какие микроорганизмы способны фиксировать атмосферный азот
Микробы, фиксирующие азот из воздуха
Способностью связывать атмосферный азот обладают, как уже говорилось, не только симбиотические микроорганизмы.
Азот воздуха усваивают и некоторые виды микробов, свободноживущие в почве. Первый свободноживущий азотфиксатор был выделен из почвы в 1895 году знаменитым русским микробиологом С. Н. Виноградским и назван клостридием Пастера.
Клостридий Пастера имеет интересную физиологическую особенность: он не переносит кислорода; это так называемый анаэроб. В присутствии кислорода воздуха клостридий может развиваться только тогда, когда по соседству имеются аэробные бактерии, поглощающие кислород и создающие бескислородную атмосферу. Он мало чувствителен к реакции среды и может развиваться как в кислых почвах (pH — 4,5—5,5), так и при щелочной реакции (pH — 8,0—9,0). Довольно большой устойчивостью к внешним воздействиям обладают и споры этого микроба: они в течение нескольких минут выдерживают нагревание до 96° и остаются жизнеспособными.
Развиваясь на питательных средах, включающих различные углеродсодержащие вещества, например, сахара, клостридий разлагает их, образуя масляную и уксусную кислоты, углекислый газ и свободный водород. Процесс разложения органических веществ в бескислородной среде носит название брожения. Анаэробным организмам он заменяет дыхание и также служит источником энергии для всех процессов жизнедеятельности.
Если в питательной среде нет связанного азота, но есть углеводы, клостридий вызывает энергичное их брожение, а выделяющаяся при этом энергия идет на усвоение газообразного азота атмосферы.
Долгое время клостридий относили к слабоактивным фиксаторам азота. Пределом его «возможностей» считали от 1 до 3 мг азота на 1 г сброженного сахара. В последнее время обнаружилось, что этот микроб вяло «работает» только на искусственных питательных средах. Когда же изучили его физиологию и применили особую технику культивирования, близкую к условиям, которые окружают микроб в почве, оказалось, что он связывает азот атмосферы значительно энергичнее и дает 10—12, а в некоторых случаях даже 27 мг азота на 1 г сброженного сахара. Надо полагать, что в естественных условиях — в почве — азотфиксация у клостридия еще более эффективна. Поэтому сейчас исследованию этого микроорганизма уделяют большое внимание.
Второй свободноживущий микроб, фиксирующий азот атмосферы, был открыт голландским микробиологом А. Бейеринком в 1901 году. Он получил название азотобактера.
Азотобактер в своем развитии проходит довольно сложный цикл, состоящий из нескольких стадий. Молодые клетки бактерии подвижны и имеют форму палочек размером 2X4 микрона. Позже они превращаются в крупные неподвижные шарики (кокки) диаметром до 4 микрон, которые содержат различные включения (жир, крахмал, белковые тельца и т. д.). Это стадия зрелости. Старые клетки азотобактера теряют подвижность, еще более увеличиваются в размерах и покрываются толстой оболочкой, образуя так называемые цисты. Цисты — это покоящаяся стадия. Они могут прорастать, давая начало молодым клеткам. Размножение азотобактера происходит обычно, как у всех бактерий, простым делением. Но недавно у азотобактера были обнаружены и другие способы размножения.
На твердых питательных средах, не содержащих азотистых веществ, азотобактер образует различимые невооруженным глазом колонии. Они имеют вид маленьких (1—2 см в диаметре) блестящих, слегка вздутых пятен. Колонии представляют собой скопление однородных микробных клеток. Позже пятна увеличиваются в размерах и приобретают окраску в результате образования особого красящего вещества. По окраске колоний можно различать виды азотобактера.
В отличие от клостридия азотобактер довольно «капризен». Он очень чувствителен, например, к кислотности среды и встречается лишь в очень слабокислых и нейтральных почвах. Азотобактер — аэроб; он может развиваться только в присутствии кислорода воздуха. Правда, недавно было установлено, что этот микроб может существовать при очень малом содержании кислорода в почвенном воздухе, примерно таком, какое выдерживают и наименее анаэробные формы клостридия. Это открытие указывает, что азотобактер может участвовать в накоплении азота в почвах с плохим кислородным режимом, например, в почвах рисовых полей.
