6. Фіксація молекулярного азоту

Тільки прокаріоти здатні до фіксації молекулярного азо­ту. Фіксація азоту може здійснюватися як вільно існуючими бактеріями, так і бактеріями, які перебувають у симбіозі з вищи­ми рослинами (бульбочковими бактеріями). Вільно існуючі азотфіксатори вносять 1-3 кг азоту на 1 га ґрунту на рік. У резуль­таті зв'язування азоту бульбочковими бактеріями 1 га ґрунту збагачується 100-300 кг азоту на рік.

ФІКСАЦІЯ АЗОТУ СИМБІОТИЧНИМИ (БУЛЬБОЧКОВИМИ) БАКТЕРІЯМИ

Бактерії, які спричиняють утворення бульбочок у бобових рослин (бульбочкові бактерії) належать до роду Rhizobium (Sinorhizobium). За специфічністю щодо рослини-хазяїна розрізняють кілька видів бульбочкових бактерій: RhLzobium leguminosarum, Rhizobium meliloti, Rhizobium trifolii, Rhizobium lupini та ін. Зараження рослини відбувається тільки через молоді кореневі волоски . Бактерії укорінюються на самому кінчику волоска і ростуть у формі інфекційної нитки до його основи. Потім такі нитки, одягнуті в целюлозну оболонку, проникають крізь тонкі стінки молодих клітин епідермісу в кору кореня і роз­ростаються, утворюючи бульбочки. Бактерії в бульбочках досить швидко розмножуються і утворюють клітини неправильної фор­ми — бактероїди. Молекулярний азот здатні фіксувати тільки бульбочки, які містять пігмент леггемоглобін. Це пігмент, схо­жий на гемоглобін; він має високу спорідненість з киснем. Мож­на вважати, що леггемоглобін полегшує дифузію кисню через клітину рослини до бактероїда.

В основі специфічності симбіозу Rhizobium з рослинами лежить взаємодія лектинів бобових рослин і полісахаридів ризобій. При такому симбіозі рослина забезпечує бактерії поживними речо­винами (цукрами) і створює для них оптимальні умови.

У деяких небобових рослин також є кореневі бульбочки, здатні фіксувати азот. У цьому разі фіксація азоту основана на симбіозі з прокаріотами — актиноміцетами роду Franckia. Слід зазначити, що і ціанобактерії також можуть бути партнерами, що фіксують азот, у симбіозі з вищими рослинами.

ФІКСАЦІЯ АЗОТУ ВІЛЬНО ІСНУЮЧИМИ БАКТЕРІЯМИ

Здатність до фіксації азоту виявлена у багатьох бактерій (аноксигенних фототрофних, ціанобактерій, факультативних анаеробів, хемолітоавтотрофів, метилотрофів, сульфатредукторів, метаногенів).

Особливо активно фіксують азот види роду Azotobacter (близько 20 мг азоту на 1 г використаного цукру). Розрізняють кілька видів Azotobacter, поширених у різних місцях існування (табл. 6.4).

Табл. 6.4 Представники групи Azotobacter та їх поширення

Бактерії роду Azotobacter є грамнегативними, клітини від­носно великі, строгі аероби, в певних умовах рухливі (рух за допо­могою джгутиків), здатні окиснювати різні органічні сполуки. Утворення слизу та наявність темних пігментів надають коло­ніям характерного вигляду. За браку поживних речовин утво­рюють форми спокою — цисти.

Фіксація азоту вільно існуючими ціанобактеріями має вели­ке значення на рисових полях. Вони зв'язують до 30-50 кг азо­ту на 1 га на рік. Взагалі здатність до фіксації азоту виявлена у 40 видів ціанобактерій.

БІОХІМІЯ АЗОТФІКСАЦІЇ

Азотфіксація здійснюється ферментним комплексом — нітрогеназою. Нітрогеназа складається з двох компонентів: білка, до складу якого входять молібден, залізо та сірка, і білка, який містить залізо та сірку. Як сам фермент, так і процес азотфік­сації є дуже чутливими до молекулярного кисню. Для фіксації азоту необхідні енергія та відновлювальні еквіваленти, які можуть бути одержані в процесі фотосинтезу, дихання чи бродіння.

У багатьох бактерій нітрогеназа утворюється тільки тоді, коли вона необхідна, тобто за відсутності джерела зв'язаного азоту. Іони амонію пригнічують синтез нітрогенази.

За азотфіксацію відповідальними є так звані nіf-гени. Амери­канськими вченими сконструйована бактеріальна плазміда, в яку включені всі 17 відомих nіf-генів з азотфіксувальної бактерії Klebsiella pneumoniae. При перенесенні такої плазміди в Escherichia coli ця бактерія ставала азотфіксувальною. Французьким ученим вдалося ввести 17 nif-генів у дріжджі, які є еукаріотами та більш близькими до рослин, ніж прокаріоти. Проте nіf-генів у складі дріжджової клітини виявилися не здатними фіксувати азот. Разом з тим ці дослідження додають впевненості в тому, що все-таки вдасться здійснити введення генів азотфіксації і в рос­лини (насамперед у хлібні злаки).