Уровень фиксированного цианобактериями азота атмосферы

Проблема азотного баланса почв и азотного питания растений — одна из центральных в почвоведении и агрохимии. От ее правильного решения зависит продуктивность и сохранение почвенного плодородия при многолетней эксплуатации земель и сохранение биосферы. В современный период эта проблема связывается с выяснением роли и значения «биологического азота». Под этим термином понимают азот, включенный в растения благодаря азотфиксации. 

В естественных экосистемах растения используют азот из разных источников: из минеральных форм, из органических веществ в том числе и гумуса после его разложения микроорганизмами и от бактерий азотфиксаторов, связывающих молекулярный азот, который в форме аммония и аминокислот поступает в клетки корня. В агроценозах растения дополнительно получают азот из вносимых в почву минеральных и органических удобрений. Азот, включенный в биомассу растений в результате фиксации его бактериями, называют биологическим, а сами бактерии, связывающие молекулярный азот, — азотфиксаторами, или диазотрофами. Доля биологического азота в урожае по разным оценкам колеблется от 20 до 90%. Очень много биологического азота могут получать бобовые растения за счет симбиоза с клубеньковыми бактериями азотфиксаторами. Микробное связывание молекулярного азота — единственный путь снабжения растений азотом, не ведущий к нарушению экологической среды. Обратный эффект дает применение минеральных азотных удобрений. 

Суммарная годовая продукция азотфиксации в экосистемах на Земле не известна, но, вероятно, она очень велика. В сельскохозяйственные угодья вносится 30% связанного азота в виде минеральных азотных удобрений. В основе производства удобрений лежит способ, разработанный в Германии и получивший название метода Габера-Боша. Он заключается в синтезе аммиака из молекулярного азота и водорода на катализаторах при высокой температуре и давлении. Это производство очень энергоемкое и сильно загрязняет окружающую среду.

СО₂ + 4Н₂ = СН₄ + 2Н₂О

В молекуле азота существует очень прочная тройная связь, которая обеспечивает инертность газообразного азота. Для перевода одной молекулы N2b две молекулы аммиака требуется 225 ккал.

Биологический процесс восстановления азота представляет собой цепь ферментативных реакций, в которых главную роль играет фермент нитрогеназа. Активный центр этого фермента состоит из комплекса двух белков, содержащих железо, серу и молибден в соотношении Fe:S:Mo = 6:8: 1. Азот, растворенный в воде, поступает в азотфиксирующий центр, где в его активации участвуют два атома молибдена. После взаимодействия с азотом молибден восстанавливается за счет электронов, поступающих в активный центр через Fe-белок и Mo-Fe-белок. Этот перенос сопряжен с реакцией разложения АТФ, т.е. он идет с затратой энергии. В передаче электронов нитрогеназе участвует железосодержащий водорастворимый белок — фермент ферредоксин, а в активации водорода воды и переносе протонов — фермент гидрогеназа. Реакции, происходящие при работе нитрогеназы. 

У цианобактерий, выделяющих кислород внутриклеточно при фотосинтезе, процесс азотфиксации перемещен в нефотосинтезирующие гетероцисты, где он пространственно изолирован от кислорода. Симбиотические клубеньковые бактерии защищены тканью клубенька и, кроме того, у них имеется леггемоглобин, который транспортирует необходимый для дыхания кислород непосредственно к бактероидам в менее активном связанном виде. 

Азотфиксирующие бактерии по их связи с растениями делят на свободноживущие и симбиотические. В первой группе различают свободноживущие бактерии, которые не связаны непосредственно с корневыми системами растений, и ассоциативные, обитающие в сфере прямого влияния растения, в прилегающей к корням почве (ризосфере) или на поверхности корней (в ризо- плане) и листьев (в филлоплане). К симбиотическим бактериям относятся те, которые живут в тканях растения, стимулируя образование особых разрастаний на корнях или листьях в форме клубеньков.  Симбиоз контролируется комплексом соответствующих комплементарных генов растения и бактерии. 

