Житомирський державний університет імені Івана Франка

Природничий факультет

Кафедра: ботаніки, біоресурсів та збереження біорізноманіття

Реферат

Інтерес до азотного живлення рослин проявився в XVІІІ ст. після відкриття в 1777 році азоту, як хімічного елемента.

Перші фундаментальні досліди в органічному плані відносяться до середини ХІХ ст., коли в 1837 р. Буссенго розробив наукову теорію живлення рослин. азот органічний симбіотичний

В середині 50-х років стало очевидно, що асиміляція мінерального азоту на відміну від асиміляції вуглецю може відбуватися, як в коренях так і в листях. Вміст загального азоту в орному шарі різних ґрунтів коливається в межах 0,05 - 0,3 %, і залежить від типу ґрунту, вмісту органічної речовини.

Великі запаси азоту на нашій планеті представлені його відновленими й окисленими газоподібними формами (N2, NH3, N2O, NO, NO2). Найбільшу частину атмосферних газів складає молекулярних азот - 78,09% по обсягу 75,6% по масі

Молекулярний азот атмосфери не може засвоюватися більшістю вищих рослин. Ці рослини можуть використовувати для свого живлення переважно мінеральні сполуки цього елемента, які знаходяться у ґрунті. Однак існує велика група ґрунтових вільноживучих і симбіотичних мікроорганізмів, які, завдяки наявності у них нітрогеназної системи, мають здатність засвоювати молекулярний азот атмосфери.

Процес зв'язування атмосферного азоту посідає важливе місце в системі великого кругообігу речовин і біологічної рівноваги на Землі. Азот є основним елементом, від якого значною мірою залежить доля урожаю сільськогосподарських культур, а тому проблема перетворення його мікроорганізмами привертає до себе велику увагу як вчених, так і практиків сільськогосподарського виробництва.

Актуальність теми. У біосфері планети фіксація молекулярного азоту вільноживучими і симбіотичними азотфіксаторами є унікальним процесом, що забезпечує живлення рослин екологічно чистим зв'язаним азотом, поліпшує якість рослинної продукції, сприяє підвищенню родючості грунтів. Рослини отримують із ґрунту зв'язаний азот, тому інтенсивність росту рослин, зокрема врожайність сільськогосподарських культур, залежить, головним чином, від умов грунтового живлення.

Мета даної роботи сформувати поняття про роль азоту в житті рослин

Предмет дослідження азот та його кругообіг.

Об'єкт дослідження процес засвоєння азоту рослинами.

Завдання даної роботи:

1. Роль азоту в житті рослин

Азот - один з головних біологічних елементів. Він входить до складу основних полімерів будь-якої клітини - структурних білків і білків - ферментів, нуклеїнових і аденозинфосфорних кислот. Його перетворення в біосфері пов'язані з утворенням первинної рослинної продукції.

З врожаєм відбувається постійний винос азоту з ґрунту, що перевищує 100 млн т/рік. Виробництво мінеральних азотних добрив, яке досягає 60-70 млн т/рік, вимагає енерговитрат. У той же час коефіцієнт їхнього використання рослинами не перевищує 50%. Надлишок його викликають забруднення окремих екосистем і біосфери в цілому, що приводить до негативних наслідків. Таким чином, проблема азоту перетворюється в глобальну соціальну проблему.

До складу сухої рослинної речовини входить азот (близько 1,5%). Азот є складовою частиною білкової речовини, і тому йот го більше скупчується в тих органах рослини, в яких міститься більше білкових речовин. Так, насінини метеликових рослин містять азоту від 3 до 6%, зерна хлібних злаків - від 1 до 3%., листки і бруньки - від 1 до 5%, корені і стебла - менше 1 %, а деревина, особливо бідна на живі клітини, містить азоту менше 0,5%. Білкові речовини синтезуються (створюються) в зеленій рослині, і неорганічний азот бере участь в цьому синтезі.

Азот в рослину надходить з навколишнього середовища, в якому він перебуває у формі різних сполук. Найбільше азоту в повітрі у вигляді газу (повітря на 80% за об'ємом складається з азоту). Крім вільного азоту, в повітрі зустрічається дуже мала кількість аміачного азоту і азоту у формі окислів.

