К вопросу изучения роли бактерий в биогеохимическом круговороте азота в биосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу изучения роли бактерий в биогеохимическом круговороте азота в биосфере

Чернявская И.В., Кабаян Н.В., Кабаян О.С., ФГБОУ ВО «Адыгейский государственный университет»

Аннотация

В статье изложена роль бактерий в биогеохимическом цикле биосферы на примере азота. Рассмотрены биохимические процессы, лежащие в основе круговорота азота: биологическая фиксация атмосферного азота, аммонификация (гниение белков, разложение мочевины), нитрификация и денитрификация.

Ключевые слова: биогеохимический цикл, фиксация атмосферного азота, аммонификация, нитрификация и денитрификация, симбиотические, свободноживущие, ассоциативные азотфиксаторы.

Annotation

To the question of studying the role of bacteria in the biogeochemical circulation of nitrogen in the biosphere

Chernyavskaya I.V., Kabayan N.V., Kabayan O.S.; Adygei State University

The article describes the role of bacteria in the biogeochemical cycle of the biosphere by the example of nitrogen. The biochemical processes underlying the nitrogen cycle are considered: biological fixation of atmospheric nitrogen, ammonification (decay of proteins, decomposition of urea), nitrification and denitrification.

Keywords: biogeochemical cycle, atmospheric nitrogen fixation, ammonification, nitrification and denitrification, symbiotic, free-living, associative nitrogen-fixers.

Анализ школьных программ и учебников выявил существенные пробелы в изучения вопросов, связанных с биогеохимическим круговоротом таких важных для биосферы элементов как углерод, кислород, азот, фосфор и др. На уроках химии учащиеся изучают строение, физические и химические свойствами данных элементов, но ни в одном школьном учебнике по биологии не раскрывается их роль, значение и превращения в биосфере.

Поэтому в данной статье мы рассмотрим биогеохимический цикл в биосфере на примере азота. В основе процессов круговорота азота лежат следующие биохимические процессы: фиксация атмосферного азота, аммонификация (гниение белков, разложение мочевины), нитрификация и денитрификация.

Запасы азота в природе очень велики. Хотя название «азот» означает «не поддерживающий жизни», на самом деле - это необходимый для жизнедеятельности элемент. Он входит в состав белков (16-18 % по массе), нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина, энергоносителей (АТФ, АДФ, НАДФ) и др.

Основными формами азота на Земле являются связанный азот литосферы (18-10¹⁵ тонн) и газообразный молекулярный азот атмосферы, составляющий 75,6 % воздуха по массе [4].

Однако из-за того, что связи между двумя атомами азота очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот - его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. Поэтому фиксация молекулярного азота - чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Накопление фиксированного азота на планете осуществляется за счет биологической, промышленной и природной азотфиксации. Примерно 65% этого количества обусловлено биологической азотфиксацией [5].

Биологическая азотфиксации - это усвоение молекулярного азота азотфиксирующими микроорганизмами с образование соединений азота (NH3), доступных для высших растений (и далее - животных).

Из всего многообразия микроорганизмов к азотфиксации способны лишь представители прокариот. В литературе описаны 2 рода архебактерий, 38 родов бактерий и 20 родов цианобактерий, способных усваивать молекулярный азот. Все они являются диазотрофами, то есть могут использовать для питания как молекулярный азот, так и азот почвы и удобрений [1].

Размеры вовлечения атмосферного азота в круговорот веществ огромны. Ежегодно только на поверхности суши микробиологическим путем фиксируется до 200 млн. тонн азота и от 30 до 190 млн. тонн в водных экосистемах. На суше более половины (73%) биологического азота фиксируется в агроценозах и лесных экосистемах. Эти величины значительно больше, чем связывание атмосферного азота техническим путем. Ежегодное производство азотных удобрений в мире составляет около 90 млн. тонн (в пересчете на азот).

Примечательной особенностью самых разнообразных азотфиксирующих микроорганизмов является то, что у них имеется однотипная ферментная система - нитрогеназа, катализирующая связывание молекулярного азота и превращение его в аммиак. Благодаря данной ферментативной системе процесс биологической фиксации идет в «мягких» условиях (при обычных давлении и температуре). Процесс получения аммиака техническим путем идет при температуре 500-600 градусов и давлении 200-30 атмосфер в присутствии неорганических катализаторов. Содержание нитрогеназы у активно фиксирующих азот микроорганизмов составляет 1-2% от общего содержания белка в клетке. Нитрогеназа является одним из самых сложных ферментов во всем органическом мире и представляет собой комбинацию двух белков (молибдоферродоксин и азоферродоксин). В общей сложности в состав молекулы фермента входят 2 атома молибдена, 28-34 атомов железа и 18-24 атомов серы [3].