Исследования показали, что некоторые бактерии не фиксируют азот. Вероятно не удалось подобрать условия для осуществления этого процесса. На протяжении 70 лет не удавалось установить азотфиксацию у чистых культур клубеньковых бактерий, так как не были подобраны подходящие условия. Достаточно было понизить парциальное давление кислорода и они начали фиксировать азот. 

Так называемые свободноживущие азотфиксаторы распространены повсеместно и встречаются среди бактерий самых разных таксономических групп, относящихся как к хемотрофам, так и фототрофам, к аэробам и анаэробам. Первый диазотрофный микроорганизм был обнаружен в конце XIX в. (1898 г.) С.Н. Виноградским среди анаэробных маслянокислых бактерий рода Clostridium. Он назвал его в честь Пастера Clostridium pasteurianum. Вскоре (1901 г.) М. Бейеринком в Голландии был выделен аэробный азотфиксатор, получивший за свою морфологию и цвет (кокковидные бактерии, колонии которых с возрастом темнеют до шоколадного цвета) название Azotobacter chroococcum. Впоследствии способность к связыванию молекулярного азота была установлена у огромного числа почвенных бактерий, в том числе и у цианобактерий (прежнее название — синезеленые водоросли). 

В благоприятных условиях, например на затопляемых почвах рисовников, прибавка азота за счет деятельности цианобактерий может достигать 25-50 кг/га в год. В зональных автоморфных почвах и в агроценозах их вклад в общее азотонакопление не превышает нескольких килограммов азота в год на 1 га. 

Суммарная годовая потенциальная продукция азота свобод- ноживущими азотфиксаторами (в условиях лабораторных экспериментов с внесением источников углерода) для разных почв разная и колеблется от десятков до сотен килограммов на гектар (кг/га в год): дерново-подзолистые 30-200; серые лесные 50-200; черноземы и черноземно-луговые 90-300; каштановые 100-300; сероземы 100-400. 

Ассоциативной азотфиксацией называют накопление азота микроорганизмами, живущими в ассоциации с первичными продуцентами органического вещества — растениями, водорослями или цианобактериями. Эффект высокой нитрогеназной активности в этих ассоциациях связан с поступлением к бактериям от фототрофов легкодоступных источников углерода и энергии в виде экссудатов листьев и корней, внеклеточных слизей цианобактерий, корневого отпада и опада. 

Влияние растений на азотонакопление в прикорневой зоне небобовых растений было отмечено еще в 1926 г. академиком  С.П. Костычевым на примере табака и азотобактера. Процесс ассоциативной азотфиксации тесно сопряжен с фотосинтезом. Он протекает не только в корневой зоне, но и филлосфере, причем на долю последней приходится 10% фиксированного азота. Связующим звеном между фотосинтезом и азотфиксацией служат прижизненные выделения корнями органических веществ. Это могут быть сахара и органические кислоты, полисахаридные слизи (муцигель) и другие экссудаты. 

Общее количество органических соединений, выделяемых корнями, может составлять до 30-40% от суммарной продукции фотосинтеза за вегетационный период, что было установлено, когда растению давали меченую С02. Исходя из этого расчета следует оценивать ассоциативную азотфиксацию примерно в 10-25 кг N2 на 1 га в год для почв средней полосы и до 50-100 кг — в субтропической и тропической зонах, однако пока такие расчеты остаются очень неточными.

В длительных опытах, проведенных в нашей стране и за рубежом, было показано, что потери азота из почвы, в которую азотные удобрения не вносили, минимальны даже в случае монокультур небобовых растений по сравнению с почвами бессменного пара. 