В грунті азот міститься в органічних сполуках, амонійних і азотнокислих солях. На кілограм багатого грунту припадає приблизно органічного азоту 2,101 г, аміачного азоту 0,019 г і нітратного азоту 0,029 г. Ґрунтовий азот відзначається рухомістю. Органічний азот переходить в аміачний, а останній йде на утворення селітри. Процес утворення селітри називається нітрифікацією. Він відбувається під впливом бактерій (докладніше про це в розділі IX).

Прості спостереження за розвитком рослин на грунтах, бідних на азот, наприклад на піщаних, і на грунтах, багатих на азот, наприклад чорноземних, показують, що найголовнішим джерелом азотного живлення рослин є грунт, а не повітря. Досліди з піщаними і водними культурами також дають пряму відповідь на питання і показують, що азот проникає в рослину через кореневу систему. Азот надходить в рослину із солей азотної кислоти, які називають селітрами (NaNO3-натрійова, KNО 3 - калійна і Ca(NО 3)2 - кальційова). Точні досліди академіка Д.Н. Прянишникова по вивченню засвоюваності рослинами різних форм азоту показали, що азот амонійних солей може так само добре засвоюватися рослинами і підвищувати врожай, як і азот селітри. Особливо добре поглинається азотнокислий амоній NH4NО 3; азот сірчанокислого амонію (NH4)2SО 4 також використовується рослиною. В грунті азотисті органічні сполуки мінералізуються бактеріями, і азот, що міститься.в цих сполуках, стає доступним для зелених рослин.

Тепер відомо, що тільки частина нітратів йде по судинах деревини до м'якуша листків. Головна ж частина їх у паренхімних клітинах кори кореня за допомогою вуглеводів відновлюється в гідроксиламін (NH2OH) та аміак NH3 і перетворюється в амінокислоти (аспарагінову кислоту та ін.), які переміщаються в листки і йдуть на утворення білків або частково в коренях використовуються для цього ж процесу.

Дослідженнями Д.Н. Прянишникова була розкрита роль азоту в житті рослин, показане перетворення азотистих речовин при синтезі і розпаді білкових речовин. Він встановив, що аміачний азот добре засвоюється рослинами, якщо вони синтезують багато вуглеводів. При первинному синтезі з аміаку і вуглеводів будуються амінокислоти і білок. При розпаді білка утворюються амінокислоти, від яких відщеплюється аміак, що зв'язується в аспарагін. При вторинному синтезі білків від аспарагіну відщеплюється аміак, він з'єднується з вуглеводами, і утворюються амінокислоти. Цей процес, за Д.Н. Прянишниковим, можна показати такою схемою:

амінокислоти білки амінокислоти

^ v

NH3 NH3

^ v

аспарагін < NH3 < аспарагін

^

HNO 3

З допомогою методу мічених атомів, який тепер широко застосовують при вивченні живлення рослин, вченим удалось вияснити картину руху і складних перетворень органічних речовин. Встановлено, що пересування цукрів з листків до коренів відбувається із швидкістю, що досягає 1,5 м за годину. В коренях цукри, які притікають, перетворюються в органічні кислоти. В цьому перетворенні беруть участь вуглекислота і фосфорна кислота, які надходять в корені з грунту. Органічні кислоти вступають в сполучення з солями амонію, що притікають до кореня також з грунту, і таким шляхом в коренях виникають "різноманітні амінокислоти, які є основою для утворення білків. З коренів амінокислоти пересуваються в ростучі органи рослин, де з них і синтезуються білки, використовувані на побудову молодих клітин.

Азот застосовується рослиною у вигляді аніонів - NО 2-, NО 3-, катіона NН 4+. Значення N в житі рослин надзвичайно велике. При його недостачі в ґрунті порушуються всі найважливіші функції і розвиток рослин. Азот важливий органогенний елемент. Він не виводиться з організму, а використовується багатократно (реутилізується) - тобто при старінні листків звільняється в процесі розпаду цитоплазматичних білків і інших азотовмісних сполук, відтікає в молоді частини рослин. Зовні це проявляється в зміні забарвлення старіючих листків - від зеленого до жовтого, починаючи з верхньої більшої сторони їх частини. Подібні явища спостерігаються і при недостачі азоту в ґрунті. Листки дістають жовтий відтінок з червонуватими жилками. Крім того в рослині затримується ріст, зменшується розмір листків і плодів.