Энергию, необходимую для жизнедеятельности и фиксации азота атмосферы, азотобактер получает от окисления различных органических соединений, главным образом углеводов (глюкоза, сахароза, крахмал), солей, органических кислот и т. д. Следовательно, он усваивает азот только тогда, когда в питательной среде есть эти вещества. В благоприятных условиях азотобактер фиксирует до 20 мг азота на 1 г сахара.
В последние годы установлено, что азотобактер синтезирует и выделяет в почву различные витамины и ростовые вещества. Эти данные по-новому объясняют его роль в повышении урожайности сельскохозяйственных культур.
Недавно открыта еще одна группа свободноживущих почвенных азотфиксаторов. Это бактерия, которой в честь одного из пионеров изучения азотфиксаторов дано название бейеринкия. Клетки микроба представляют собой прямые или слегка изогнутые палочки, 2—3 микрона в длину и 0,5—1 микрон в ширину. Молодые формы подвижны и несут реснички, расположенные по всей поверхности тела.
Бейеринкия аэробна, развивается на питательных средах с pH — 4,5—9,0 (лучше всего при pH — 5,6—5,8). Этот микроб широко распространен в кислых почвах. Если в среде нет связанного азота, он фиксирует азот атмосферы примерно с тон же эффективностью, что и азотобактер.
Таковы основные, известные нам, микроскопические собиратели азота. Описанными здесь формами не исчерпывается их список, но именно они наиболее широко распространены в природе и встречаются практически во всех почвах, на которых способны жить высшие растения. Разные по образу жизни, способные развиваться только в присутствии кислорода или только без него, с разной формой клеток (палочки, шарики и т. д.), азотфиксируюшие микробы имеют общее чудесное свойство: превращать неуловимый азот воздуха из «вещи в себе» в «вещь для нас».
Современная микробиология располагает достаточно вескими данными, позволяющими утверждать, что химическая деятельность азотфиксирующих микробов проявляется на всех почвах и имеет такие широкие масштабы, которые необходимо учитывать в практике земледелия.
По последним данным, азотобактер содержится приблизительно в 50% всех почв земного шара. Обычно в 1 г почвы можно обнаружить сотни и тысячи клеток этого микроба. В окультуренных почвах его больше, чем в целинных.
Клостридий обнаружен почти во всех исследованных почвах (около 100%). На каждый грамм почвы приходятся сотни тысяч, а иногда и миллионы клеток микроорганизмов (это объясняется меньшей требовательностью клостридия к условиям среды).
На распространение азотобактера оказывает влияние содержание в почве фосфора и кальция. Эти два элемента значительно стимулируют его развитие и жизнедеятельность. В то же время азотобактер не переносит кислой реакции среды. По-видимому, он не может жить в почвах с pH ниже 6. Зато в таких почвах широко распространена бейеринкия. Она была обнаружена в кислых почвах, pH которых не превышал 5,5.
Клостридии также выдерживают значительную кислотность и часто обнаруживаются в почвах с pH = 5,5—5,0 и даже 4,5 (кислый торф). По-видимому, клостридии — единственные азотфиксаторы, обитающие в кислом торфе. В почвах со щелочной реакцией (pH=8,3) клостридии также хорошо развиваются и фиксируют азот. Больше всего их обнаруживается в почвах с нейтральной реакцией (pH = 7,0).
Безусловно, одной из важнейших групп свободноживущих азотфиксаторов, благодаря которым в почву поступает значительная масса азота, являются анаэробные клостридии. Практически нет почв, где клостридии не были бы обнаружены, притом в количествах, во много раз превосходящих другие азотфиксаторы, а по азотфиксирующей активности клостридий не уступает азотобактеру.
Но присутствие в почве свободноживущих азотфиксаторов еще не говорит о том, что в ней интенсивно идут процессы фиксации азота.