Микроорганизмы, осуществляющие биологическую азотфиксацию, можно разделить на три группы: 1) микроорганизмы, живущие в симбиозе с растениями; 2) свободноживущие почвенные микроорганизмы и 3) ризосферные (корневые) и филлосферные (листовые) микроорганизмы, формирующие ассоциации с различными видами растений [1].

Важное значение имеют симбиотические азотфиксаторы, живущие в клубеньках бобовых растений (клубеньковые бактерии), относящиеся к роду Rhizobium. Существует большое количество разновидностей (штаммов) клубеньковых бактерий, каждая из которых приспособлена к заражению одного или нескольких видов бобовых растений. Например, Rhizobium lupine - клубеньковые бактерии люпина, Rhizobium trifolii - клубеньковые бактерии клевера и т.д.

Инфицирование растения-хозяина начинается с проникновения бактерий рода Rhizobium в клетку корневого волоска. Затем бактерии мигрируют в клетки коры и вызывают интенсивное деление инфицированных клеток, что приводит к образованию клубеньков на корнях. При этом сами бактерии превращаются в бактероиды, которые в среднем в 40 раз больше по объему, чем исходная бактерия.

Ткань клубеньков, заполненная бактериями, приобретает розовую окраску, так как после заражения в клетках бактерий образуется пигмент, сходный с гемоглобином, - леггемоглобин. Этот пигмент связывает кислород воздуха и тем самым предохраняет фермент нитрогеназу от воздействия кислорода. Исследования показали прямую зависимость между содержанием леггемоглобина и скоростью фиксации азота. При отсутствии леггемоглобина азот не усваивается. Информация об образовании леггемоглобина содержится в ДНК ядра клетки высшего растения. Синтезируется клетками растения-хозяина. Однако синтез начинается после внедрения бактерий в ткань растений [2].

Содержание леггемоглобина является надежным индикатором эффективности симбиоза клубеньковых бактерий и растений: чем более интенсивно розовую или красную окраску имеют клубеньки, тем активнее они способны фиксировать молекулярный азот. Любые факторы, уменьшающие содержание леггемоглобина в клетках клубеньков (недостаток освещения, минеральное голодание, нарушение влажности почвы, неблагоприятная кислотность среды, инфекционные болезни и другие), приводят к снижению азотфиксирующей активности клубеньковых бактерий.

Сам процесс связывания молекулярного азота осуществляется с расходованием большого количества энергии. Реальные затраты энергии составляют 25-35 молекул АТФ.

Кроме того, расходуется 20-30% ассимилятов, образовавшихся в процессе фотосинтеза. Подсчитано, что на каждый грамм фиксированного азота расходуется 10-15 г ассимилированного углевода. Кроме того, углеродные соединения необходимы для связывания образующегося аммиака. Более 90% фиксированного в клубеньках азота поступает в растения. Аммиак включается вначале в состав кетокислот, аминокислот и амидов, затем в состав белков и других азотсодержащих соединений. В составе аминокислот и амидов (аспарагиновая, глютаминовая кислоты и их амиды) связанный азот оттекает в надземные органы [1,3].

Таким образом, обеспечение клубеньков углеводами - один из главных факторов, определяющих уровень симбиотической азотфиксации.

Благодаря деятельности клубеньковых бактерий часть азотистых соединений из корней бобовых растений диффундирует в почву, обогащая ее азотом. Посев бобовых растений ведет к повышению почвенного плодородия.

Существуют и другие виды высших растений, у которых наблюдается симбиоз с микроорганизмами. В настоящее время насчитывается более 190 видов растений разных семейств, способных симбиотически усваивать азот. Так, маленький водный папоротник азолла (Azolla) находится в симбиотических отношениях с азотфиксирующими цианобактериями. Азолла способна фиксировать до 0,5 кг азота на га в сутки. Некоторые деревья и кустарники (ольха, облепиха, лох) имеют в качестве симбионтов бактерии из актиномицетов рода Frankia. Роща молодой ольхи за 7 лет дает прирост азота 700 кг/га, что значительно обогащает лесную почву. У некоторых тропических деревьев и кустарников клубеньки развиваются на листьях. У травянистых растений рода Gunnera клубеньки на листьях образуют азотфиксирующие цианобактерии рода Nostoc. В субарктических зонах, на скалах в горах и на других бесплодных участках развиваются лишайники, представляющие собой симбиоз гриба и азотфиксирующих цианобактерий, и, являясь, таким образом, пионерами заселения суши [4].

Большое значение имеют свободноживущие азотфиксаторы. Впервые анаэробная свободноживущая бактерия, способная к фиксации азота, была выделена русским ученым С.Н. Виноградским в 1893 г. и была названа им в честь Л. Пастера Clostridium pasteurianum. К настоящему времени описано много новых видов клостридий, число которых в состав рода достигло 100. Позднее, в 1901 г. голландский М. Бейерник открыл другую свободноживущую азотфиксирующую аэробную бактерию - Azotobacter chroococcum. В настоящее время группа свободноживущих азотфиксаторов включает бактерии родов Azotobacter, Clostridium и Beijerinckia, а также отдельные виды цианобактерий.

Для связывания молекулярного азота свободноживущие азотфиксаторы используют энергию, получаемую в процессе дыхания за счет окисления органических веществ, находящихся в почве. Поэтому интенсивность азотфиксации сильно зависит от содержания гумуса, являющегося основным органическим веществом почвы [5].

Ассоциативные азотфиксаторы были обнаружены в 70-80-х годах XX в. в лаборатории Д. Доберейнер в Бразилии. Понятие ассоциативного симбиоза можно сформулировать так: колонизация корней и других органов высших растений без образования выраженных морфологических структур, но с положительным воздействием бактерий на рост, развитие, минеральное питание, патогеноустойчивость и продуктивность растений. Численность их составляет обычно десятки и сотни миллионов бактериальных клеток на 1 г корней.

К настоящему времени выявлено более 200 видов бактерий, относящихся к 24 родам, обладающих различными уровнями активности азотфиксации. Наиболее распространенные азотфиксирующие бактерии принадлежат к следующим родам: Agrobacterium, Arthrobacter, Azospirillum, Enterobacter, Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas, Klebsiella и другим. Они могут жить в ризосфере (это зона почвы толщиной 2-3-мм, прилегающая непосредственно к корню), ризоплане (на поверхности корня) и гистосфере (в тканях внутренней поверхности корня и между клеточными стенками). Количество видов растений, способных вступать в ассоциацию с азотфиксирующими микроорганизмами, составляет не менее 12 тыс.

Последовательность взаимоотношений с растением-хозяином ассоциативных азотфиксаторов имеет определенное сходство с симбиотическими организмами: хемотаксическое узнавание, лектин-углеводное узнавание и этап установления прочных связей. Отсутствует только этап образования клубеньков. Эффективность азотфиксации ассоциативной микрофлорой меньше по сравнению с симбиотической, но ассоциативные азотфиксаторы продуцируют гормоны роста растений и обладают другими свойствами, положительно влияющими на рост и развитие растений (защита от фитопатогенов, разрушение токсических веществ) [1].

Не только свободный азот, но и многие формы связанного азота не могут служить источником азотного питания для растений. Азот, поступающий в виде белковых веществ в почву вместе с остатками растений и животных, совсем не годится для этих целей, он должен быть подвергнут минерализации, а образующийся при этом аммиак должен быть окислен в соли азотистой и азотной кислот.

Процесс превращения органического азота почвы в NH4+ носит название аммонификации (гниения). Он осуществляется гетеротрофными микроорганизмами и схематически может быть представлен следующим образом:

Органический азот почв ^ RNH2 + СО2+ побочные продукты

RNH2 + Н2О ^ NH3 + ROH

NH3 + Н2О ^ NH4+ + ОН^-

Существует множество возбудителей процесса аммонификации, чем и обусловлен огромный размах этого процесса в почве, особенно в ее верхних горизонтах. Среди аэробных микроорганизмов это Bacillus mycoides, B. megatherium, B. subtilis, Pseudomonos fluorescens, Chromobacterium prodigiosum. Среди анаэробных - самым активным аммонификатором является Bacterium proteus vulgaris.

Почвенные грибы также принимают участие в разложение белковых веществ (Penicillium, Mucor mucedo, Botrytis, Aspergillus niger и др.). При анаэробном распаде белка помимо NH3 и CO2 образуются еще и меркаптан, индол, скотол и сероводород, обладающие неприятными запахами. В некоторых случаях, например, при разложении трупов млекопитающих, могут возникать и очень ядовитые вещества.

Гидролиз мочевины вызывается особой группой гетеротрофных уробактерий, которые в основном аэробны и производят дезаминирование при помощи фермента уреазы:

СО(NН2)2 + H2O ^ (NH4)2CO3 ^ 2NH3 +CO2 + H2O

Эти же уробактерии способны превращать амиды (карбамиды) - синтетические азотные удобрения - в доступные высшему растению формы.

Разложение хитина, входящего в состав клеточных оболочек многих микроорганизмов и покровных тканей животных, вызывается жизнедеятельностью гетеротрофа Bact. chitinovorum.

Микробиологическая минерализация органического почвенного азота зависит от условий, благоприятствующих деятельности этих микроорганизмов (оптимальные значения температуры, рН среды, влажность, аэрированности почвы и ряд других характеристик).

Исключительное значение процессов аммонификации заключается в том, что они играют важную роль в естественном очищении почвы и воды.

Следующим важным этапом круговорота азота, вслед за образование аммиака, является процесс нитрификации - биологическое окисление NH3 до NO3. Это двухступенчатый процесс, осуществляемый двумя специализированными группами автотрофных бактерий - хемосинтетиков Nitrosomonos и Nitrobacter, открытых Виноградским. Бактерии Nitrosomonos окисляют аммиак до азотистой кислоты в соответствии с уравнением:

2NH3 + ЗО2 ^ 2HNO2 + 2Н2О,

Nitrobacter осуществляют дальнейшее окисление азотистой кислоты до азотной.

2HNO2 + 2О2 ^ 2HNO3

HNO2 в почве не накапливается, так как обе группы бактерий обычно функционируют последовательно. Благодаря деятельности этих бактерий возникли огромные залежи натриевой селитры (NaNO3) в Чили.

Содержание в почве доступного азота растениям определяется не только микробиологическими процессами минерализации органического азота и азотфиксации, а также скоростью поглощения азота растениями и его вымыванием из почвы, но и потерями азота в процессе денитрификации, осуществляемой анаэробными микроорганизмами, способными восстанавливать ион NO3 до газообразного N2 (NO3 ^ NO2 ^ N2O ^ N2). Возбудители этого процесса - денитрифицирующие бактерии - широко распространены в почве, навозе, водоемах (Chromobacterium denitrificans, Achromobacter Stutzeri, некоторые виды Pseudomonos). Результатом денитрификации является обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом. Особенно энергично процессы денитрификации развиваются в почве с плохой аэрацией и высокой влажностью. Большое значение имеет и реакция почвы. Наиболее интенсивно восстанавливаются нитраты при рН 7,0-8,2; на более кислых (рН 6,2 и ниже) почвах и более щелочных (рН 8,3-9,5) процесс замедляется, а при рН 9,6 прекращается полностью [4].

Процессы нитрификации и денитрификации были полностью сбалансированы вплоть до периода интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений. Сейчас только 1/3 (или менее) внесенных удобрений усваивается растениями, остальные 2/3 выщелачиваются пресными водами и попадают в океан и другие водоемы. Процесс денитрификации не может скомпенсировать пересыщение водных систем азотом, в результате чего происходит эвтрофикация и азотное заражение пресной воды, последствия которых весьма печальны.

Таким образом, основными специфическими чертами круговорота азота в биосфере можно считать высокую концентрацию его в атмосфере, играющей исключительную роль резервуара, из которой живые организмы черпают запасы необходимого им азота, а также ведущую роль почвенных микроорганизмов, деятельность которых обеспечивает переход азота в биосфере из одних форм в другие.

азот биохимический аммонификация круговорот

Литература

1. Воробейков Г.А. Микроорганизмы, урожай и биологизация земледелия. СПб., 1998. 120 с.

2. Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. Микробиолгия: учеб. для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Дрофа, 2005. 445 с.

3. Кретович В.Л. Биохимия усвоения азота воздуха растениями. М.: Наука, 1994. 168 с.

4. Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высш. шк., 1989. 464 с.

5. Якушкина Н.И., Бахтенко Е.Ю. Физиология растений. М.: ВЛАДОС, 2005. 463 с.

Размещено на Allbest.ru