В першу чергу дефіцит азоту позначається на розвитку вегетативної маси:

- листя дрібне; яскраво-зелене; передчасно жовтіє;

- стебла тонкі; слабо галузяться;

- різко знижується урожай;

- знижується вміст білка у зернових;

- у плодових - листя зафарбовується у червоний колір.

Основними джерелами азоту є солі азотної кислоти і амонію.

Серед усіх мінеральних добрив азотні найбільш небезпечні при передозуванні. Надлишковий азот може накопичуватися в овочах у вигляді нітратів та нітритів, шкідливих для здоров'я людини. Нітрати в рослинах накопичуються не тільки при надлишку азоту, але й при недостатності молібдену і заліза, що сприяють відновленню нітратного азоту (NO3) до аміачної форми (NH4).

2. Кругообіг азоту в біосфері

Біосфера - це оболонка Землі, яка заселена живими організмами. Біосфера нашої планети є складною системою, в якій постійно здійснюються кругообіги різних речовин, тісно взаємопов'язаних між собою. Азот - один з обов'язкових елементів найважливіших органічних сполук, із яких складаються тканини всіх живих організмів (білків, АТФ, нуклеїнових кислот, тощо).

Біосфера є найбільшим резервуаром газоподібного азоту (3,9 o 1019т, або 78 % за об'ємом). Для більшості організмів він є нейтральним газом. Лише для великої групи мікроорганізмів азот є фактором життєдіяльності. Засвоюючи молекулярний азот, такі мікроорганізми після відмирання забезпечують корені вищих рослин доступними формами цього елементу, який включається в склад амінокислот, білків та пігментів. Кругообіг азоту здійснюється за допомогою двох взаємно збалансованих процесів - нітрифікації (послідовне окислення вільного азоту до нітратів, що поглинаються коренями рослин) і денітрифікації (відновлення азотовмісних сполук до вільної форми). Обидва процеси здійснюються бактеріями. Біологічна фіксація азоту становить приблизно 126 млн. т в рік. За рахунок абіогенної фіксації (наприклад, при розрядах блискавок чи виверженнях вулканів) у біосферу додатково поступає 26 млн. т азоту в нітратній формі.

Основні запаси даного хімічного елемента знаходяться в атмосфері у вигляді молекулярного азоту, який не доступний для засвоєння рослинами в такій формі. Процес кругообігу азоту починається з надходження в екосистему сполук азоту при випаданні опадів. Азотисті сполуки утворюються в атмосфері при розрядах блискавок під час гроз. Із дощем вони потрапляють у грунт і воду. Мала частка азотистих сполук викидається у навколишнє середовище при виверженнях вулканів. Вчені вважають, що джерелом усього азоту при формуванні нашої планети був вулканогенний NH3, який потім піддався окисленню атмосферним киснем.

Таким чином, є два шляхи залучення молекулярного азоту в біогенний кругообіг. Перший спосіб полягає в електричному та фотохімічному окисленні азоту атмосферного повітря. Другий шлях - біологічна фіксація даного елемента мікроорганізмами-азотфіксаторами, у тому числі бульбочкових бактерій. Лише деякі прокаріоти здатні здійснювати зв'язування атмосферного азоту. В результаті їх життєдіяльності утворюється в кілька разів більше оксиду азоту на кв.м. площі поверхні Землі в рік, ніж при окисленні атмосферного азоту киснем.

Бульбочкові бактерії та інші азотфіксатори переводять азот із молекулярного стану в сполуки, які легко засвоюються рослинами. Потім азот просувається по харчових ланцюжках екосистем в біосфері до редуцентів, частіше в ґрунтовому покриві. Після загибелі рослин і тварин їх організми розкладаються за участю численних мікробів. При цьому органічний азот бере участь в різних хімічних реакціях. Так, в процесі денітрифікації органічних речовин утворюється елементарний азот, який потім повертається в атмосферу, де починається новий виток його циркуляції по зовнішньому колу. Але основні запаси азоту екосистем розміщені в ґрунті. При розкладанні білків за участю гнильних бактерій утворюється аміак та його похідні, які окислюють нітрифікуючи бактеріями до нітритів і нітратів. Ці сполуки надходять у води Світового океану й атмосферне повітря. Саме звідси цей елемент потрапляє знову в організми рослин і далі "рухається" по внутрішнім каналам кругообігу. Таким чином, живі організми виконують ключову роль в кругообігу азоту.