Дело в том, что усвоение азота азотобактером и клостридием идет только тогда, когда для них достаточно углеродной пищи, которая дает им необходимую энергию. Если углеводов недостаточно, нет и притока энергии, нет фиксации азота. Здесь два великих кольца природы — азотный и углеродный циклы — тесно соприкасаются между собой. Этим еще раз подтверждается всеобщая связь и взаимозависимость природных явлений.
Могут ли свободноживущие микробы найти в почве достаточно углеродсодержащих соединений для интенсивной фиксации азота атмосферы? Особенно важно это для клостридиев, так как анаэробным бактериям для усвоения азота нужно переработать больше органического вещества.
Еще сравнительно недавно полагали, что азотобактер и клостридий хорошо «работают» только в почвах, где много растворимых органических веществ. На этом основании многие ученые и практики ставили под сомнение значимость свободноживущих азотфиксаторов в азотном балансе почвы, так как эти вещества в почве не всегда есть. В настоящее время выясняется, что процессы, идущие в почвах, гораздо сложнее, чем представляется на основании изучения почвенных микробов в лабораторных культурах.
Оказалось, что азотобактер и клостридии связаны в своей жизнедеятельности с другими почвенными микробами и с их помощью могут использовать недоступные для чистой культуры продукты, например клетчатку. В почве есть бактерии, разлагающие клетчатку с образованием спиртов и органических кислот; эти вещества и служат углеродной пищей для азотобактера. Эти, так называемые клетчатковые бактерии, в свою очередь, используют азот, фиксированный азотобактером.
Такая «дружеская взаимопомощь и взаимовыручка» — симбиоз двух различных групп микробов — способствует их обоюдному «процветанию». Удалось получить смешанные культуры азотобактера и расщепляющих клетчатку микроорганизмов. Накопление азота в такой совместной культуре составляет 6—14 мг на 1 кг разрушенной клетчатки.
Аналогичные «содружества» обнаружены также у клостридиев с аэробными, расщепляющими клетчатку микробами. В такой «ассоциации» азот фиксируется в количестве 7 мг на 1 г клетчатки. Выявлены также «ассоциации» клостридиев и грибов, тоже способных расщеплять клетчатку.
Сложные взаимосвязи между почвенными микроорганизмами позволяют объяснить фиксацию азота атмосферы в кислых и лесных торфах. А существование этих связей подтверждается многочисленными наблюдениями. Если, например, в почву вносится чистая клетчатка (в виде фильтровальной бумаги), то в ней одновременно быстро размножаются и микробы, разрушающие клетчатку, и азотфиксаторы. В результате количество азота в почве увеличивается с 0,05 до 0,225%. При запахивании на один гектар 2 г соломы (в соломе много клетчатки и лигнина) количество азота в почве увеличивается с 0,7 до 1,31 кг/га, т. е. почти в 2 раза.
Внесение в почву соломы, навоза, компостов и других органических удобрений стимулирует размножение многих почвенных организмов, в том числе и тех микробных «ассоциаций», в которые входят азотфиксаторы. Именно поэтому почва быстро отзывается на удобрение повышением фиксации азота.
Дополнительным источником энергии для свободноживущих азотфиксаторов служат корневые выделения высших растений. Отсюда вытекает, что чем больше масса корней, тем активнее должны работать азотфиксаторы. Иными словами, обильный урожай хотя и уносит из почвы азот, но в то же время способствует восстановлению его положительного баланса.
Давно известно, что азотобактер и клостридий фиксируют азот атмосферы тогда, когда в среде нет связанного азота солей азотной кислоты и аммиака. Если же эти соли в среде есть, бактерии живут и размножаются, не фиксируя азот воздуха. В почвах постоянно содержится какое-то количество связанного азота. Как же работают в них азотфиксаторы? Исследования показывают, что нитратные и аммиачные азотные удобрения, внесенные в почву в значительных концентрациях, подавляют в ней азотфиксаторы. В то же время органический азот навоза, компостов, зеленых удобрений, даже с примесью небольших количеств минерального азота, значительно стимулирует этот процесс. Объясняется это тем, что с органическими удобрениями вносится много углеродсодержащих веществ (клетчатка и другие). Эти данные имеют большой практический интерес для земледелия.
