки азотобактера имеют жгутики и обладают подвижностью. При переходе палочек в кокки жгутики обычно теряются.

Из описанных видов азотобактера наиболее изучены: A. chroococcum, A. beijerinckii, A. vinelandii и A. paspali. Перечисленные виды различают по размерам и форме клетки, а также по некоторым другим признакам, в частности пигментации колоний. Так, колонии A. chroococcum имеют бурый, почти черный цвет, A. vinelandii выделяют желтый пигмент с зеленой флуоресценцией, A. paspali также продуцируют желтый пигмент. В почвах чаще всего встречается Azotobacter chroococcum. Все виды азотобактера являются аэробами (Теппер и др., 2004).

Источником азота для них могут служить соли аммония, нитриты, нитраты и аминокислоты. В отсутствие связанных форм азота азотобактер фиксирует молекулярный азот. Небольшие дозы азотсодержащих соединений не приводят к депрессии фиксации азота, а иногда даже стимулируют ее. Увеличение количества связанного азота в среде полностью подавляет усвоение молекулярного азота.

Энергия усвоения азота у отдельных культур азотобактера колеблется в широком диапазоне. Активные культуры связывают 15—20 мг азота на 1 г потребленного органического вещества. Азотобактер способен использовать большой набор органических соединений — моно- и дисахариды, некоторые полисахариды (декстрин, крахмал), многие спирты, органические кислоты, в том числе ароматические. Для роста бактерии нуждаются в элементах минерального питания, особенно в фосфоре и кальции. Потребность азотобактера в данных элементах столь значительна, что его используют как биологический индикатор на наличие фосфора и кальция в почве. Для энергичной азотфиксации микроорганизмам требуются микроэлементы, из них наиболее важен молибден, который входит в состав ферментов, катализующих процесс усвоения азота.

Отмеченные физиологические особенности характеризуют экологию данного организма. Азотобактер обитает в высокоплодородных, достаточно влажных почвах с нейтральной или близкой к ней реакцией среды. При недостаточной влажности большинство клеток отмирает. В черноземных, каштановых и сероземных почвах, благоприятных для рассматриваемого микроорганизма, его обнаруживают в значительных количествах только весной. При летнем иссушении почвы остаются единичные клетки. В зоне подзолистых и дерново-подзолистых почв азотобактер можно найти в огородных и пойменных почвах, богатых органическими соединениями, с оптимальным рН 6,8—7,2.

Род Beijerinckia. К семейству Azotobacteriaceae относятся бактерии рода Beijerinckia, близкие по свойствам к азотобактеру. От азотобактера они отличаются значительной кислотоустойчивостью, кальцифобностью и некоторыми другими свойствами.

Впервые бактерия рода Beijerinckia была получена из кислых почв рисовых полей Индии. Ее назвали Azotobacter indicum. Материал, накопленный позднее, показал, что рассматриваемый микроорганизм относится к особому роду, названному в честь известного голландского ученого М. Бейеринка [3]— Beijerinckia. К настоящему времени описан ряд видов бактерий этого рода.

Клетки Beijerinckia имеют различную форму — палочковидную, овальную или круглую. У некоторых видов они подвижны, у других неподвижны. Иногда наблюдается образование капсул. Цисты и эндоспоры отсутствуют.

Большинство культур бактерий рода Beijerinckia дают на безазотной среде с глюкозой выпуклые, блестящие, нередко складчатые слизистые колонии вязкой консистенции. При старении колонии окрашиваются в красноватый или темно-коричневый цвет. В отличие от азотобактера, Beijerinckia не усваивает ароматические соединения и хуже ассимилирует органические кислоты. При развитии на углеводах в среде накапливаются кислые продукты (уксусная и другие органические кислоты). Бактерии рода Beijerinckia менее требовательны по сравнению с азотобактером к концентрации фосфорных соединений в среде. Небольшие дозы соединений кальция тормозят рост Beijerinckia. Значительно менее, чем азотобактер, Beijerinckia чувствительна к повышенной концентрации солей железа и алюминия. Beijerinckia нуждается в молибдене, но довольствуется меньшими его дозами.

Род Derxia. К свободноживущим фиксаторам молекулярного азота семейства Azotobacteriaceae относятся также виды рода Derxia. Это медленно растущие на безазотных средах палочковидные бактерии, обладающие в определенной стадии развития жгутиком. Колонии могут быть пленочными или слизистыми. При старении они становятся желтовато-коричневыми. Род Derxia обнаружен в почвах тропической зоны, как и бактерии рода Azomonas, также близкие к азотобактеру. Последние имеют округлые клетки и образуют колонии с флюоресцирующим пигментом.