Рис.2.1 Кругообіг азоту

Господарська діяльність людини вкрай негативно позначається на балансі азоту в природі. До того, як людина стала інтенсивно використовувати азотні мінеральні добрива для підвищення врожайності сільськогосподарських культур, процеси нітрифікації і денітрифікації в природі були повністю збалансовані.

Отже, джерело азоту - це, з одного боку, атмосферне повітря, а з іншого - азот, який міститься у відмерлих рослинах і тваринах. Вільний азот атмосфери можуть використовувати лише окремі організми - фіксатори азоту - бактерії (Nitrosomonas іNitrobacter), які живуть у бульбочках на корінні бобових, і деякі синьо-зелені водорості. Білкові речовини трупів завдяки діяльності бактерій поступово перетворюються на амонійні сполуки, а також нітрити і нітрати. Ці речовини і служать основним джерелом азоту для зелених рослин.

Процеси нітрифікації

Аміак, який утворюється при розкладі органічних речовин у ґрунті, воді та інших середовищах, досить швидко окислюється до азотистої, а потім азотної кислот. Цей процес і дістав назву нітрифікації. У 1890-1892 pp. С.М. Виноградський, застосувавши розроблену ним методику елективних культур, виділив чисту культуру бактерій цього процесу.

До дослідів С.М. Виноградського припускалось, що причиною нітрифікації є один вид мікроорганізмів, які окислюють амонійні сполуки до нітратів. Проте працями С.М. Виноградського було доведено, що цей процес є результатом послідовної дії двох груп мікроорганізмів і відбувається він у дві фази, а саме: спочатку амонійні сполуки окислюються першою групою бактерій до азотистої кислоти, яка другою групою бактерій окислюється до азотної:

NH4 + 1/2О 2 = NO2 + H2 O+2H+ ;

NO2 +1/2O2 = NO3 - .

Першу фазу нітрифікації здійснюють нітрозобактерії (Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus, Nitrosospira, Nitrosovibrio). У другій фазі нітрифікації азотисту кислоту окислюють Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Найкраще серед нітрифікаторів вивчено Nitrobacterwinogradskyi, однак описано й інші види збудників цього процесу, серед деяких є навіть гетеротрофні представники з родів Pseudomonas, Achromobacter, Corynebacterium, Nocardia, Bacillus тощо.

Нітрифікуючі бактерії переважно належать до типових хемолітотрофів. Між ними існують метаболітичні взаємовідносини. Саме етапність процесу нітрифікації є характерною рисою таких взаємовідносин між мікроорганізмами. Метабіоз існує також між нітрифікуючими і гнильними (амоніфікуючими) бактеріями. Як уже зазначалось, у нітрифікуючих та інших хемолітотрофних бактерій С.М. Виноградським було відкрито процес хемосинтезу.

Вважають, що великі поклади селітри в деяких країнах - результат процесів нітрифікації, які відбувалися на нашій планеті протягом мільйонів років.

У різних ґрунтах інтенсивність процесів нітрифікації є різною. Чим багатший ґрунт, тим більше може нагромаджуватися азотної кислоти. Проте не слід забувати, що солі азотної кислоти (нітрати), на відміну від амонійних (іон амонію поглинається ґрунтовим комплексом), можуть легко вимиватися з ґрунту, а це істотно впливає на зниження коефіцієнта використання нітратів рослинами.

Крім того, в самій рослині нітрати повинні відновитися, щоб рослина змогла використати їх у процесах біосинтезу, а для цього потрібна енергія; амоній може використовуватися рослинами й безпосередньо. Все це змушує дослідників вирішувати питання про штучне зниження інтенсивності процесу нітрифікації завдяки використанню специфічних інгібіторів.

Процес денітрифікації

Розрізняють пряму і непряму денітрифікацію. Пряма - це процес відновлення нітратів, безпосередньо пов'язаний із життєдіяльністю денітрифікуючих бактерій. Вона буває двох типів - асиміляторна і дисиміляторна. При асиміляторній денітрифікації нітрати відновлюються до аміаку, який використовується як джерело азоту для побудови тіла мікробів. У дисиміляторній денітрифікації нітрати використовуються як окислювачі органічних речовин замість молекулярного кисню, що забезпечує мікроорганізми потрібною енергією (див. нітратне дихання). Здатність до дисиміляторної денітрифікації мають тільки специфічні аеробні бактерії.