Процессы фиксации атмосферного азота в почве протекают очень сложно и зависят от множества условий. Можно ли экспериментально установить истинное количество азота, накапливающегося в почве в результате жизнедеятельности свободноживущих микробов? Это стало возможным, когда в исследованиях начали применять изотоп азота (N 15 ).
На основании многочисленных исследований академик И. И. Тюрин пришел к выводу, что свободноживущие азотфиксирующие бактерии за вегетационный период обогащают пахотный слой каждого гектара почвы на 5—10 кг азота. Кроме того, сине-зеленые водоросли и некоторые другие организмы (о них речь пойдет дальше) могут дать дополнительно еще несколько килограммов азота. Е. Н. Мишустин считает, что свободноживущие азотфиксаторы обогащают окультуренные почвы СССР ежегодно не менее чем на 1,5 млн. т азота. По данным американских исследователей, свободноживущие азотфиксаторы накапливают во всех почвах США до 4,37 млн. т азота в год.
Таким образом, свободноживущие микроорганизмы обесцвечивают несколько меньшее накопление азота в почве, чем симбиотические клубеньковые, но и они играют очень важную роль в земледелии, и те, и другие — лидеры соревнования «за большой азот».
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Какие микроорганизмы способны фиксировать атмосферный азот
Азот — необходимый компонент важнейших органических соединений: белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др. Основные его запасы сосредоточены в атмосфере в форме молекулярного азота, недоступного для растений, так как они способны использовать его только в виде неорганических соединений.
К прямой фиксации атмосферного молекулярного азота способны лишь некоторые прокариотические организмы: бактерии и цианобактерии. Наиболее активными азотфиксаторами являются клубеньковые бактерии, поселяющиеся в клетках корней бобовых растений. Они переводят молекулярный азот в соединения, усваиваемые растениями. После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными формами азота. Значительную роль в обогащении водной среды азотистыми соединениями играют цианобактерии.
Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными (аммонифицирующими) бактериями до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используется растениями. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислым газом и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты.
Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми видами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Его результатом является обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом.
Процессы нитрификации и денитрификации были полностью сбалансированы вплоть до периода интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений.
Таким образом, роль бактерий в круговороте азота является основной.
Какие микроорганизмы способны фиксировать атмосферный азот
В этой статье расскажем о полезных функциях азотофиксирующих бактерий и подберем препараты на их основе.
Процессы жизнедеятельности
Все азотфиксирующие бактерии по особенностям процессов жизнедеятельности можно объединить в две группы.
Азотфиксирующие бактерии
Среди процессов, от которых зависит биологическая продуктивность на земном шаре, одним из важнейших является фиксация микроорганизмами азота атмосферы. Проблема биологической азотфиксации относится к числу основных проблем сельскохозяйственной и биологической науки. Перед учеными стоит задача изыскать возможности управления процессом азотфиксации и на этой основе увеличить урожайность сельскохозяйственных культур.
Биологический азот может служить существенным дополнением азотного фонда почвы, способствуя повышению ее плодородия и обеспечивая тем самым более экономное расходование технического азота — азота удобрений.
В земной коре общее содержание азота (молекулярного и в виде соединений) достигает 0,04% (по массе). Основная масса азота на Земле находится в атмосферном воздухе; 78% воздуха — чистый молекулярный азот. В количественном выражении это составляет 4*1015 т.
Ни человек, ни животные, ни растения не могут потреблять молекулярный азот, которым изобилует воздушный океан. Столб воздуха над одним гектаром земной поверхности содержит 80 000 т азота. Если бы растения могли его усваивать, этого запаса было бы достаточно для получения 30 ц зерновых с 1 га в течение более полумиллиона лет. Однако растениям нужен азот минеральных соединений, и, «купаясь» в молекулярном азоте, они могут испытывать «азотный голод».
Содержание доступного растениям азота в почве обычно невелико. Поэтому повышение урожайности сельскохозяйственных растений связано в первую очередь с улучшением их азотного питания.
По примерным подсчетам, для сельскохозяйственной продукции земного шара требуется ежегодно около 100 —110 млн. т азота. С минеральными удобрениями вносится лишь около 30% азота.
