III этап. Денитрификация

Денитрификация – это процесс восстановления нитрата до молекулярного азота через ряд промежуточных продуктов:

NO₃^ֿ → NO₂^ֿ → NO → N₂O → N₂

Процесс окисления NO₃^ֿ до NO₂^ֿ называется нитратным дыханием. К денитрификации способны бактерии различных родов: Thiobacillus, Pseudomonas, Paracoccus и др.

Значение денитрификации. Денитрификация – это процесс, который осуществляют только прокариоты. Это единственный биологический процесс, благодаря которому связанный азот преобразуется в свободный азот N₂. С другой стороны денитрификация ведет к обеднению почвы азотом.

IV этап. Фиксация молекулярного азота

К фиксации молекулярного азота атмосферы способны только прокариоты. Свободноживущие и симбиотические азотфиксирующие бактерии переводят инертный азот в органические соединения и включают его (непосредственно или через растения) в белок. Ежегодно в наземных экосистемах эти бактерии фиксируют 175-190 млн. тонн молекулярного азота.

С биохимической точки зрения азотфиксация – это восстановление молекулярного азота до аммония. Ключевым ферментом биофиксации азота является нитрогеназа. Этот фермент отличается высокой чувствительностью к кислороду. Гены азотфиксации (nif-гены) локализуются в плазмидах.

Фиксация азота клубеньковыми бактериями. Бактерии, вызывающие образование клубеньков у бобовых растений, относятся к сем. Rhizobiaceae. Заражение растения происходит только через молодые корневые волоски. Бактерии внедряются на самом конце или около конца корневого волоска и растут в форме инфекционной нити до его основания. Затем такие нити, одетые целлюлозной оболочкой, проникают в кору корня. Натолкнувшись здесь на одну из тетраплоидных клеток коры, нить стимулирует деление этих клеток. В результате происходит образование клубенька. Бактерии в клубеньках быстро размножаются и превращаются в бактероиды – крупные клетки неправильной формы, в которых и происходит фиксация молекулярного азота. В клубеньках поддерживается низкая концентрация кислорода, т.к. нитрогеназа чувствительна к кислороду. Для обеспечения клеток кислородом растение инициирует синтез специального белка – леггемоглобина, который обладает большим сродством к кислороду. Леггемоглобин облегчает диффузию кислорода через клетку растения к бактероиду. Растение обеспечивает бактероиды питательными веществами, образующимися при фотосинтезе, а бактерии, в свою очередь обеспечивают растение связанным азотом в форме аммония.

Фиксация азота свободноживущими азотфиксаторами. Первыми открытыми свободноживущими азотфиксаторами были анаэробная бактерия Clostridium pasteurianum и Azotobacter chroococcum. В дальнейшем было выявлено, что к фиксации молекулярного азота способны бактерии различных систематических групп: фототрофные бактерии, в том числе цианобактерии; сульфатредуцирующие бактерии, метанобразующие бактерии и даже один из возбудителей пневмонии – Klebsiella pneumoniae.

Наиболее эффективна симбиотическая азотфиксация. Так, за счет деятельности клубеньковых бактерий ежегодно почва обогащается азотом в количестве 100-300 кг/га. Свободноживущие азотфиксаторы вносят в почву 1-3 кг/га в год. Наиболее эффективные азотфиксаторы из свободноживущих – это цианобактерии. На рисовых полях они связывают 30-50 кг азота на га в год.