37. Превращение соединений азота микроорганизмами.

Азотофиксация

К азотофиксаторам относят две основные группы бактерий: свободноживущие (ассоциативные) и симбиотические (или клубеньковые) (табл.4).

Таблица 4. Основные группы диазотрофов

Свободноживущие (ассоциативные) азотофиксаторы Симбиотические

азотофиксаторы

ПРЕДСТАВИТЕЛИ

Симбионты бобовых –

Род Rhizobium

Azotobacter, Azospirillium, Klebsiella, Enterobacter, Nostoc,

Anabaena, Clostridium Симбионты небобовых растений –

родFrankia

Обитают в ризосфере, ризоплане растений, Образуют симбиотические клубеньки

обладают Нитрогеназной Активностью, могут в значительной

на корнях растений

мере заменить минеральный азот, предохраняют от избытка

нитратов в продукции. Обладают высокой антибиотической активностью (комплексное питательное и защитное действие)

Фиксация атмосферного азота свободноживущими бактериями (ассоциативная диазотрофия)

Ассимиляция атмосферного азота микроорганизмами – диазотрофия - имеет важное значение в балансе азота в почве. Еѐ осуществляют свободноживущие и симбиотические микроорганизмы: бактерии, актиномицеты, цианобактерии.

Среди свободноживущих наиболее распространены бактерии родов AzotobacterиClostridium.

Бактерии Azotobacter Chroococcum фиксируют азот в аэробных условиях. На агаре образует слизистые колонии. Молодые клетки имеют вид попарно соединенных крупных, коротких палочек с закругленными концами. Они подвижны, перитрихи. По мере развития они теряют подвижность, становятся эллипсоидными, а затем круглыми. Часто окружены слизистой капсулой, которая выявляется после окраски клеток фуксином и смешивания с разбавленной тушью (рис. 30). Внутри клеток ясно выражена зернистость. В качестве источника углерода азотобактер использует моно-, дисахариды, спирты и соли органических кислот, в том числе и бензойной. В неблагоприятных условиях образуют цисту.

Clostridium Pasteurianum -облигатный анаэроб.Энергию для всех процессов жизнедеятельности,в томчисле для ассимиляции атмосферного азота, бактерии этого вида получают за счет маслянокислого брожения.

Цианобактерии-азотофиксаторы относятся к родам Nostoc, Anabaena. Все цианобактерии фотоавтотрофы, аминоавтотрофы, аэробы. Образуют специализированные клетки – Гетероцисты, Которые защищены от окисления кислородом воздуха толстой оболочкой. Это имеет большое значение, так как процесс азотофиксации восстановительный, кислородом он ингибируется.

Химизм:Процесс усвоения азота происходит по восстановительному пути и отражается схемой:

NH2

2[H] 2[h] 2[h]

N ≡ N NH=NH NH2 – NH2 2NH3 R—CH 2—COOH

Азот диимид гидразин аммиак аминокислота

АТФ АТФ АТФ

Аммиак используется для аминирования кетокислот с образованием аминокислот. Процесс идет с использованием восстановительных эквивалентов (НАДФ•H2) и энергии АТФ. Для восстановления 1 молекулы N2 до аммиака затрачивается 12 молекул АТФ.

Способность к фиксации атмосферного азота обусловлена наличием сложной системы ферментов – Нитрогеназой. Эти ферменты кодируются17генами и подразделяются на2фракции:

• молибдобелок – фракция, содержащая молибден;

• железобелок – фракция, содержащая железо.

Процесс играет колоссальную роль в природе, так как в нем происходит превращение азота в доступные для живых организмов формы, повышается почвенное плодородие.

Симбиотическая азотофиксация

Этот процесс осуществляется многими микроорганизмами в симбиозе как с бобовыми, так и с не бобовыми растениями.

Наиболее изучена фиксация азота бактериями рода Rhizobium в симбиозе с бобовыми растениями (рис.31). Известно 1300 видов бобовых, на корнях которых бактерии образуют клубеньки.

Представители рода Rhizobium - грамотрицательные бесспоровые палочки размером 0,5-0,9 х 1,2-3 мкм (рис.32а). Имеют жгутики (монотрихи или перитрихи). При старении теряют подвижность, накапливают жировые включения.В зрелой клубеньковой ткани бактериальные клетки превращаются в бактероиды: грушевидные, сферические или ветвистые образования .В таком виде клубеньковые бактерии наиболее энергично усваивают атмосферный азот. На питательных средах бактерии рода Rhizobium усваивают органические вещества (гетеротрофы), аэробы, могут использовать в качестве источника азота как минеральные, так и органические его формы, но не атмосферный азот. Способность к азотфиксации у ризобий сохраняется

только в симбиозе с тканями бобовых растений.

Химизм симбиотической азотофиксации и ферменты те же, что и у свободноживущих микроорганизмов.

Аммонификация белков (минерализация азота)

Процесс выделения азота из аминокислот и превращение его в аммиачную форму называется аммонификацией. Микроорганизмы, вызывающие этот процесс, выделяют в окружающую среду протеолитические ферменты, под действием которых белки гидролизуются до аминокислот» Последние

поступают в клетку и в ней дезаминируются с образованием аммиака, органических кислот и других продуктов.

Возбудителями процесса аммонификации являются аммонифицирующие или гнилостные бактерии. Их можно разделить на три группы по отношению к источникам кислорода:

1.Аэробы:Bacillus mycoides, Bacillus subtilis, Bacillus megatherium, Bacillus mesentericus.

Bacillus Mycoides –палочки5-10х1,0-1,5мкм,перитрихи,соединяются в цепочки,образуя жирныепленки на поверхности жидкой среды. Споры овальные, расположены эксцентрально (рис.33А).

Bacillus Subtilis -палочки короткие и тонкие, 3-5х0,6мкм,нередко соединены в длинные нити.Спорыовальные, расположены без строгой локализации (рис.33Г).

Bacillus Mesentericus -палочки тонкие,длинные и короткие, 3-10х0,5-0,6мкм,одиночные или соединеныв длинные нити. Споры овальные и продолговатые, бациллярного типа.

Bacillus Megatherium -клетки толстые до2мкм в диаметре,длина от3до12мкм.Содержимое клетокгрубозернистое с большим количеством питательных веществ (жир, гликоген) (рис.33Б).

2. Анаэробы факультативные:

Proteus Vulgaris -палочки длиной от1до20мкм,перитрихи,спор не образуют,грамотрицательны

(рис.33В) .

Escherichia СOli -кишечная палочка.Небольшие грамотри-цательные палочки,перитрихи,спор необразуют.