Поступающие в почву через корни органические вещества активизируют деятельность не только диазотрофов, но и микроорганизмов, разлагающих гумус. Таким образом, мобилизация азота в системе «почва-микроорганизмы-растение» происходит по двум каналам — связывание его из атмосферы и извлечение из органических веществ почвы. Включение того или иного процесса и их эффективность определяются наличием в почве легкодоступного азота. При внесении азотных удобрений микроорганизмы переходят от азотфиксации к связыванию (иммобилизации) растворимых форм азота с частичными потерями N2 в атмосферу за счет денитрификации. По мере увеличения соотношения углерода и азота в среде активизируется процесс азотфиксации, а усиление фотосинтетической деятельности растений приводит к возрастанию степени минерализации гумуса. 

Симбиотическая азотфиксация — важнейший резерв биологического азота в почве. Микробные азотфиксирующие симбионты описаны у многих видов разных растений. Проникая в ткани растения, они вызывают опухолевидные разрастания в форме клубеньков на корнях или стеблях.  Наиболее активные и хорошо изученные диазотрофные симбионты — клубеньковые бактерии бобовых растений. Семейство бобовых содержит 674 рода и 19 тыс. видов, из которых 200 используются в сельском хозяйстве. Бобовые распространены по всему миру и по значению занимают второе место после злаков. Уникальным свойством бобовых является формирование корневых клубеньков как у культурных, так и у дикорастущих растений. Однако не все бобовые образуют клубеньки, большинство видов даже не исследовано в этом отношении. 

Образование клубеньков и последующее развитие азотфикси- рующего симбиоза у бобовых происходит в ответ на инфицирование бактериями нескольких родов, относящихся к семейству Rhizobiaceae. В природе и в сельском хозяйстве эти симбиозы играют важную роль как поставщики связанного азота. Не все представители семейства Rhizobiaceae являются полезными. Некоторые виды рода Agrobacterium вызывают болезни растений. Представители рода Phyllobacterium образуют клубеньки на листьях некоторых растений, значение которых пока не ясно. 

Первым в чистую культуру бактерии из клубеньков выделил М. Бейеринк. Систематика клубеньковых бактерий первоначально строилась на названии растения хозяина, была очень проста, понятна и удобна для практического использования клубеньковых бактерий при инокуляции бобовых растений. Это были клубеньковые бактерии клевера, гороха, сои, люпина, люцерны и др. Все они относились к одному роду Rhizobium. Однако в последнее время особенно в связи с глубокими и разносторонними исследованиями нуклеиновых кислот оказалось, что это очень разнородная группа бактерий и часто резко отличающиеся бактерии образуют клубеньки на одном и том же растении и даже один вид бактерий может иметь много растений-хозяев. 

В настоящее время выделяют по меньшей мере четыре рода клубеньковых бактерий: Rhizobium, например Rhizobium leguminosarum bv trifolii (клевер), bv viceae (горох), bv meliloti (люцерна). Это быстрорастущие бактерии; Sinorhizobium (вика, люцерна, соевые, у сесбании клубеньки образуются на стебле); Mezorhizobium; Bradyrhizobium, например Bradyrhizobium japonicum (соя). Это медленнорастущие бактерии. 

Гены азотфиксации у некоторых родов располагаются на плазмиде, у других — на хромосоме. 

Благодаря азотфиксирующим симбионтам бобовые обогащают почву азотом. В зависимости от условий роста растений они накапливают азот от 60 до 300 кг/га в год. 

Клубеньковые бактерии почти полностью обеспечивают потребности растений в азоте. Многолетняя практика применения ризоторфина показывает, что он сильно повышает урожай сои, гороха, люцерны и клевера. При этом содержание белка в урожае существенно повышается. Наиболее высокий хозяйственный эффект ризоторфин дает лишь при соблюдении прогрессивной технологии возделывания бобовых культур. Высев обработанных ризоторфином семян необходимо производить во влажную почву, удобренную фосфором, калием и микроэлементами, особенно молибденом. На почвах слабоокультуренных, бедных азотом, применение ризоторфина следует сочетать с внесением небольших доз минеральных азотных удобрений — не более 45 кг/га. На хорошо окультуренных почвах использование ризоторфина исключает необходимость внесения минерального азота под все виды бобовых.