Фиксация молекулярного азота

Процессы выноса нитратов атмосферными и грунтовыми водами, отчуждение органического азота с урожаем приводят к снижению содержания азота в почве. Проблема азотного баланса культурных почв решается внесением органических и минеральных удобрений.

Азот минеральных удобрений получают в результате промышленного производства НNО₃ и NН₃ из азота воздуха. Химическое связывание N₂ с образованием аммиака: N₂ + 3NН₃ → 2NН₃ осуществляется в присутствии катализаторов при температуре более 500˚ и высоком давлении. Однако азот минеральных удобрений восполняет лишь часть азота, выносимого с урожаем.

Естественным путем запасы азота в почве восполняются за счет фиксации молекулярного азота бактериями, живущими в почве. Бактерии – фиксаторы азота известны двух типов: свободноживущие азотофиксаторы и симбиотические, т.е. живущие в симбиозе с корнями высших растений, преимущественно из семейства бобовых.

Для сельского хозяйства большое значение имеет симбиотическая азотофиксация: бобовые растения + клубеньковые бактерии и симбиоз микроорганизмов с некоторыми другими небобовыми культурами. Так, если свободноживущие азотофиксаторы могут накопить за один год в пахотном слое почвы на 1 га примерно 5-10 килограммов азота, то симбиотическая ассоциация – бактерии + бобовое растение – от 10-20 до 150-200 кг азота, в зависимости от вида бобового растения.

Азотные удобрения в больших концентрациях подавляют в ней азотофиксацию, а в небольших – усиливают. Для усиления азотофиксации в почву вносят азотобактерин – препарат чистой культуры Azotolacter chroococcum в сочетании с раствором и СаСО₃.

1. Свободноживущие азотофиксаторы бывают анаэробы и аэробы. Первые сбраживают сахара (углеродсодержащие вещества) до масляной и уксусной кислот. Выделяющаяся при этом энергия используется на усвоение газообразного азота атмосферы. Аэробы разлагают углеродсодержащие вещества до СО₂ и Н ₂О при помощи О₂. Первые это род Clostricleiem, вторые – Arotobacter.

2. Клубеньковые бактерии. Свое название бактерия получила благодаря способности вызывать образование на корне так называемых клубеньков, которые могут быть различной формы и размеров.

В настоящее время насчитывается около 190 видов растений разных семейств, способных симбиотически усваивать азот. К их числу относятся некоторые деревья и кустарники: ольха, лох, облепиха и др. Клубеньки у небобовых населены актиномицетами. У некоторых тропических деревьев клубеньки развиваются на листьях.

Важное значение в природе имеют некоторые лишайники, представляющие симбиоз гриба и азотофиксирующих цианобактерий. Они развиваются в субарктических зонах на бесплодных участках, являясь пионерами заселения суши.

Наибольший интерес для сельского хозяйства представляют клубеньковые бактерии из рода Rhizobium, живущие в симбиозе с бобовыми. Среди бобовых люцерна может накопить за год до 500-600 кг азота на одном гектаре, клевер – 250-300кг, горох, фасоль – 50-60 кг.

Образование клубеньков происходит следующим путем. Из почвы бактерии проникают в ткани корня через тонкие и нежные оболочки корневых волосков. Отсюда они попадают в паренхиму первичной коры по межклетникам и начинают делиться. Размножение бактерий в клетках корня сопровождается выделением особых веществ, которые стимулируют клеточное деление. При этом сами бактерии превращаются в бактероиды, которые примерно в 40 раз больше, чем исходящая бактерия.

Между клубеньковыми бактериями и бобовыми растениями устанавливаются симбиотические отношения. Бактерии используют органические соединения, поступающие от растения, а растения получают из клубеньков соединения азота. Исследованиями установлено, что в распоряжение растения поступает от 70 до 90% азота, связанного бактериями. Такое усиление азотистого питания бобовых отражается на их химическом составе. В тканях бобовых процент белковых веществ всегда выше, чем у других семейств. Этим объясняется пищевая ценность семян бобовых – фасоли, гороха, сои, а так же высокое кормовое достоинство зеленой массы и сена бобовых – клевера, люцерны, эспарцета и др.

Кроме того, клубеньковые бактерии обогащают почву связанными формами азота. 1 га поля, засеянного бобовыми, получает от 100 до 400 кг азота. Около 1/3 этого количества остается в почве с корнями, опавшими листьями и т.п.

Молекулярный механизм азотофиксации:

Молекула азота прочна и химически инертна (N=N). Биологическая фиксация осуществляется благодаря ферменту – нитрогеназе. Предполагают, что процесс осуществляется трехступенчато.

Нитрогеназа представляет собой сложный ферментный комплекс, который состоит из двух белков, и для его протекания необходим постоянный приток электронов и энергии (АТФ). По оценкам на фиксацию одного моля N₂ необходимо 30-40 молей АТФ. Источником электронов и АТФ для фиксации нитрогеназы у разных типов микроорганизмов могут быть процессы фотосинтеза, дыхания или брожения. Например, свободноживущие бактерии Azotobacter для восстановления 1 г N₂ окисляют 70-100 г глюкозы. Симбионты рода Rhizobium используют фотоассимиляты, синтезирующиеся в листьях растения-хозяина.

Приведенная выше схема действия нитрогеназы упрощена. На самом деле это очень сложный процесс, как и сам фермент, который состоит из нескольких компонентов, в частности в его состав входят 2 атома Мо и около 40 атомов Fе, которые, как полагают, служат источником электронов.

Этот фермент катализирует сразу три типа сопряженных реакций: восстановление субстратов, гидролиз АТФ и выделение Н₂. Активирование водорода обусловливается дегидрогеназами. Кроме N₂ она может восстанавливать м другие соединения с тройной связью (азид, цианид, ацетилен).

Синтезируемый бактероидом NН₂, соединяясь с органическими кислотами, образует в конечном итоге аминокислоты, транспортируемые затем в клетки растения-хозяина.

Для улучшения развития сельскохозяйственных бобовых растений применяют специальный препарат – нитрагин, представляющий собой культуру какого-либо вида клубеньковых бактерий, который вносят в почву. Разработаны специальные приемы заражения семян нужными видами клубеньковых бактерий. При изготовлении нитрагина применяют только эффективные, приспособленные к каждой бобовой культуре виды клубеньковых бактерий.

На эффективность нитрагина большое влияние оказывают внешние условия: рН почвы, доступность Са, Р, микроэлементов, увлажненность, О₂ и т.д.

При благоприятных внешних условиях урожай зеленой массы, например люпина, при внесении нитрагина составил около 300% по сравнению с урожаем без применения этого препарата. По разным культурам эта цифра может быть и выше и достигать даже 900% (люцерна).

Биологический круговорот азота в природе:

нитраты

Биологический круговорот углерода в природе

Биологический круговорот включает как процессы синтеза, так и процессы распада. Синтез органических веществ осуществляется, в основном, растениями и, в меньшей мере, бактериями-хемосинтетиками. Исходным продуктом является СО2.

Углерод оказывается связанным в форме различных органических соединений, которые служат пищей для животных. Здес. Небольшая часть углерода освобождается при дыхании СО2. Затем растения и животные отмирают и микроорганизмами органическое вещество разлагается до минерализации (СО2 + Н2О).

Упрощенная схема круговорота углерода в природе