46. Питание микроорганизмов. Источники азота. Характеристика процесса азотфиксации. Механизм диазотрофии.

Все автотрофные микроорганизмы усваивают азот из неорганических соединений.

У гетеротрофов по отношению к источнику азота, как и по отношению к источнику углерода, проявляется избирательность.

Паразиты используют органические азотсодержащие вещества клеток хозяина.

Источником азота для сапрофитов могут служить как органические, так и неорганические азотсодержащие соединения. Одни способны расти только на субстратах, содержащих сложные азотсодержащие вещества, так как сами синтезировать их из более простых соединений не способны.

К числу реакций превращения азотсодержащих веществ микробами относятся процессы: азотфиксация; нитрификация; денитрификация; аммонификация.

*Азотфиксация – аэробный процесс связывания неорганического азота атмосферы и перевод его в форму нитритов и нитратов, доступную для использованиями другими организмами. Процесс осуществляется азотфиксирующими бактериями, способными усваивать атмосферный азот в симбиозе с высшими растениями (симбиотические азотфиксаторы) и свободноживущими азотфиксаторами.

К симбиотическим относятся клубеньковые бактерии рода Rhizobium, поселяющиеся в корнях высших растений.

Свободноживущими микробами, обогащающими почву соединениями азота в процессе его фиксации, являются бактерии родов Azotobacter (1901 г., Бейеринк), Clostridium (вид Cl.pаsteurianum, 1893 г., Виноградский), Nostoc.

Свободноживущие диазотрофы подразделяются на следующие группы:

хемотрофные микроорганизмы, которым относятся анаэробные сульфатредукторы Clostridium, аэробные гетеротрофы Bacillus, семейство Enterobacteriaceae и метанотрофы;

фототрофные микроорганизмы, к которым относятся пурпурные, зеленые бактерии, гелиобактерии, цианобактерии.

Свободноживущих азотфиксаторов можно подразделить на истинно свободных и ассоциативных, входящих в состав ризосферы.

Из ризосферы обычно выделяют Azotobacter и Enterobacteriaceae.

Среди симбиотических бактерий наиболее распространены актинобактерии рода Frankia (образуют клубеньки на корнях и листьях) и Rhizobium.

При вступлении в симбиоз часто меняют морфологию, внедряются в ткани растений и преобразуют их за счет выделения леггемоглобина. Этот белок-фермент состоит из гема, синтезируемого бактериальным компонентом и белкового компонента, вырабатываемого растением.

Симбиотические бактерии могут продолжать азотфиксацию в чистой культуре при отделении от растительного сожителя при пониженном парциальном давлении, хотя азотфиксация и менее эффективна.

Механизмы встречи симбионтов:

-растения выделяют белки-аттрактанты для микроорганизмов;

-почвенные микроорганизмы синтезируют ростовые факторы для растений;

-зона корня – зона повышенной концентрации питательных веществ.

нитрогеназный ферментный комплекс позволяет осуществлять фиксацию азота. Состоит из Fe-белка (64 кДа, 4 атома Fe) и MoFe-белка (220 кДа, 2 атома Мо и от 28 до 32 атома Fe). Нитрогеназа кодируется nif-компактным кластером. Молекулярный азот стабилен, для разрыва атомарных связей необходима энергия, которая затрачивается в виде АТФ. Нитрогеназа активна только в присутствии обоих белков, но они взаимозаменяемы у разных видов. Нитрогеназная система может восстанавливать и другие вещества, кроме Н+, например этилен в ацетилен. В отсутствии азота при условии активности нитрогеназы будет выделяться водород.

У симбиотических азотфиксаторов нитрогеназный комплекс аналогичен и взаимозаменяем, как для анаэробов, так и для аэробов. Комплекс весьма чувствителен даже к следовым количествам кислорода. В результате эволюционных процессов различные роды бактерий создали свои стратегии защиты нитрогеназы от воздействия кислорода

Цианобактерии имеют толстую клеточную стенку, защищающую от проникновения кислорода внутрь клетки, вырабатывают оксидазу.

Azotobacter имеет развитую слизистую капсулу, вырабатывает оксидазу, имеющую высокое сродство к кислороду (до 10-7 моль). Нитрогеназа обладает компактной укладкой, препятствующей воздействию кислорода.

Клубеньковые бактерии имеют самую высокую степень защиты от воздействия кислорода. Растение вырабатывает леггемоглобин, который активизирует оксидазу и повышает ее сродство к кислороду до 10-9 моль.

Вывод:

Только прокариоты способны использовать запасы азота, содержащиеся в атмосфере, – фиксировать молекулярный азот. Они переводят инертный N2 в органические соединения и включают его (непосредственно или через растения) в белок, который в конечном счете попадает в почву.

Азотфиксация по значению сопоставима с процессом фотосинтеза, т.к. недоступный азот атмосферы (около 75 % всех газов) переводится в доступную форму.

Азотфиксирующих бактерий можно использовать как живые удобрения для внесения в почву.

Диазотрофия замыкает цикл азота на Земле.

Способностью к диазотрофии обладают 80 родов эубактерий и 3 рода термоархеев.