Дефицит азота в значительной степени компенсируется биологическим путем, в основном за счет запаса азота, аккумулированного в почве микроорганизмами, в первую очередь азотфиксирующими.
К 2000 г. на Земле будет вырабатываться в год примерно 100 млн.т азотных удобрений. Следует думать, что урожаи к этому времени удвоятся и будут выносить из почвы до 200 млн. т азота. Следовательно, и тогда роль микробиологического фактора в азотном обеспечении сельскохозяйственных растений останется весьма значительной. 
Химическая промышленность СССР по выработке минеральных удобрений находится на одном из первых мест в мире. Однако огромная территория сельскохозяйственного использования не позволяет в достаточной мере обеспечить все культуры элементами минерального питания, в том числе и азотом. Поэтому в соответствующих количествах он дается лишь для технических культур.
В СССР при существующих урожаях за год сельскохозяйственная продукция выносит из почвы около 10 млн. т азота. В то же время применение минеральных азотных удобрений у нас не превышает пока 4 млн. т, а органические дают около 2,5 млн. т азота. Так как минеральные удобрения используются растениями далеко не полностью (на 60—70%), то ежегодный дефицит возврата азота составляет не менее 4—5 млн. т.
В ближайшие годы химическая промышленность существенно увеличит выпуск минеральных удобрений. В 1975 г. продукция азотных туков должна возрасти вдвое и зерновые культуры будут получать больше азота в форме минеральных соединений. Это позволит повысить средний урожай примерно до 20 ц/га. Однако и тогда минеральные и органические удобрения не будут компенсировать выноса азота из почвы.
Признавая, таким образом, несомненную необходимость химизации земледлия, нельзя забывать о возможности и целесообразности самого широкого использования биологического азота. Это связано и с улучшением кормовой базы, так как симбиотические азотфиксаторы обеспечивают животноводство дешевым белковым кормом (люцерна, клевер и другие виды бобовых культур).
Выдающийся русский ученый, основатель советской агрохимии Д. Н. Прянишников отметил, что, как бы ни было высоко развито производство минеральных удобрений, никогда не следует забывать о целесообразности использования биологического азота.
В ряде районов черноземной зоны, где почвы возделываются уже более 300 лет, вполне удовлетворительные урожаи получают и без внесения минеральных удобрений. По расчетам же, за это время почвы должны были бы потерять весь находящийся в них азот. В том, что этого не происходит, заслуга азотфиксаторов.
Существуют две группы фиксирующих атмосферный азот микроорганизмов. Одна из них находится в симбиозе с высшими растениями, образуя клубеньки на корнях. К этой группе относятся клубеньковые бактерии. Микроорганизмы другой группы обитают в почве независимо от растений. К ним относятся азотобактер, клостридиум, бейеринкия и другие свободно-живущие микроорганизмы. Потенциальные возможности симбиотических азотфиксаторов значительно выше, чем свободноживущих.
История открытия азотфиксирующих бактерий
Проблема биологического азота возникла с развитием земледельческой культуры. Издавна из практической агрономической деятельности человека было известно, что бобовые растения повышают плодородие почвы. Еще в III — I вв. до н. э. об этом писали греческий философ Теофраст и римляне Катон, Варрон, Плиний и Вергилий.
Первое научное объяснение способности бобовых растений накапливать азот принадлежит французскому агрохимику Дж. Буссенго (1838). Он установил, что люцерна и клевер обогащают почву азотом, зерновые же и корнеплоды истощают. Эти факты он связал со способностью бобовых растений фиксировать азот из воздуха. Однако Буссенго ошибочно представлял, что агентом фиксации являются листья бобового растения. Именно это неправильное заключение через 15 лет привело Буссенго к отрицанию своего открытия.
Стремясь более веско доказать правоту своей мысли, Буссенго провел серию опытов. В отличие от проводимых им ранее экспериментов он на прокаленном песке выращивал теперь уже не проростки бобовых растений, пересаженных с поля, а тщательно промытые семена (люпин и бобы); сосуды с растениями помещались при этом под стеклянный колпак. В таких условиях обогащения растений «воздушным азотом» не произошло. Сейчас это понятно и легко объяснимо.
