Азотфіксуючі мікроорганізми в мікробно-рослинних системах

Біологічна фіксація молекулярного азоту - фундаментальна проблема, розробка якої необхідна для поповнення азотного фонду грунтів, підтримання та підвищення ґрунтової родючості та забезпечення населення планети екологічно чистими продуктами харчування. Рослини здатні засвоювати мінеральні сполуки азоту, вміст яких в грунті часто обмежена. Тому роль симбіотичних, асоціативних і вільноживучих азотфіксуючих мікроорганізмів, здатних переводити молекулярний азот атмосфери в засвоювану рослинами форму, виявляється вирішальною у поліпшенні живлення рослин.

Мікроорганізми, що засвоюють молекулярний азот, називаються діазотрофами. Якщо молекулярні механізми фіксації азоту різними діазотрофами схожі, то біологія самих діазотрофів дуже різна. Ріст, розвиток, взаємодія цих мікроорганізмів з рослинами і грунтом мають свої характерні риси.

Властивістю діазотрофії володіють виключно прокаріоти - представники більшості таксономічних груп бактерій і архей з різноманітними фізіологічними особливостями. Мікроорганізми, здатні фіксувати молекулярний азот, присутні практично у всіх екосистемах, оскільки мають перевагу в освоєнні різних еконіш з низьким вмістом азоту. Передбачається, що гени азотфіксації часто передаються шляхом горизонтального переносу від одного виду чи роду мікроорганізмів до іншого. Можливість такого перенесення експериментально підтверджена здійсненням кон'югаціонного перенесення nif-генів (генів азотфіксації) від Klebsiella до Escherichia. Також можливий горизонтальний перенос симбіотичних генів від одного виду ризобій іншому (наприклад, від біоагента інокулянту ендемним ризобіям інших видів).

Біологічна азотфіксація являє собою складний процес, в якому беруть участь ферменти, що відновлюють азот, а також безліч регуляторних білків, що кодуються більш, ніж 20 генами, розташованими в 7 або 8 оперонах. За трансформацію молекулярного азоту в мінеральні та органічні сполуки відповідає нітрогеназний комплекс.

Відомо чотири типи нітрогенази: класична Mo-залежна і три альтернативних - V, Fe- і супероксидзалежна.

Ферментний комплекс класичної нітрогенази складається з двох субодиниць: MoFe-білка, кодованого генами nifD і nifK, і Fе-білка, що кодується геном nifH. Останній є одним з найбільш консервативних функціональних генів, а філогенія бактерій, заснована на аналізі послідовностей цих генів, узгоджується з даними аналізу генів 16S рРНК.

Як сам фермент нітрогеназа, так і процес фіксації атмосферного азоту (N2) відрізняються високою чутливістю до молекулярного кисню. Це дозволяє зрозуміти, чому як у вільноживучих азотфіксуючих бактерій, так і в тканини бульбочок є особливі механізми, що захищають нітрогеназу від високого парціального тиску кисню.

Нітрогенази різних азотфіксаторів розрізняються молекулярною масою, вмістом металів і складаються з декількох субодиниць. Молекулярна маса (м.м.) MoFe-білка різних нітрогеназ знаходиться в межах 200-250 кДа. Фермент містить два атоми молібдену, 28-34 атома заліза і 18-24 атома сірки в одній молекулі. Молекулярна маса Fe-білка коливається від 50 до 70 кДа. Цей компонент нітрогенази містить атоми заліза й сірки.

Mo-залежна нітрогеназа - один з найбільш повільно працюючих ферментів. Тому активні діазотрофи синтезують велику кількість цього ферменту - до 20% загальної кількості білків у клітині.

Нітрогеназа є каталізатором фіксації азоту в наступній реакції:

N2 + 8Н⁺ + 8е^- + 16 АТФ = 2 NH3 + Н2 + 16 АДФ + 16 Фн.

Нітрогеназна система має низьку субстратну специфічність, тобто має здатність відновлювати широкий спектр сполук з потрійним зв'язком, наприклад, відновлює не тільки молекулярний азот (N≡N), але і ацетилен (НС = СН), азид, закис азоту, ціанід, нітрити, ізонітріли і протони. На відновленні ацетилену заснований найбільш простий метод, що дозволяє виявити нітрогеназу. Ацетилен відновлюється тільки до етилену, який легко піддається кількісному визначенню за допомогою газової хроматографії. Всі досі досліджені азотфіксуючі мікроорганізми і симбіотичні системи здатні відновлювати ацетилен.

Більшість азотфіксуючих бактерій поряд з нітрогеназой містить і гідрогеназу (класичну), що активує Н2. Функція цієї гідрогенази полягає, мабуть, у використанні водню, що утворюється при фіксації молекулярного азоту.

Нітрогеназний комплекс, який утворює аміак з азоту повітря, діє за фізико-хімічними законами дуже економно: якщо в середовищі існування досить іонів амонію або нітратів, він припиняє роботу. Споживання рослинами аміаку, що утворився при азотфиксації або відновленні нітратів грунту, здійснюється за участю ферментів, пов'язаних з біосинтезом первинних амінокислот, насамперед глутамінової, аспарагінової кислот та їх амідів. В результаті азот у вигляді аміногруп втягується в біосинтетичні реакції метаболічних шляхів.

Біологічна азотфіксація являє собою глобальний процес, що забезпечує існування життя на нашій планеті. Так, загальна біологічна фіксація азоту на Землі становить 17,2 • 10⁷ т на рік, що в 4 рази перевищує зв'язування N2 у формі NH3 на підприємствах хімічної промисловості. За приблизними підрахунками, для отримання сільськогосподарської продукції земної кулі потрібно щорічно близько 100-110 млн тон азоту. З мінеральними добривами вноситься лише близько 30% необхідної її кількості. Значна частина потреби може бути заповнена за рахунок симбіотичної азотфіксації, продуктивність якої становить 100-400 кг N / га в рік.