Збудниками прямої асиміляторної денітрифікації є представники родів Pseudomonas, Paracoccus (Pseudomonasaeruginosa, Pseudomonasfluorescens, Pseudomonasstutzeri, Paracoccusdenitrificans). Денітрифікацію можуть зумовити і термофільні бактерії з роду Bacillus.

Денітрифікуючі бактерії використовують нітрати як акцептор водню при відсутності О 2 для окислення органічних речовин. У присутності нітратів денітрифікатори ростуть анаеробно, а без них - аеробно.

Відновлювати нітрати можуть також деякі хемолітоавтотрофи, зокрема Thiobacillusdenitrificans, яка розмножується в анаеробних умовах і є сіркоокислюючою бактерією.

Початковий етап відновлення нітратів при дисиміляторній денітрифікації каталізується ферментом нітратредуктазою, який утворюється в мікробній клітині під впливом нітратів тільки в анаеробних умовах.

Крім прямої денітрифікації, в ґрунті може відбуватися і непряма. У цьому разі молекулярний азот виділяється внаслідок суто хімічних реакцій між азотистою кислотою і амінними або амідними сполуками:

R - NH2 + HNO2 = N2 + R - OH + H2 O.

Денітрифікація збіднює ґрунт на мінеральні форми азоту. Особливо помітні втрати азоту в процесі денітрифікації спостерігаються, зокрема, в перезволожених ґрунтах.

Запаси газоподібного азоту в атмосфері величезні: над кожним квадратним кілометром земної поверхні в повітрі міститься близько 8 млн т азоту. Проте цей азот ні для рослин, ні для тварин недоступний. Лише деякі мікроорганізми, які вільно живуть у ґрунті або перебувають у симбіозі з рослинами, можуть засвоювати азот безпосередньо з повітря і будувати з нього білкові сполуки свого тіла.

Процеси зв'язування молекулярного азоту атмосфери мікроорганізмами мають винятково велике значення в азотному балансі ґрунту, підвищуючи значною мірою його родючість.

3. Фіксація атмосферного азоту вільноживучими і симбіотичними азот фіксаторами

Клубочкові бактерії дуже чутливі до низького значення рН ґрунтового розчину. Так, конюшина може добре рости при рН 4, якщо його постачати мінеральним азотом, однак його клубочкові бактерії нездатні до азотфіксації. Клубочкові бактерії люпину, конюшини і квасолі характеризуються найбільшою кислотністю, а в люцерни низька границя рН лежить у інтервалі 4,8-5,2. Внесок концентрації нітратів і амонію в поживному середовищі подавляють утворення на коренях бульбочок і знижують їх активність. Мобілізація азоту збільшується при підвищенні температури до 22оС, максимальна при 26-27оС. Найбільш активно проходить цей процес у верхніх горизонтах ґрунту, володіючи високою біологічною активністю. Так, по даних П.М. Смирнова на дерново-підзолистих ґрунтах з непорушеною структурою в товщі шару 40-85см. закріпилося в органічні форми лише 1-4% внесеного азоту. В слої промивного водного режиму викликати рух нітратів в глибоких горизонтах, розміри мобілізації мінерального азоту знижуються, складає у розрахунку на 165 - сантиметрову товщу за 4,5 місяці приблизно 17%. У виді нітратів у профілі ґрунту виявлено 40% внесеного азоту, засвоєння його рослинами склало 34%. Втрати цього елемента живлення в умовах вимивання нітратів не перевищує 9%.

На фіксацію азоту впливає такий процес, як обробка насіння бобових культур перед посівом на основі бульбочкових бактерій виготовляють препарати нітрагін, нітразон, фосфоробактерії. Існують різні типи нітрагіну в залежності від способу його приготування: суміш бактерій із сухими наповнювачами для обробки насіння і водна суспензія бактерій для обприскування; препарат для інокуляції насіння методом вакуумної інфільтрації. Мікробіологічна промисловість випускала дві форми нітрагіну (сухий нітрагін) і ризоторфін (торф'яний нітрагін). Технологічна схема виробництва сухого нітрагіну включає наступні етапи: одержання посівного матеріалу > ферментація > зміщування рідкої культури з захисним середовищем > висушування розпилюючим способом.