Именно тщательность постановки опыта, которая исключала возможность заражения корневой системы проростков клубеньковыми бактериями, привела Буссенго к результатам, опровергшим прежние его данные. Считая тем не менее последние опыты более достоверными и не предполагая даже о существовании клубеньковых бактерий, он признал результаты прежних опытов ошибочными и отрекся от них.
Понадобилось несколько десятилетий, прежде чем удалось установить, что молекулярный азот бобовые растения фиксируют только в симбиозе с микроорганизмами, вызывающими образование клубеньков на их корнях.
Огромный опыт, накопившийся к настоящему времени, свидетельствует о большой роли бобовых растений в плодородии почв. Прянишников указывает, что после введения в Европе севооборотов с посевом клевера средняя урожайность зерновых повысилась с 7 до 17 ц на 1 га. В Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева урожаи ржи в шестипольном севообороте с клевером однолетнего пользования на протяжении 50 лет без внесения минеральных удобрений сохраняются на уровне 14 га на 1 га, а без клевера урожай достигает лишь 7 ц. На более плодородных почвах при хорошей агротехнической обработке бобовые растения повышают урожайность еще больше.
Поэтому не удивительно, что в странах с высокоразвитым земледелием обычно до 20— 25% окультуренной площади занято бобовыми растениями. При этом одновременно можно получить и ценный корм — зеленую массу растений, и обогащение почвы азотом.
Бобовые растения играют, по-видимому, главную роль в связывании молекулярного азота в возделываемых почвах. Однако неправильно было бы думать, что все виды бобовых растений в равной степени обогащают почву. Общее увеличение количества азота в надземной массе и пожнивных остатках при культивировании люпина составляет 150—200 кг, клевера красного — 180 кг, люцерны — 300 кг, донника — 150 кг, зерновых бобовых — 50 — 60 кг азота в год на 1 га почвы. При этом прибыль азота в почве для всех перечисленных видов, за исключением зерновых бобовых, составляет примерно 50—70 кг на 1 га.
В настоящее время известно также свыше 200 различных видов других растений, для которых способность фиксировать азот в симбиозе с микроорганизмами, образующими клубеньки на корневой системе или на их листьях, вполне доказана. Большинство из них относится к деревьям и кустарникам.
В дальнейшем список азотфиксаторов пополнился новыми видами микроорганизмов — представителей других систематических групп.
Деятельность всех свободноживущих азот-фиксирующих бактерий в почве ограничена недостатком органических веществ. Поэтому они и не могут обеспечить значительного накопления азота (в среднем они накапливают не более 5 кг азота на 1 га). Их деятельность можно активировать внесением свежего органического вещества.
Проникновение бактерий в корень
К моменту проявления оптимальной активности клубеньки приобретают розовую окраску (благодаря пигменту легоглобину). Фиксировать азот способны лишь те бактерии, которые содержат легоглобин.
Значение хемотрофов
Люди давно заметили, что, если перекопать бобовые растения с почвой, урожай на этом месте будет лучше. На самом деле суть не в процессе вспахивания. Такая почва больше обогащается азотом, столь необходимым для роста и развития растений. Если лист называют фабрикой по производству кислорода, то азотфиксирующие бактерии могут по праву называться фабрикой по производству нитратов. Из-за недостатка знаний их приписывали только растениям и не связывали с другими организмами. Было высказано предположение, что листья могут фиксировать атмосферный азот. В ходе экспериментов было выяснено, что бобовые, которые выросли в воде, такую способность утрачивают. Более 15 лет этот вопрос оставался загадкой. Никто не догадывался, что осуществляют все это азотфиксирующие бактерии, среда обитания которых не была изучена. Оказалось, что дело в симбиозе организмов. Только вместе бобовые и бактерии могут производить нитраты для растений. Сейчас ученые выявили более 200 растений, которые не относятся к семейству бобовых, но способны образовать симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Картофель, сорго, пшеница также обладают ценными свойствами.