Азотфиксация

Фиксация атмосферного азота в природе происходит физико-химическим и биологическим путем. Небиологический путь фиксации азота (грозовые разряды, работа двигателей внутреннего сгорания) дает всего 0,5% фиксированного азота. При электрических разрядах азот вступает в реакции с кислородом или водородом и попадает на землю в виде оксидов азота или аммиака. Основной путь пополнения дефицита азота в почве – процесс азотфиксации. Способность фиксировать молекулярный азот – уникальный процесс, присущий только прокариотам. За счет деятельности азотфиксаторов в почву ежегодно поступает 60-75% азота от общего его содержания в почве.

Способность микроорганизмов фиксировать азот была установлена С.Н. Виноградским и голландским ученым М. Бейеринком. Способность фиксировать молекулярный азот присуща многим систематическим группам бактерий (клостридии, сульфатредуцирующие бактерии, энтеробактерии, фотосинтезирующие спириллы, актиномицеты и многие другие группы прокариот). Существуют свободноживущие и симбиотические азотфиксаторы.

Свободноживущие азотфиксаторы. Представителем этих микроорганизмов является Clostridium pasteurianum, выделенный в 1893 г. С.Н. Виноградским. Это спорообразующие грамположительные анаэробные палочки, имеющие размеры 1,5х10 мкм. Они широко распространены в природе, являются возбудителями маслянокислого брожения.

Бактерии рода Azotobacter выделены в 1901 г. М. Бейеринком. Это аэробные бактерии. Молодые клетки представляют собой грамотрицательные полиморфные палочки, но в зрелом возрасте могут иметь форму диплококков, покрыты толстой слизистой капсулой. Молодые клетки подвижны. При росте на безазотистых питательных средах азотобактеры образуют слизистые выпуклые колонии, окрашенные в темно-коричневый цвет (A.chroococcum), в желтый (A.vinelandii) и другие цвета. Источником углерода и энергии для азотобактера служат углеводы, спирты, органические кислоты. Источниками азота, кроме молекулярного, могут быть соли аммония, нитраты, нитриты, аминокислоты, мочевина. При культивировании на азотсодержащих средах азотобактер утрачивает азотфиксирующую способность.

Аэробные азотфиксирующие бактерии рода Beijerinkia имеют морфологическое сходство с азотобактером, но отличаются медленным ростом м высокой кислотоустойчивостью (развиваются при рН=3,0). К свободноживущим азотфиксаторам относятся также фотосинтезирующие бактерии, некоторые микобактерии, актиномицеты, синезеленые водоросли.

Симбиотические азотфиксаторы. Это клубеньковые бактерии, впервые обнаруженные в 1866 г. М.С.Ворониным на корнях люпина и ольхи в клубеньках. Клубеньковые бактерии чаще всего обнаруживаются там, где растут бобовые растения, хотя могут встречаться в почве и в свободном состоянии. Клубеньковые бактерии объединены в род Rhizobium (греч. rhizo – корень, bios – жизнь). Они проникают через корневые волоски в корневую систему растений и стимулируют деление тетраплоидных клеток корня, приводящее к образованию клубеньков. В клубеньках происходит интенсивное размножение бактерий. В молодых клубеньках большинство бактерий имеет форму палочек, с возрастом появляются клетки неправильной формы – бактероиды (L V X ), в которых происходит фиксация азота.

Клубеньковые бактерии характеризуются: специфичностью – способностью образовывать клубеньки только на корнях определенных видов бобовых растений; вирулентностью– способностью проникать через корневые волоски в корни растений и там образовывать клубеньки; активностью – интенсивностью фиксации азота. Активность клубеньковых бактерий связана с наличием в них гемоглобина, который называется леггемоглобин. Это единственный представитель гемоглобинов, обнаруженных в растительном мире. Образование его возможно только в симбиозе бактерий с растениями. Ни клубеньковые бактерии, ни бобовые растения сами по себе не способны к синтезу гемоглобина. Леггемоглобин выполняет функции регулятора парциального давления кислорода и транспорта электронов в азотфиксирующую систему.

Отношения между клубеньковыми бактериями и бобовыми растениями – пример мутуализма (симбиоза, при котором оба симбионта извлекают выгоду от совместного сожительства: растение получает азот, а бактерии используют корневые выделения ).

В настоящее время установлена способность ризобий осуществлять фиксацию атмосферного азота вне симбиоза с растениями (впервые доказано М.В.Фёдоровым). Доказана также способность к азотфиксации у представителей рола Escherichia, живущих в качестве комменсалов в пищеварительном тракте человека, найдены азотфиксаторы в кишечнике некоторых животных).