Гектарна порція ризоторфіну - 200г. Передпосівна обробка насіння здійснюється шляхом розведення препарату у воді і перемішування його з насінням в день посіву. Висів обробленого ризоторфіном насіння необхідно здійснювати у вологий ґрунт, удобрений фосфором, калієм і мікрокислотами, особливо молібден. На ґрунтах слабокультурних, бідних на азот, застосування ризоторфіну варто поєднати з внесенням невеликих доз мінерального азоту не більше 45кг/га. Інокуляція бобових бульбочковими бактеріями особливо ефективна на площах, де раніше не вирощувалася дана бобова культура і відповідні специфічні бактерії в ґрунті відсутні.

На фіксацію азоту впливають макро- і мікроелементи. Наприклад, мікроелемент сірка відіграє важливу роль в окисленні і відновлених процесах, активізації ферментів, синтез білків. Сірка бере участь в асиміляції нітратів рослиною стимулює її нагромадження. При нестачі сірки під час живлення рослин затримується синтез білків і нагромадження азоту у небілкові форми, нітратів. У бобових культур знижується життєдіяльність бульбочкових бактерій і синтез хлорофілу. Під впливом сірки збільшується не тільки урожай, а й покращується якість продукції і вміст білка може збільшуватися 2%. Загальний вміст сірки коливається від 20-35мг/м в ґрунті.

Молібден потрібний для живлення бобових культур і фіксації молекулярного азоту із повітря. Молібден є складовою частиною ферменту нітрат редуктоз, які беруть участь у відновленні нітратів у частинках кореня до аміаку.

Важливий фактор який впливає є світло. Має прямий зв'язок із живлення, зміна дня і ночі, зміна вологості, температури. Інтенсивність освітлення це виробилося у рослин і тому вони постійно реагують і як наслідок нормального розвитку.

Також впливає на фіксацію азоту механічний склад ґрунту, фізичні властивості, кількість гумусу, глибина орного шару, вологість ґрунту, пористість, щільність, аерація.

Симбіотичні азотфіксатори

За Л.М. Доросинським, рід Rhizobiumподіляють на такі групи: R. leguminosarum-- бактерії гороху, вики, кормових бобів, чини; R. phaseoli-- квасолі; R. japonicum-- сої; R. vigna-- вігни, арахісу, машу; R. сісеr - нугу; R. lupini-- люпину, серадели; R. trifolii-- еспарцету; R. lotus-- лядвенцю; R. robinii-- акації.

В окремих випадках спостерігається не тільки видова, а й сортова специфічність бульбочкових бактерій. Крім специфічності, цим бактеріям властива вірулентність - здатність проникати в тканину кореня, розмножуватися там і спричиняти утворення бульбочок. За певних умов ці бактерії можуть знижувати або зовсім втрачати активність.

Істотною властивістю бульбочкових бактерій є також їхня активність, тобто здатність у симбіозі з рослинами асимілювати молекулярний азот. У ґрунті трапляються штами активних і неактивних бульбочкових бактерій. Зараження бобових рослин активною расою бактерій веде до утворення великої кількості бульбочок на головному корені та зумовлює енергійний процес фіксації атмосферного азоту. Неактивні раси цих бактерій спричинюють утворення бульбочок, але азот не фіксується.

Рис.3.1. Бульбочкові бактерії з роду Rhizobium:

А - клітини, виділені з бульбочок конюшини; X15 000-25 000 (за Зільгером); Б - бактероїди з бульбочок конюшини

Бульбочки, які утворюються активними расами бактерій, мають рожеве забарвлення. Пігмент, що надає їм такого забарвлення, за хімічним складом близький до гемоглобіну крові та називається леггемоглобіном (фітоглобін). Вважають, що цей пігмент сприяє процесу засвоєння азоту, підтримуючи окислювально-відновний потенціал на певному рівні. Бульбочки, які утворюють неактивні раси бактерій, мають зеленкуватий колір.

Механізм проникнення бактерій у кореневий волосок досі ще недостатньо вивчено. Встановлено, що на поверхні клітинної оболонки бобових рослин є особливий вид білка, до якого вибірково "приклеюються" специфічні бульбочкові бактерії завдяки наявності в їхній, оболонці специфічного ліпополісахариду. Припускають, що саме у відповідь на появу цього ліпополісахариду на оболонці кореневого волоска з'являється білок лектин, який зв'язує полісахариди оболонки ризобіїв. Це своєрідний механізм "впізнавання" перед виникненням бобово-ризобіального симбіозу.

Після проникнення бактерій у клітину кореневого волоска вони починають посилено розмножуватись і утворюють суцільний тяж, так звану інфекційну нитку (слизовий тяж), в якій скупчується величезна кількість бульбочкових бактерій. Останні можуть розмножуватися тільки в тетраплоїдних клітинах рослин.

Як в інфікованих бактеріями, так і в сусідніх клітинах починається активний поділ, і утворюються бульбочки. В однорічних рослин бульбочки є тимчасовим утворенням. У багаторічних вони можуть функціонувати протягом кількох років. Контакт бактерії з рослиною встановлюється через судинні пучки, які обплітають тканину бульбочки. Провідними шляхами до бульбочок надходять вуглеводи та інші поживні речовини, де вони використовуються бактеріями, а рослина одержує із бульбочок зв'язані сполуки азоту. Доведено, що найінтенсивніша віддача зв'язаного азоту із тканин бульбочки відбувається тоді, коли бактероїди перебувають у життєдіяльному стані. Транспорт азотовмісних речовин із бульбочок у рослину здійснюється у формі амінокислот. Незначна кількість засвоєного рослиною азоту виділяється внаслідок екзоосмосу коренями в ґрунті переважно у вигляді аспарагінової кислоти.

Після відмирання і розкладу бульбочок бактерії потрапляють у ґрунт і живуть там як сапрофіти, поки знову не проникнуть у корені рослин. Питання про те, що лежить в основі взаємовідносин бактерій і бобових рослин (паразитизм чи співжиття), ще повністю не з'ясовано. Важливим є той факт, що бульбочкові бактерії, проникаючи в рослину, стимулюють розвиток у неї імунітету, який перешкоджає подальшому зараженню коренів.

Отже, вклад бобових рослин у забезпечення ґрунтів доступними формами азоту досить відчутний.

Рис.3.2. Бульбочки на листках Pavetta.

Утворення, які нагадують бульбочки, знайдено у багатьох рослин, що не належать до родини бобових. Серед покритонасінних бульбочки виявлено на коренях представників порядків Cycadales, Ginkgoales і Coniferales. У дводольних бульбочки найчастіше бувають у представників родин Согіагіасеае, Betulaceae, Casuarinaceae тощо. В окремих випадках їх знаходили на коренях рослин із родин Brassicaceae, Rosaceae, Scrophulariaceae тощо, з однодольних рослин бульбочки описано лише у представників родини Роасеае.

Нещодавно з'явилися цікаві дані про те, що бактерії роду Azospirillum, які асоціюються з коренями злаків, мають здатність інтенсивно фіксувати азот. Вони поширені в тропічних і помірних кліматичних зонах. Природу збудників, які зумовлюють утворення бульбочок у цих рослин, повністю ще не вивчено. Так, у бульбочках вільхи знайдено актиноміцети.

Досліди з використанням міченого азоту показали, що у більшості рослин із родів вільхи (AlnusL.), обліпихи (HippophaeL.), лоху (ElaeagnusL.) мічений азот зв'язується тільки тоді, коли є бульбочки. Ці дані свідчать про те, що зв'язування молекулярного азоту небобовими рослинами також відбувається в симбіозі з мікроорганізмами.

Бульбочки можуть утворюватися не тільки на коренях рослин, а й на інших органах. їх знайдено на листках майже 400 різних видів рослин, наприклад деяких дводольних тропічних, зокрема у павети (PavettaindicaL.) із родини маренових (Rubiaceae). Найдокладніше досліджено такі бульбочки у рослин павети і психотрії (рис. 4).

Вільноживучі азот фіксатори

Крім бульбочкових бактерій, у ґрунті є багато інших видів мікроорганізмів, які можуть засвоювати молекулярний азот атмосфери. В 1893 р. С.М. Виноградський вперше виділив і вивчив вільноживучий азотфіксатор - анаеробну спороносну бактерію веретеноподібної форми, яку було названо на честь Л. Пастера - Clostridiumpasteurianum.

Описано багато азотфіксаторів з роду Clostridium (C.buturicum, C.acetobutylicum, C.pectinovorum, C.felsineum, Cl.beijerinckii та ін.). Ці бактерії можуть використовувати різні джерела азоту: солі амонію і азотної кислоти, а також багато різних органічних азотовмісних сполук. Із вуглецевих сполук вони використовують моноцукри, дицукри, поліцукри, органічні кислоти тощо.

Енергійним фіксатором азоту серед цієї групи бактерій є Clostridiumpasteurianum. Він може зв'язувати до 10--12 мг азоту на 1 г збродженого цукру.

Іншим дуже поширеним вільноживучим азотфіксатором є аеробна, овальної форми, бактерія - Azotobacterchroococcum, відкрита у 1901 p. M. Бейєрінком. Розмір клітин азотобактера коливається в межах 2--3 х 4--6 мкм. Він розмножується простим поділом з утворенням поперечної перегородки. Молоді клітини азотобактера рухливі, перетрихи з віком втрачають рухливість, набувають майже коковидної форми і покриваються товстим шаром слизу (капсулою). Іноді клітини азотобактера можуть бути вкритими товстою оболонкою і перетворюватися на цисти.

Серед представників азотобактера найґрунтовніше вивчено A.chroococcum, A.vinelandii, A.agilis, A.beijerinckii(рис. 3). Ці види різняться за формою і розмірами клітин, пігментацією колоній.

На відміну від клостридія азотобактер інтенсивніше зв'язує молекулярний азот. Активні культури азотобактера зв'язують 15--20 мг азоту на 1 г використаного цукру або іншої органічної речовини. Він не засвоює клітковини. Однак при наявності її в ґрунті розмножується більш інтенсивно, оскільки між целюлозорокладачами і азотобактером існує явище метабіозу. Азотобактер потребує нейтрального середовища. В кислих ґрунтах він не розвивається.

Рис.3.3. Азотобактер (Azotobacterchroococcum)

Близькі до азотобактера вільноживучі азотфіксатори з роду Beijerinckia. На відміну від азотобактера, вони можуть рости навіть при рН = 3. Ці бактерії мають різну форму, бувають рухливими і нерухливими; за енергією фіксації азоту вони близькі до азотобактера.

Серед вільноживучих азотфіксуючих бактерій слід згадати про види роду Derxia і Azotomonasfluorescens.

Пошуки вільноживучих азотфіксаторів дали змогу виявити їх і в інших родинах - Spirillaceae, Rhizobiaceae, Achromobacteriaceae, Enterobacteriaceae, Bacillaceae та ін. Здатність до фіксації молекулярного азоту мають анаеробні пурпурні та зелені фототрофні бактерії, що живуть у заболочених озерах і мулі, деякі мікобактерії, спірохети, проактиноміцети і навіть окремі види грибів, у тому числі дріжджі.Використання методу мічених атомів дозволило підтвердити припущення, висловлене ще в 1889 p., про те, що одна з найбільших груп мікроорганізмів, які населяють ґрунти, - мікроскопічні водорості - можуть засвоювати атмосферний азот. Серед них близько 40 видів синьозелених водоростей. До найпоширеніших належать Anabaena, Amorphonostoc, Aulosira, Calothrix, Nostoc, Scytonema тощо.

В Японії використання штучного зараження ґрунтів синьозеленими водоростями Tolypothrixtennuisвиявилось ефективним при вирощуванні рису. Подібних результатів досягли також в Індії від застосування на рисових полях синьозелених водоростей - Aulosirafertilisima.

Досліди, проведені в Інституті мікробіології Російської АН, показали, що синьозелені водорості (ціанобактерії) під час інтенсивного розвитку можуть нагромаджувати за вегетаційний період до 50--70 кг азоту на 1 га.

Останніми роками вчені різних країн приділяють велику увагу вивченню процесу фіксації азоту мікроорганізмами, які містяться на корінні і в прикореневій зоні небобових рослин. Ці мікроби дістали назву ризосферних, а процес зв'язування ними молекулярного азоту називається асоціативною азотфіксацією.

Азотфіксуюча активність виявлена у представників багатьох родів ризосферних бактерій: Agrobacterium, Achromobacter, Aquaspi-rillum, Azospirillum, Arthrobacter, Bacillus, Flavobacterium, Enterobac-ter, Erwina, Flavobacterium, Klebsiella, Mycobacterium, Pseudomonas, Rhodospirillumта ін.

4. Хімізм процесу фіксації атмосферного азоту вільноживучими і симбіотичними азот фіксаторами

Процес засвоєння азоту відбувається по відновному шляху і відображається схемою: