Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


ќбразование и окисление молекул€рного водорода




ѕо распространению в биосфере водород занимает третье ме≠сто после углерода и кислорода (отлат. hydrogene Ч рождающий воду). ќн входит в состав самого распространенного в биосфере вещества Ч воды. ¬одород содержитс€ во всех органических со≠единени€х, в природных газах, залежах нефти, торфа и угл€. ¬ почве водород входит в состав гумуса. ¬ атмосфере его очень мало, хот€ из микрогазов атмосферы по значению и масштабам круговорота водород занимает первое место.

¬ обычных услови€х водород вступает в реакции лишь с не≠многими элементами, но при нагревании дает радикал Ќ+ и вза≠имодействует со многими элементами. —оедин€€сь с кислоро≠дом, он образует воду и при этом выдел€етс€ очень много энергии, в св€зи с чем реакци€ получила название Ђгремучего газаї, так как она протекает со взрывом:

Ќ2 + 1/2 02 = Ќ20 + 68,3 ккал/моль.

–еакци€ с азотом проходит с большими затратами энергии. ќна возможна при высокой температуре, давлении и в присутст≠вии катализаторов:

«Ќ2 + N2 = 2NH3.

Ётот процесс лежит в основе получени€ азотных удобрений по методу √абера-Ѕоша.

ќбразование метана идет без катализаторов при высокой тем≠пературе:

2+ — = —Ќ4.

¬ биохимических процессах трансгидрировани€ водород участ≠вует в реакции переноса электронов и протонов.

 руговорот молекул€рного водорода в биосфере включает его образование и окисление в результате биогенных и абиогенных Ч геохимических и промышленных процессов.

√лавный источник биогенного водорода Ч де€тельность мик≠роорганизмов в почве. ¬одород образуетс€ также в рубце жвач≠ных и пищеварительном тракте других животных, включа€ чело≠века. ”честь количество водорода, выдел€емого почвенными микроорганизмами, довольно сложно из-за того, что его образо≠вание в природных ассоциаци€х сопр€жено с параллельно иду≠щими процессами потреблени€.

3 ћикробиологические процессы образовани€ водорода ќдин из первых описанных природных процессов микробного образова≠ни€ водорода Ч сбраживание целлюлозы в анаэробных услови€х смешанными культурами бактерий. ѕервичные анаэробы, осу≠ществл€ющие брожение, выступают в роли главных генераторов водорода в анаэробной зоне.   облигатным вторичным анаэро≠бам, образующим водород, относ€тс€ сульфатредуцирующие бак≠терии, к факультативным Ч энтеробактерии. ¬ анаэробных ус≠лови€х водород образуют некоторые простейшие Ч симбионты животных, обитающие в их кишечном тракте. ¬ аэробной зоне водород продуцируют азотфиксаторы, метанотрофы и фототрофные организмы Ч водоросли, цианобактерии, фотосинтезирую≠щие пурпурные и зеленые бактерии.

ћеханизмы образовани€ водорода у многочисленных групп микроорганизмов, участвующих в этом процессе, различны. ” большинства хемотрофных бактерий образование водорода со≠пр€жено с процессами получени€ энергии.  онечным акцепто≠ром электронов выступают протоны Ќ, что определ€етс€ нали≠чием специфического фермента Ч гидрогеназы, катализирующего реакцию 2Ќ+ + 2е -ї Ќ2; переносчик электронов, с которым взаи≠модействует гидрогеназа Ч железосодержащий фермент ферредоксин. ” азотфиксаторов в образовании водорода принимает участие Fe-ћо-содержащий фермент нитрогеназа, который ка≠тализирует восстановление не только азота, но и протонов Ќ. Ётот процесс идет с затратой ј“‘. Ќитрогеназа катализирует образование водорода и у фототрофных азотфиксаторов. ” водо≠рослей и цианобактерий выделение водорода св€зано с фотоли≠зом воды.

“аким образом, услови€, способствующие активному образо≠ванию водорода в почве, свод€тс€ к наличию в анаэробной зоне сбраживаемых органических субстратов, а в аэробной зоне Ч к активации фотосинтеза.

4 ѕотребление водорода —читают, что потребление молекул€р≠ного водорода в почвах на «емле составл€ет 108 т в год. ќбразую≠щийс€ в почве водород активно поглощаетс€ Ђбактериальным фильтромї, поэтому в природной обстановке его трудно обнару≠жить, хот€ в чистых культурах выделение водорода легко регист≠рируетс€. ѕотребление водорода микроорганизмами происходит наиболее активно в аэробной зоне, хот€ частично он потребл€етс€ и вторичными анаэробами. ¬одород используют разными пут€ми и с участием разных акцепторов электрона микроорганизмы мно≠гих таксономических, трофических и физиологических групп.

¬одородными называют большую и разнородную в таксоно≠мическом отношении группу бактерий, которые в аэробных ус≠лови€х окисл€ют водород и способны к автотрофному росту. ѕо≠чти все они факультативные автотрофы. ћногие ассимилируют N3, а в анаэробных услови€х способны к окислению водорода кислородом нитратов или нитритов, восстанавлива€ их до N2.

  водородным бактери€м, которые могут использовать водо≠род и строить свое тело из —02, относ€т дес€тки обычных родов бактерий, которые могут развиватьс€ и за счет органических ве≠ществ. Ёто грамотрицательные Hydrogenobacter, Hydrogenophaga, Azospirillum, Alcaligenes, Aquaspirillum, Rhizobium, почкующиес€ Blastobacter, Hyphomicrobium, а также грамположительные кори- неподобные бактерии родов Arthrobacter, Nocardia, Mycobacterium, Streptomyces и некоторые виды споровых рода Bacillus. “аким об≠разом, хемолитоавтотрофи€ на основе окислени€ водорода Ч более распространенное среди бактерий €вление, чем при окислении других неорганических субстратов. ќни осуществл€ют реакцию Ќ2 + 0,5 02 = Ќ20. ” них имеетс€ цикл  альвина или они ведут превращени€ как метаногены.

¬ клубеньках бобовых растений при активности бактероидов наблюдаетс€ процесс рециклизации водорода. ќбразуемый нит- рогеназой Ќ2 частично окисл€етс€ кислородом и синтезирует ј“‘. ¬ то же врем€ водород выступает как донор электронов дл€ нит- рогеназы и обеспечивает ассимил€цию —02. ѕри этом потери водорода составл€ют всего 4 вместо 25% по расчету. Ёто способствует высокой эффективности использовани€ клубень≠ковыми бактери€ми продуктов фотосинтеза растений (использо≠вани€ энергии).

¬одородные бактерии перспективны как продуценты белка. »х используют также дл€ биорегенерации воздуха (удалени€ избытка —02) в замкнутых системах, где водород можно получать электро≠лизом воды. ¬одородные бактерии служат источником дл€ полу≠чени€ ферментов, особенно гидрогеназ. √идрогеназы ведут про≠цесс в двух направлени€х: Ќ2+ + 2е (фермент содержит никель).

¬ почве водородные бактерии, по-видимому, создают микроконсорции, в которых они выступают автотрофным центром. »х спутниками-консументами могут быть простейшие, паразитиче≠ские бактерии-бделловибрионы, микоплазмы, миксобактерии со способностью лизировать клетки других бактерий.

Ќа основе межвидового переноса водорода за счет его образо≠вани€ и потреблени€ в природных экосистемах создаютс€ проч≠ные микробные ассоциации, члены которых иногда трудно по≠лучить в виде чистых культур. “аковы многие ассоциации с участием метаногенных бактерий, целлюлозосбраживаюших ана≠эробов, азотфиксаторов. ƒе€тельность такого рода ассоциаций обеспечивает активное протекание сложных многоступенчатых процессов превращени€ полимерных субстратов в почве, таких как разложение целлюлозы, пектина, ароматических соединений. ¬одород в этих процессах выступает как ключевой метаболит, св€зывающий в одну систему работу многих микроорганизмов аэробной и анаэробной зон.

 онтрольные вопросы:

  1. ѕревращение кислорода
  2. ћикроорганизмы и свободный кислород
  3. «начение кислорода дл€ микроорганизмов
  4. —инглетный кислорода
  5. ¬одород и его производные
  6. ѕотребление водорода микроорганизмами
  7. —оединени€ водорода и их роль
  8. ћикробиологические процессы образовани€ водорода
  9. ќбразование и окисление молекул€рного водорода
  10. ѕолучени€ азотных удобрений по методу √абера-Ѕоша

Ћитература:

13. «в€гинцев ƒ.√., Ѕабьева ».ѕ., «енова √.ћ. Ѕиологи€ почв: ”чебник. - 3-е изд., испр. и доп. - ћ.: »зд-во ћ√”, 2005.

14. «в€гинцев ƒ.√. ћикроорганизмы и почва. ћ.: ћ√”, 1987.

15. Ѕабьева ».ѕ., «енова √.ћ. Ѕиологи€ почв. ћ.: ћ√”, 1989. с.336.

16. ћирчинк “.√.ѕочвенна€ микологи€.-ћ.: »зд. ћ√”,1986.

4. ≈мцов ¬. “.ћикробы, почва, урожай. Ц ћ.: »зд.  олос,1980.

5. »л€летдинов ј.Ќ.ћикробиологические превращени€ азотосодержащих соединений в почве. јлма Ц јта, 1976.

6. ѕочвенна€ микробиологи€./ ѕод ред. ƒ.». Ќикитина /- ћ.: »зд.  олос,1979.

 

 

Ћекци€ 11

 руговорот азота

 

÷ель лекции: изучить пути образование и окисление азота в почве, а также процессы нитрификации и денитрификации азота

 лючевые слова: азот, молекул€рный азот, биологическа€ фиксации, окисление, разложение, круговорот, микроорганизмы, клубеньковые бактерии, нитрификаци€ и денитрификаци€

¬опросы:

1. Ѕиологическа€ фиксаци€ азота

2. јммонификаци€

3. Ќитрификаци€

4. ƒенитрификаци€

 

јзот Ч один из главных биофильных элементов. ќн входит в состав основных полимеров любой живой клетки Ч белков-фер≠ментов и структурных белков, нуклеиновых и аденозинфосфор- ных кислот. ≈го превращени€ в биосфере во многом определ€ют работу главного звена биологического цикла Ч образование пер≠вичной растительной продукции.

Ѕольшие запасы азота на «емле представлены его восстанов≠ленной формой Ч газообразным азотом воздуха N2 (79%).  роме того азот встречаетс€ в различных восстановленных и окислен≠ных формах (N2, NH3, N20, NO, N02, N03), которые вход€т в состав атмосферы «емли и содержатс€ в почве.

¬ почве иммобилизовано азота в гумусе и биомассе микроорга≠низмов в три раза больше, чем в растени€х и животных вместе вз€тых. ѕри этом азот в пахотной почве часто бывает в первом минимуме с точки зрени€ обеспечени€ питани€ растений, так как основна€ масса почвенного азота заключена в недоступных расте≠ни€м сложных органических соединени€х, которые минерализу≠ютс€ очень медленно. Ёто приводит к необходимости в услови€х ведени€ сельского хоз€йства с отчуждением урожа€ подкармли≠вать растени€ вносимыми в почву азотными удобрени€ми.

»з почвы на «емле с урожаем происходит посто€нный вынос азота, превышающий 100-200 млн т/год. ѕроизводство минераль≠ных азотных удобрений, исчисл€емое 70-80 млн т/год (по азоту), требует больших энергозатрат, которые в развитых странах со≠ставл€ют 40% и более от общего объема энергопотреблени€ в сельском хоз€йстве. ¬ то же врем€ коэффициент их использова≠ни€ растени€ми не превышает 30-50%. —ледовательно, при ши≠роком применении минеральных азотных удобрений очень мно≠го азота не включаетс€ в урожай и его избытки вызывают загр€знение отдельных экосистем и биосферы в целом, что при≠водит к негативным последстви€м (загр€знение избытком азота природных вод, загр€знение атмосферы окислами азота). »збы≠ток св€занного минерального азота очень вреден дл€ биосферы. “аким образом, проблема азота превратилась в глобальную эко≠логическую и социальную проблему. ¬ св€зи с проблемой азота должны решатьс€ важнейшие задачи жизнеобеспечени€ челове≠чества: снижение энергозатрат на минеральные удобрени€, охра≠на природной среды, разработка оптимизированных режимов дл€ почвы с целью получени€ высоких урожаев без нарушени€ по≠тенциального плодороди€ из-за потерь гумуса, создание новых способов контрол€ и управлени€ биологическим азотом (азотфиксацией). »меютс€ предложени€ по решению проблемы азотфиксации: 1) передать гены азотфиксации растени€м и прежде всего важным дл€ сельского хоз€йства злакам, 2) вызвать образо≠вание азотфиксирующих клубеньков у небобовых растений, преж≠де всего у пшеницы, кукурузы и др., 3) активизировать азотфиксацию у свобод ножи вуших или ассоциативных бактерий, 4) получать азотные удобрени€ в заводских услови€х с помощью нитрогеназы и т.д. Ќесмотр€ на огромные усили€ международного сооб≠щества ученых на прот€жении последних 40 лет ни одна из по≠ставленных задач, к сожалению, не была выполнена. Ќеобходимы дальнейшие исследовани€ и новые идеи.

 руговорот азота в природе разбиваетс€ на несколько основ≠ных звеньев, в которых главными агентами выступают микроор≠ганизмы. ¬ этом цикле азот участвует в газообразной форме, в виде минеральных и органических соединений. ѕри фиксации азота микроорганизмами происходит его восстановле≠ние до аммиака с последующим включением в аминокислоты; разложение органических азотсодержащих соединений (аммони≠фикаци€) приводит к освобождению азота в форме аммиака, ко≠торый далее окисл€етс€ последовательно до нитритов и нитратов (нитрификаци€). ќкисленный азот вновь восстанавливаетс€ до N2 в процессе денитрификации. јммонийные и нитратные фор≠мы соединений азота ассимилируютс€ растени€ми и микроорга≠низмами, что приводит к временному закреплению азота в орга≠нических веществах, его иммобилизации в микробной биомассе. ¬ процессах нитрификации и денитрификации возможны газо≠образные потери азота в форме его закиси Ч N20.

1 Ѕиологическа€ фиксаци€ азота ѕроблема азотного баланса почв и азотного питани€ расте≠ний Ч одна из центральных в почвоведении и агрохимии. ќт ее правильного решени€ зависит продуктивность и сохранение поч≠венного плодороди€ при многолетней эксплуатации земель и сохранение биосферы. ¬ современный период эта проблема св€≠зываетс€ с вы€снением роли и значени€ Ђбиологического азотаї. ѕод этим термином понимают азот, включенный в растени€ бла≠годар€ азотфиксации.

¬ естественных экосистемах растени€ используют азот из раз≠ных источников: из минеральных форм, из органических веществ в том числе и гумуса после его разложени€ микроорганизмами и от бактерий азотфиксаторов, св€зывающих молекул€рный азот, который в форме аммони€ и аминокислот поступает в клетки корн€. ¬ агроценозах растени€ дополнительно получают азот из вносимых в почву минеральных и органических удобрений. јзот, включенный в биомассу растений в результате фиксации его бак≠тери€ми, называют биологическим, а сами бактерии, св€зываю≠щие молекул€рный азот, Ч азотфиксаторами, или диазотрофами. ƒол€ биологического азота в урожае по разным оценкам колеб≠летс€ от 20 до 90%. ќчень много биологического азота могут по≠лучать бобовые растени€ за счет симбиоза с клубеньковыми бак≠тери€ми азотфиксаторами. ћикробное св€зывание молекул€рного азота Ч единственный путь снабжени€ растений азотом, не веду≠щий к нарушению экологической среды. ќбратный эффект дает применение минеральных азотных удобрений.

—уммарна€ годова€ продукци€ азотфиксации в экосистемах на «емле не известна, но, веро€тно, она очень велика. ¬ сельско≠хоз€йственные угодь€ вноситс€ 30% св€занного азота в виде ми≠неральных азотных удобрений. ¬ основе производства удобре≠ний лежит способ, разработанный в √ермании и получивший название метода √абера-Ѕоша. ќн заключаетс€ в синтезе аммиа≠ка из молекул€рного азота и водорода на катализаторах при вы≠сокой температуре и давлении. Ёто производство очень энерго≠емкое и сильно загр€зн€ет окружающую среду.

¬ молекуле азота существует очень прочна€ тройна€ св€зь, котора€ обеспечивает инертность газообразного азота. ƒл€ перевода одной молекулы N2 b две молекулы аммиака требуетс€ 225 ккал:

Ѕиологический процесс восстановлени€ азота представл€ет собой цепь ферментативных реакций, в которых главную роль играет фермент нитрогеназа. јктивный центр этого фермента состоит из комплекса двух белков, содержащих железо, серу и молибден в соотношении Fe:S:Mo = 6:8:1. ¬ыделена также ванадийсодержаша€ нитрогеназа, уровень активности которой на 30% ниже, чем у монитрогеназы.

јзот, растворенный в воде, поступает в азотфиксирующий центр, где в его активации участвуют два атома молибдена. ѕосле взаимодействи€ с азотом молибден восстанавливаетс€ за счет электронов, поступающих в активный центр через Fe-белок и Mo-Fe-белок. Ётот перенос сопр€жен с реакцией разложени€ ј“‘, т.е. он идет с затратой энергии. ¬ передаче электронов нитрогеназе участвует же лезосодержащий водорастворимый белок Ч фермент ферредоксин, а в активации водорода воды и переносе протонов Ч фермент гидрогеназа. –еакции, происход€щие при работе нитрогеназы

ќбразование нитрогеназы у бактерий св€зано с наличием осо≠бых nif-генов, содержащихс€ или в €дерной ƒЌ  или в плазми≠де, ответственной за синтез этих специфических ферментных белков. √ены диазотрофности высоко консервативны и широко распространены у бактерий благодар€ существованию эффектив≠ных систем обмена генетической информацией. ¬ то же врем€ диазотрофы не встречаютс€ среди эукариот. ƒолгое врем€ не об≠наруживали азотфиксаторов и среди архебактерий. ќднако в пос≠леднее врем€ стало известно, что метаногены имеют особую термостабильную ферментную систему азотфиксации, отличную от термолабильной системы эубактерий. “аким образом, хот€ свой≠ство фиксировать азот присуще многим организмам, оно огра≠ничено только царством прокариот.

” бактерий-азотфиксаторов встречаютс€ все известные типы метаболизма. —реди них есть аэробы с дыхательным энергети≠ческим обменом, анаэробы, осуществл€ющие брожение, хемоорганотрофы, автотрофы-фотосинтетики и хемолитоавтотрофы. ‘иксаци€ молекул€рного азота дл€ них не об€зательный про≠цесс, так как в присутствии азота в другой форме Ч минераль≠ной или органической Ч они обеспечивают свои потребности св€занным азотом.

Ѕольшое значение дл€ активной азотфиксации имеет концент≠раци€ кислорода, так как фермент нитрогеназа подавл€етс€ мо≠лекул€рным кислородом. ” разных микроорганизмов выработа≠лись различные механизмы защиты нитрогеназного комплекса от кислорода.

” аэробных бактерий-диазотрофов (например, азотобактера) происходит активное св€зывание кислорода за счет повышени€ уровн€ дыхани€ при азотфиксации. ƒл€ быстрого расхода кисло≠рода часть органических молекул сжигаетс€ клеткой Ђнепроизво≠дительної, т.е. путем окислени€ без запасани€ энергии. ƒругой механизм зашиты нитрогеназы в аэробных услови€х Ч конформационное изменение тех компонентов ферментных белков, которые чувствительны к кислороду, а также св€зывание последних в ста≠бильные комплексы с помощью специальных FeS-белков.

” цианобактерий, выдел€ющих кислород внутриклеточно при фотосинтезе, процесс азотфиксации перемещен в нефотосинте≠зирующие гетероцисты, где он пространственно изолирован от кислорода. —имбиотические клубеньковые бактерии защищены тканью клубенька и, кроме того, у них имеетс€ леггемоглобин, который транспортирует необходимый дл€ дыхани€ кислород непосредственно к бактероидам в менее активном св€занном виде.

јзотфиксирующие бактерии по их св€зи с растени€ми дел€т на свободноживущие и симбиотические. ¬ первой группе разли≠чают свободноживущие бактерии, которые не св€заны непосред≠ственно с корневыми системами растений, и ассоциативные, обитающие в сфере пр€мого вли€ни€ растени€, в прилегающей к корн€м почве (ризосфере) или на поверхности корней (в ризоплане) и листьев (в филлоплане).   симбиотическим бактери€м относ€тс€ те, которые живут в ткан€х растени€, стимулиру€ об≠разование особых разрастаний на корн€х или листь€х в форме клубеньков.

—имбиоз контролируетс€ комплексом соответствующих ком≠плементарных генов растени€ и бактерии.

»сследовани€ показали, что некоторые бактерии не фиксиру≠ют азот. ¬еро€тно не удалось подобрать услови€ дл€ осуществле≠ни€ этого процесса. Ќа прот€жении 70 лет не удавалось устано≠вить азотфиксацию у чистых культур клубеньковых бактерий, так как не были подобраны подход€щие услови€. ƒостаточно было понизить парциальное давление кислорода и они начали фикси≠ровать азот.

“ак называемые свободноживущие азотфиксаторы распрост≠ранены повсеместно и встречаютс€ среди бактерий самых раз≠ных таксономических групп, относ€щихс€ как к хемотрофам, так и фототрофам, к аэробам и анаэробам. ѕервый диазотрофный микроорганизм был обнаружен в конце XIX в. (1898 г.) —.Ќ. ¬и≠ноградским среди анаэробных масл€нокислых бактерий род а Clostridium. ќн назвал его в честь ѕастера Clostridium pasteurianum. ¬скоре (1901 г.) ћ. Ѕейеринком в √олландии был выделен аэроб≠ный азотфиксатор, получивший за свою морфологию и цвет (кок≠ковидные бактерии, колонии которых с возрастом темнеют до шоколадного цвета) название Azotobacter chroococcum. ¬последст≠вии способность к св€зыванию молекул€рного азота была уста≠новлена у огромного числа почвенных бактерий, в том числе и у цианобактерий (прежнее название Ч синезеленые водоросли).

¬ благопри€тных услови€х, например на затопл€емых почвах рисовников, прибавка азота за счет де€тельности цианобактерий может достигать 25-50 кг/га в год. ¬ зональных автоморфных почвах и в агроценозах их вклад в общее азотонакопление не превышает нескольких килограммов азота в год на 1 га.

—уммарна€ годова€ потенциальна€ продукци€ азота свободноживущими азотфиксаторами (в услови€х лабораторных экспе≠риментов с внесением источников углерода) дл€ разных почв разна€ и колеблетс€ от дес€тков до сотен килограммов на гектар (кг/га в год): дерново-подзолистые 30-200; серые лесные 50-200; черноземы и черноземно-луговые 90-300; каштановые 100-300; сероземы 100-400.

јссоциативной азотфиксацией называют накопление азота микроорганизмами, живущими в ассоциации с первичными про≠дуцентами органического вещества Ч растени€ми, водоросл€ми или цианобактери€ми. Ёффект высокой нитрогеназной актив≠ности в этих ассоциаци€х св€зан с поступлением к бактери€м от фототрофов легкодоступных источников углерода и энергии в виде экссудатов листьев и корней, внеклеточных слизей циано≠бактерий, корневого отпада и опада.

¬ли€ние растений на азотонакопление в прикорневой зоне небобовых растений было отмечено еще в 1926 г. академиком —.ѕ.  остычевым на примере табака и азотобактера. ѕроцесс ассоциативной азотфиксации тесно сопр€жен с фотосинтезом. ќн протекает не только в корневой зоне, но и филлосфере, при≠чем на долю последней приходитс€ 10% фиксированного азота. —в€зующим звеном между фотосинтезом и азотфиксацией слу≠жат прижизненные выделени€ корн€ми органических веществ. Ёто могут быть сахара и органические кислоты, полисахаридные слизи (муцигель) и другие экссудаты.

ќбщее количество органических соединений, выдел€емых кор≠н€ми, может составл€ть до 30-40% от суммарной продукции фо≠тосинтеза за вегетационный период, что было установлено, ког≠да растению давали меченую —02. »сход€ из этого расчета следует оценивать ассоциативную азотфиксацию примерно в 10-25 кг N2 на 1 га в год дл€ почв средней полосы и до 50-100 кг Ч в суб≠тропической и тропической зонах, однако пока такие расчеты остаютс€ очень неточными. ¬ длительных опытах, проведенных в нашей стране и за рубежом, было показано, что потери азота из почвы, в которую азотные удобрени€ не вносили, минимальны даже в случае монокультур небобовых растений по сравнению с почвами бессменного пара.

ѕоступающие в почву через корни органические вещества активизируют де€тельность не только диазотрофов, но и микро≠организмов, разлагающих гумус. “аким образом, мобилизаци€ азота в системе Ђпочва-микроорганизмы-растениеї происходит по двум каналам Ч св€зывание его из атмосферы и извлечение из органических веществ почвы. ¬ключение того или иного про≠цесса и их эффективность определ€ютс€ наличием в почве легко≠доступного азота. ѕри внесении азотных удобрений микроорга≠низмы переход€т от азотфиксации к св€зыванию (иммобилизации) растворимых форм азота с частичными потер€ми N2 в атмосферу за счет денитрификации. ѕо мере увеличени€ соотношени€ уг≠лерода и азота в среде активизируетс€ процесс азотфиксации, а усиление фотосинтетической де€тельности растений приводит к возрастанию степени минерализации гумуса.

¬скрытие механизмов работы живой системы почвы приводит к пониманию путей управлени€ этой системой. ѕрименение сба≠лансированных доз азотных удобрений, повыша€ фотосинтетическую активность растени€, косвенно способствует усилению азотфиксации и увеличивает долю биологического азота в урожае.

јссоциативные микробы-диазотрофы есть и у животных. ƒо≠казана способность к азотфиксации у бактерий кишечной груп≠пы рода Escherichia, обитающих в качестве комменсалов в пи≠щеварительном тракте человека. јзотфиксаторы обитают в пищеварительном тракте всех позвоночных и беспозвоночных животных. —колько они фиксируют азота в реальных услови€х, остаетс€ неизвестным. Ёта область исследований еще мало раз≠работана, и микробные ассоциации во многих случа€х плохо иден≠тифицированы. ќсобый интерес вызывают животные, питающие≠с€ кормом, содержащим мало азота (жвачные, грызуны, термиты).

—имбиотическа€ азотфиксаци€ Ч важнейший резерв биологи≠ческого азота в почве. ћикробные азотфиксирующие симбион≠ты описаны у многих видов разных растений. ѕроника€ в ткани растени€, они вызывают опухолевидные разрастани€ в форме клубеньков на корн€х или стебл€х.

Ќаиболее активные и хорошо изученные диазотрофные сим≠бионты Ч клубеньковые бактерии бобовых растений. —емейство бобовых содержит 674 рода и 19 тыс. видов, из которых 200 ис≠пользуютс€ в сельском хоз€йстве. Ѕобовые распространены по всему миру и по значению занимают второе место после злаков. ”никальным свойством бобовых €вл€етс€ формирование корне≠вых клубеньков как у культурных, так и у дикорастущих расте≠ний. ќднако не все бобовые образуют клубеньки, большинство видов даже не исследовано в этом отношении.

ќбразование клубеньков и последующее развитие азотфиксирующего симбиоза у бобовых происходит в ответ на инфициро≠вание бактери€ми нескольких родов, относ€щихс€ к семейству Rhizobiaceae. ¬ природе и в сельском хоз€йстве эти симбиозы играют важную роль как поставщики св€занного азота. Ќе все представители семейства Rhizobiaceae €вл€ютс€ полезными. Ќе≠которые виды рода Agrobacterium вызывают болезни растений. ѕредставители рода Phyllobacteriumобразуют клубеньки на ли≠сть€х некоторых растений, значение которых пока не €сно.

ѕервым в чистую культуру бактерии из клубеньков выделил ћ. Ѕейеринк. —истематика клубеньковых бактерий первоначально строилась на названии растени€ хоз€ина, была очень проста, пон€тна и удобна дл€ практического использовани€ клубенько≠вых бактерий при инокул€ции бобовых растений. Ёто были клу≠беньковые бактерии клевера, гороха, сои, люпина, люцерны и др. ¬се они относились к одному роду Rhizobium. ќднако в послед≠нее врем€ особенно в св€зи с глубокими и разносторонними ис≠следовани€ми нуклеиновых кислот оказалось, что это очень раз≠нородна€ группа бактерий и часто резко отличающиес€ бактерии образуют клубеньки на одном и том же растении и даже один вид бактерий может иметь много растений-хоз€ев.

¬ насто€щее врем€ выдел€ют по меньшей мере четыре рода клубеньковых бактерий:

1) Rhizobium, например Rhizobium leguminosarum bv trifolii (кле≠вер), bv viceae (горох), bv meliloti (люцерна). Ёто быстрора≠стущие бактерии;

2) Sinorhizobium(вика, люцерна, соевые, у сесбании клубень≠ки образуютс€ на стебле);

3) Mezorhizobium;

4) Bradyrhizobium, например Bradyrhizobium japonicum(со€). Ёто медленнорастущие бактерии.

ќбозначение bv Ч биовариант.

√ены азотфиксации у некоторых родов располагаютс€ на плаз≠миде, у других Ч на хромосоме.

Ѕлагодар€ азотфиксирующим симбионтам бобовые обогаща≠ют почву азотом. ¬ зависимости от условий роста растений они накапливают азот от 60 до 300 кг/га в год.

¬скоре после открыти€ роли клубеньковых бактерий в накоп≠лении азота попытались использовать эти бактерии дл€ обработ≠ки сем€н бобовых перед посевом. ѕриготовленные на основе клубеньковых бактерий препараты получили в разных странах разные названи€. »зготовленный впервые в √ермании в 1896 г. препарат был назван нитрагином; в 1906 г. он был получен в јнглии, в 1907 г.Ч в —Ўј. ¬ „ехословакии препарат клубень≠ковых называли нитразоном, в јвстралии Ч нитрофиксом. ¬ –оссии первые партии нитрагина были изготовлены в 1930-1935 гг.

ѕервый очень важный этап при изготовлении нитрагина со≠стоит в выделении и подборе производственного штамма клубень≠ковых бактерий.   каждой культуре бобового растени€ нужно под≠бирать соответствующие ему штаммы: дл€ клевера клубеньковые бактерии клевера, дл€ гороха клубеньковые бактерии гороха, дл€ люпина бактерии люпина. ¬ыдел€ют бактерии обычно непо≠средственно из клубенька. Ѕерут крупный клубенек розового цве≠та, окрашенный леггемоглобином, стерилизуют его поверхность сулемой или каким-либо другим антисептиком, разрезают сте≠рильным скальпелем, извлекают небольшое количество расти≠тельной ткани и шпателем растирают ее по поверхности бобово≠го агара в чашке ѕетри. ќтобранный штамм должен отличатьс€ следующими свойствами: специфичностью по отношению к.определенному растению, 2) генетической устойчивостью, 3) свой≠ством доминировани€, т.е. способностью быстро размножатьс€ в почве и численно доминировать над местными малоэффектив≠ными штаммами, которые могут находитьс€ в почве, 4) инвазивностью Ч способностью проникать в корни растений, активностью, т.е. высокой способностью к азотфиксации, 6) эф≠фективностью Ч способностью повышать урожай. ќн должен образовывать большие немногочисленные розовые от леггемоглобина клубеньки. ќбразование большого количества мелких белых клубеньков свидетельствует о том, что этот штамм плохой. ’орошо развитые клубеньки образуют вещества, преп€тствую≠щие дальнейшему клубенькообразованию. Ћучшим способом, по которому можно судить о ценности штамма, €вл€етс€ определе≠ние прибавки урожа€, которую он дает. Ётот метод имеет только тот недостаток, что он очень трудоемок. ≈сли, например, испы≠тываетс€ сто штаммов, нужно иметь множество опытных дел€≠нок и проводить эксперименты минимум три года.  роме того, урожай зависит от множества факторов и вычленить среди них вли€ние азотфиксации не так-то просто.

¬ –оссии микробиологическа€ промышленность на основе клубеньковых бактерий выпускает препарат ризоторфин (торф€≠ной нитрагин).

“ехнологи€ производства ризоторфина заключаетс€ в сле≠дующем:

1) выращивание жидкой культуры клубеньковых бактерии в колбе (посевной материал), 2) выращивание бактерий в большом ферментере, в который вноситс€ посевной материал, 3) подго≠товка торфа дл€ заражени€ культурой (нейтрализаци€ реакции среды, внесение питательных добавок, NPK, микроэлементов, органических веществ), раскладывание влажного торфа в поли≠этиленовые пакеты, герметизаци€ пакетов, стерилизаци€ у-лучами, 4) внесение в пакет с помощью шприца клубеньковых бакте≠рий, 5) двухнедельное подращивание бактерий в торфе при комнатной температуре с увеличением численности бактерий в 100 раз и более, 6) хранение ризоторфина в холодильнике до 6-8 мес€цев. ѕри этом титр клубеньковых бактерий не должен сильно падать.

–изоторфин предназначен дл€ предпосевной обработки сем€н зернобобовых культур и бобовых трав: гороха, люпина, сои, вики, фасоли, люцерны, клевера и др. ƒл€ каждого вида бобовых рас≠тений ризоторфин готовитс€ отдельно из разных видов клубень≠ковых бактерий. ѕрепарат представл€ет собой сыпучую массу с влажностью 50-100%. ¬ 1 г препарата содержитс€ не менее 200 млн клеток клубеньковых бактерий.

√ектарна€ порци€ ризоторфина 200 г. ѕредпосевна€ обработка сем€н производитс€ путем разбавлени€ препарата в воде и зама≠чивани€ сем€н в день посева. ѕри использовании ризоторфина нельз€ примен€ть €дохимикаты (фунгициды, инсектициды).

 лубеньковые бактерии почти полностью обеспечивают по≠требности растений в азоте. ћноголетн€€ практика применени€ ризоторфина показывает, что он сильно повышает урожай сои, гороха, люцерны и клевера. ѕри этом содержание белка в урожае существенно повышаетс€. Ќаиболее высокий хоз€йственный эффект ризоторфин дает лишь при соблюдении прогрессивной технологии возделывани€ бобовых культур. ¬ысев обработанных ризоторфином сем€н необходимо производить во влажную поч≠ву, удобренную фосфором, калием и микроэлементами, особен≠но молибденом. Ќа почвах слабоокультуренных, бедных азотом, применение ризоторфина следует сочетать с внесением неболь≠ших доз минеральных азотных удобрений Ч не более 45 кг/га. Ќа хорошо окультуренных почвах использование ризоторфина исключает необходимость внесени€ минерального азота под все виды бобовых.

»нокул€ци€ бобовых клубеньковыми бактери€ми особенно эффективна на площад€х, где ранее не возделывалась данна€ бобова€ культура и соответствующие специфичные бактерии в почве отсутствуют. ¬ почве после посева бобовых клубеньковые бактерии сохран€ют высокий титр до 5 лет.

¬аловое содержание азота в почве может быть высоким и в черноземах достигает ёт/га. ќднако почти 99% его св€зано в органических соединени€х, в том числе в гумусе, поэтому он недоступен дл€ растений и обычно выступает в качестве основ≠ного лимитирующего фактора роста растений в сельском хоз€йст≠ве. ѕроцесс минерализации азотсодержащих органических со≠единений с выделением аммиака называетс€ аммонификацией. Ётому процессу подвержены белки и их производные Ч пептиды и аминокислоты, нуклеиновые кислоты и их дериваты Ч пури≠новые и пиримидиновые основани€, мочевина и мочева€ кисло≠та, азотсодержащий полисахарид хитин и гумусовые кислоты. ”же в конце XIX в. француз Ё. ћаршель показал, что процесс аммо≠нификации носит универсальный характер и осуществл€етс€ многими микроорганизмами в широком диапазоне условий.

2 јммонификаци€ Ёто наиболее динамичное звено в цикле азота. ѕри внеклеточных превращени€х белков конечным продук≠том €вл€ютс€ аминокислоты. ¬ процессе участвуют разнообразные протеазы очень многих микроорганизмов (бактерий и грибов). ƒа≠лее аминокислоты либо поступают в клетки микроорганизмов, либо вовлекаютс€ в химические реакции в почве. ¬нутриклеточные превращени€ аминокислот возможны по четырем направлени€м: синтез белка, переаминирование, декарбоксилирование и дезами≠нирование. ѕоследнее приводит к выделению свободного аммиака. ¬ аэробных услови€х кроме аммиака при аммонифика≠ции образуютс€ —02 и окислы серы, а в анаэробных Ч жирные и ароматические кислоты (бензойна€, ферулинова€ и др.), спирты, непри€тно пахнущие продукты (индол, скатол, метилмеркаптан) и €довитые амины Ч кадаверин, путресцин.

ќбразующиес€ в переувлажненных почвах при анаэробиозе продукты аммонификации обладают фитотоксическими свойства≠ми и могут вызывать угнетение роста растений.

¬ процессе аммонификации помимо бактерий участвуют ак≠тиномицеты и грибы. јктивные возбудители аммонификации известны среди разнообразных аэробных и анаэробных бактерий из многих родов. Ёто малоспецифическа€ функци€. ƒл€ процес≠са аммонификации большое значение имеет соотношение —: N в разлагаемом субстрате. „ем меньше это отношение, тем выше эффективность аммонификации, определ€емой по количеству NH3 от общего количества превращенного азота. Ќа каждые 50 г разложенного органического вещества бактерии используют на синтез белка биомассы 2 г азота (—: N = 25). ѕри содержании азота в органическом веществе разлагающейс€ растительной массы менее 2% он будет полностью иммобилизован в клетках микро≠организмов, а при более высоком его содержании (—: N < 25) будет выдел€тьс€ аммиак. Ёто про€вл€етс€ при использовании разных органических удобрений. ќтношение —: N в навозе низ≠кое, и его разложение поэтому сопровождаетс€ накоплением ам≠миака, а дл€ соломы —: N высокое и внесение в почву соломы без минеральных азотных удобрений приводит к иммобилиза≠ции, т.е. к закреплению всего азота в микробных клетках и азот≠ному голоданию растений.

јммонификаци€ нуклеиновых кислот.ѕомимо внутриклеточ≠ных превращений нуклеиновых кислот они подвергаютс€ вне≠клеточному распаду под действием нуклеаз, выдел€емых микро≠организмами во внешнюю среду. ¬неклеточные ƒЌ -азы и –Ќ -азы найдены у многих микроорганизмов. јммиак выдел€≠етс€ при распаде пуриновых и пиримидиновых оснований, вхо≠д€щих в состав нуклеиновых кислот.

јммонификаци€ мочевины и мочевой кислоты. ћочевина попа≠дает в почву с мочой млекопитающих, а также образуетс€ поч≠венными грибами. Ќапример, ее содержание в шампиньонах до≠стигает 13% от сухой биомассы. ¬ год на «емле образуетс€ около 30 млн т мочевины. Ёто огромные ресурсы азота, так как моче≠вина по химическому строению представл€ет собой диамид уголь≠ной кислоты и содержит 47% азота. –азложение ее протекает сле≠дующим путем:

(NH2)2CO + 2Ќ20 -ї (NH4)2C02 -ї 2NH3 + —02+ Ќ20.

ћочевину разлагают микроорганизмы, обладающие фермен≠том уреазой и широко распространенные в почве. Ёти бактерии в большом числе содержатс€ в рубце жвачных животных, поэтому мочевину добавл€ют и в корма. ћикроорганизмы рубца вызыва≠ют ее разложение (аммонификацию) и далее перевод€т в белок. Ѕолее половины почвенных микроорганизмов обладают фермен≠том уреазой и могут превращать мочевину в аммиак.

ќна образуетс€ как конечный продукт белкового обмена птиц, пресмыкающихс€ и насекомых. Ёкскременты змей содержат до 30% мочевой кислоты, а в гуано (преобразованном помете птиц) Ч 25%. ¬ыводитс€ из организма мочева€ кислота с минимальным количеством воды или даже в твердом виде.

¬ моче млекопитающих концентраци€ мочевой кислоты нич≠тожна.

јммонификаци€ мочевой кислоты в местах скоплени€ гуано в аридных област€х приводит к накоплению нитратов, так как образующийс€ аммиак окисл€етс€ нитрифицирующими бакте≠ри€ми, а при низкой влажности нитраты не вымываютс€. “ако≠вы источники богатых залежей нитратов в „или, ѕеру и ёжной јфрике. √уано используетс€ как ценное азотное и фосфорное удобрение, оно содержит около 9% азота, 13% фосфорной кис≠лоты, калий и кальций.

јммонификаци€ хитина. ’итин Ч азотсодержащий полисаха≠рид, полимер ацетилглюкозамина. ќн содержитс€ в клеточных стенках грибов, в панцирных покровах беспозвоночных. ѕри его разложении образуетс€ глюкоза (и продукты ее превращени€), а также аммиак. ‘ерменты хитиназы особенно распространены у актиномицетов: до 98% изученных актиномицетов про€вл€ли активность в разложении хитина. »з грибов активную роль в разложении хитина играют мукоровые, аспергиллы и др. ≈сть и хитинолитические миксобактерии и некоторые другие бактерии.

јммиак, образующийс€ при микробном разложении вышеука≠занных соединений растительного и животного происхождени€, претерпевает в почве различные превращени€: 1) потребл€етс€ растени€ми как источник азота, 2) иммобилизуетс€ (ассимили≠руетс€) в процессе метаболизма почвенных микроорганизмов,

3) окисл€етс€ в нитриты и нитраты. Ётот последний процесс носит название нитрификации и €вл€етс€ единственным в цикле азо≠та, который ведет к образованию окисленных форм азотистых соединений из аммиака.

3 Ќитрификаци€ Ѕиологическа€ природа образовани€ в почве нитратов была установлена во второй половине XIX в. “. Ўлезингом и ј. ћюнцем. ѕервое предположение об участии микроорганизмов в этом процессе было высказано J1. ѕастером. ќднако выделить микро≠организмы, ответственные за процесс образовани€ нитратов, дол≠гое врем€ никому не удавалось. —.Ќ. ¬иноградский применил дл€ их выделени€ элективную среду, представл€ющую собой раствор чистых минеральных солей, в том числе и сернокислого аммо≠ни€, которым он пропитал пластинки кремнекислого гел€. ќт≠сутствие органических соединений в такой среде исключало воз≠можность развити€ банальных гетеротрофов. ¬ 1891 г. ему удалось выделить микроорганизмы, названные нитрификаторами. ќни были представлены двум€ группами, кажда€ из которых прово≠дила один из двух этапов окислени€ азота: сначала образовыва≠лись нитриты, а затем Ч нитраты.

ѕервую группу нитрозных (нитритных) бактерий представл€ют роды Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio, вторую Ч нитратных бактерий Ч Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Ќазвани€ родов свидетельствуют о том, что бактерии той и другой группы морфологически разнообразны Ч это кокки, палоч≠ки, спирально изогнутые клетки. ¬се они Ч грамотрицательные бактерии, в большинстве своем очень мелкие, часто подвижные, с пол€рными или перитрихиальными жгутиками. ћногие имеют развитые системы внутрицитоплазматических мембран. ¬ мета≠болическом отношении эти нитрифицирующие бактерии Ч хемолитоавтотрофы, использующие энергию окислени€ аммиака или азотистой кислоты дл€ синтеза органических веществ из —02, т.е. осуществл€ющие хемосинтез.

ѕо современным представлени€м, процесс окислени€ аммиа≠ка и нитритов локализуетс€ на цитоплазматической мембране. ќкисление аммиака до нитрата происходит ступенчато с потерей электронов. —начала образуетс€ гидрокисиламин, который далее окисл€етс€ до нитрита. ѕромежуточным продуктом может быть нитроксил:

џЌ3+02 + ЌјƒЌ2 -*NH2OH + Ќ2ќќЌ+ Ќјƒ+,

гидроксиламин

N20

т

NH2OH Ч>[HNO] + 2e + 2H+, нитроксил

NH20H + 02 -^N02 + Ќ20+ Ќ +.

¬тора€ фаза нитрификации сопровождаетс€ потерей двух элект≠ронов. ƒонором кислорода при окислении нитритов до нитрата служит вода:

N02 + Ќ20 - N03 + 2Ќ+ + 2е.

Ёлектроны, освобождающиес€ в первой и второй фазе нитри≠фикации, поступают в дыхательную цепь на цитохромы. ¬се нит≠рифицирующие бактерии Ч облигатные аэробы. ќптимальные услови€ дл€ их роста лежат в диапазоне температур 25-30 ∞— и pH 7,5-8,0. ¬ кислых почвах автотрофна€ нитрификаци€ не про≠исходит, этот процесс замещаетс€ окислением аммиака или дру≠гих восстановленных азотсодержащих веществ до нитритов и нитратов гетеротрофными микроорганизмами Ч грибами и бак≠тери€ми. Ёто €вление названо гетеротрофной нитрификацией, так как образование нитратов сопровождаетс€ параллельно иду≠щим окислением органических веществ.

Ўироко распространенные в почвах бактерии родов Arthrobacter, Pseudomonas и другие окисл€ют оксимы и гидроксаматы, где гидроксиламин св€зан с органическими молекулами. ќкис≠ление может быть св€зано с ростом или образованием метаболи≠ тов в стационарной фазе. ¬озможно, окисление происходит с участием активного кислорода, образующегос€ при разложении перекиси водорода пероксидазой. “аким образом, гетеротроф≠на€ нитрификаци€ не служит источником энергии дл€ микроор≠ганизмов.

¬ природе гетеротрофна€ нитрификаци€ осуществл€етс€ вез≠де, где аммиак образуетс€ в услови€х обили€ органических ве≠ществ, например в компостных кучах, в скоплени€х гуано (про≠исхождение чилийской селитры тоже об€зано, по-видимому, этому процессу), в аэротенках, в евтрофных водоемах. ѕо масштабам гетеротрофна€ нитрификаци€, по-видимому, превышает автотрофную. ¬еличину гетеротрофной нитрификации устанавливают, добавл€€ в почву ингибиторы нитрификации, которые подавл€≠ют только автотрофную нитрификацию и становитс€ возмож≠ным определение величины гетеротрофной нитрификации, ос≠новным агентом которой €вл€ютс€ грибы.

ѕосле того как академик ƒ.Ќ. ѕр€нишников доказал, что ра≠стени€ используют соединени€ аммони€, произошла переоценка значени€ нитратов дл€ питани€ растений. –анее нитраты счита≠лись наилучшей формой азотных удобрений дл€ растений. ќсо≠бенно остро встал вопрос об азотном питании, когда стали при≠мен€ть сверхвысокие дозы нитратных удобрений. Ѕыло показано, что растени€ используют не более 30-50% вносимого азота нит≠ратов, а остальна€ часть в превращенном виде закрепл€етс€ в составе органического и минерального вещества почвы, иммо≠билизуетс€ в клетках микроорганизмов, подвергаетс€ восстанов≠лению до газообразных продуктов Ч закиси азота и N2, вымыва≠етс€ в грунтовые воды, откуда они вынос€тс€ в реки, мор€ и океаны. ќбъем поступлений азота с нитратами в воды составл€ет миллионы тонн в год. ¬озникла необходимость по≠давлени€ процесса нитрификации. ѕредложены многочисленные промышленные препараты ингибиторов нитрификации (нитропирин, ј“—, N-серв и др.), синтезируемые на пиридиновой ос≠нове. ѕрименение нитропирина, например, повышает использо≠вание азотных удобрений до 50-70%. ”казанные препараты подавл€ют первую фазу автотрофной нитрификации, но не дейст≠вуют на гетеротрофную нитрификацию.

“ак же как и в случае с аммиаком, судьба образующихс€ при нитрификации продуктов неоднозначна. Ќитраты претерпевают следующие превращени€: 1) используютс€ высшими растени€ми в процессах ассимил€ции, 2) вымываютс€ в водоемы и вызывают их евтрофизацию, 3) используютс€ (иммобилизуютс€) микроорганизмами в процессе ассимил€ционной нитратредукции, 4) вос≠станавливаютс€ до молекул€рного азота в результате диссимил€ционной нитратредукции или денитрификации.

»ммобилизаци€ азота. јзот аммонийных и нитратных соеди≠нений, поглощенных микробными клетками, включаетс€ в орга≠нические полимеры и временно выводитс€ из круговорота, так как он становитс€ недоступным дл€ растений. ѕроцесс иммоби≠лизации сказываетс€ на применении удобрений: происходит сни≠жение коэффициента использовани€ азотных удобрений расте≠ни€ми в услови€х микробной конкуренции за субстрат. ƒол€ иммобилизованного азота зависит от примен€емого удобрени€ и почвенных условий. ¬ случае одновременного внесени€ в подзо≠листые почвы минеральных удобрений и соломы количество не превышает 20%. ¬ орошаемом земледелии иммобилизаци€ азо≠та Ч это средство сокращени€ потерь азотных удобрений от вымывани€. ќдин из приемов увеличени€ доли биологически зак≠репленного азота Ч внесение молибденсодержаших удобре≠ний. “ак как молибден входит в активный центр ферментов азот≠ного обменаЧ нитрогеназы и нитратредуктазы, то происходит повышение уровн€ органического азота в почве за счет усилени€ азотфиксации и ассимил€ции нитратов микроорганизмами.

ѕроцессы микробиологического закреплени€ азота следует учитывать при выборе способов обработки почвы, противоэрозионных меропри€тий и при внесении удобрений. Ќапример, запашка соломы под зерновые перед посевом закрепл€ет азот и вызывает азотное голодание растений; внесение соломы осенью удерживает азот от вымывани€; солома, внесенна€ под бобовые, всегда дает положительный эффект.

»ммобилизованный азот Ч наиболее лабильна€ часть органи≠ческого азота почвы. Ётот азот минерализуетс€ в почве в первую очередь и €вл€етс€ ближайшим резервом в питании растений. „асть иммобилизованного азота удобрений включаетс€ во фракции поч≠венного гумуса, устойчивые к разложению. ћикробные клетки выедаютс€ простейшими и происходит реутилизаци€ азота. „ерез микробные клетки в почве проходит поток азота, в 2-3 раза пре≠вышающий ежегодный вынос азота с урожаем; 10-30% азота мик≠робной биомассы поступает в растени€. ¬ почвах Ќечерноземной зоны –оссии максимально возможные величины потока азота че≠рез микробную биомассу определ€ютс€ в 250 кг/га за сезон.

4 ƒенитрификаци€ “ермином Ђденитрификаци€ї обозначают сумму процессов, ко≠торые ведут к частичному или полному восстановлению нитратов до нитритов и затем газообразных форм азота NO, N20, N2. –азли≠чают ассимил€ционную и диссимил€ционную денитрификацию. ¬ узком смысле термина под денитрификацией понимают только диссимил€ционное восстановление окисленных форм азота.

јссимил€ционные процессы восстановлени€ нитратов до NH4, которые привод€т к синтезу азотсодержащих клеточных компо≠нентов, свойственны всем растени€м и многим микроорганиз≠мам, которые могут расти на средах с нитратами. ќни проход€т в аэробных и анаэробных услови€х. Ётот путь преобразовани€ нит≠ратов называетс€ ассимил€ционной нитратредукцией в отличие от диссимил€ционной нитратредукции, или денитрификации, котора€ представл€ет собой процесс, в анаэробных услови€х обеспечивающий микроорганизмы энергией, но с потерей вос≠становленных соединений азота или молекул€рного азота.

ƒенитрификаци€ протекает в анаэробных услови€х и подав≠л€етс€ кислородом. Ќитраты в анаэробных услови€х выполн€ют функцию акцепторов электронов, поступающих с окисл€емого субстрата, которым может быть как органическое, так и неорга≠ническое вещество. ¬ первом случае процесс провод€т хемоорганотрофы, во втором Ч хемолитотрофы. ‘ерменты диссимил€ционной нитратредукции Ч это нитратредуктазы, содержащие MoFeS-белки. ќни локализованы на клеточных мембранах.  о≠нечные продукты денитрификации выдел€ютс€ из клетки в газо≠образной форме в виде NO, N20 или N2 в зависимости от вида микроорганизма и от условий среды. Ќитраты восстанавливают≠с€ в следующей последовательности:

N03Ц NO2 Ч NO Ч N20 Ч N2.

Ёнергетический выход при переносе электронов к N02~ и N20 приблизительно одинаков и в сумме составл€ет около 70% энер≠гетического выхода при дыхании с участием свободного кисло≠рода. ѕоэтому процесс денитрификации иначе называют ана≠эробным нитратным дыханием.

„исло родов бактерий, представители которых способны к нитратному дыханию, весьма велико. ѕри этом первый этап Ч переход нитратов в нитриты Ч способны осуществл€ть разнооб≠разные микроорганизмы, в том числе и эукариоты Ч водоросли, грибы и дрожжи. ѕолную денитрификацию до молекул€рного азота провод€т только прокариоты. Ѕольшинство из них Ч фа≠культативно анаэробные хемоорганотрофы многих родов, исполь≠зующие нитраты как окислители органических субстратов. ѕри этом последние окисл€ютс€ до —02 и Ќ20, как и в акте кисло≠родного дыхани€, а азот тер€етс€ в газообразных формах:

ќрганическое вещество + KN03 -ї —02 + Ќ20+ N2.

ѕредставители хемолитототрофных бактерий-денитрификаторов Ч Thiobacillus denitriflcans, Thiomicrospira denitrificans, Paracoccus denitrificans. Ќитраты дл€ них выступают в качестве окислителей неорганических веществ, например серы, Ќ2 или тиосульфата, восстанавлива€сь при этом либо полностью до N2, либо только до нитритов (у Thiobacillus thioparus).

¬се денитрифицирующие бактерии Ч факультативные ана≠эробы, осуществл€ющие восстановление нитратов только в от≠сутствие свободного кислорода. ¬ аэробной обстановке они мо≠гут переключатьс€ на дыхание дл€ получени€ энергии, а нитраты использовать в процессах ассимил€ционной нитратредукции как источники азота. ѕомимо этого, многие или даже все денитрификаторы, как показали исследовани€ последних лет, обладают способностью к азотфиксации. ¬се ферменты азотного цикла (нитрогеназа азотфиксаторов, нитритоксидоредуктаза нитрификаторов, ассимил€торна€ и диссимил€торна€ нитратредуктазы) имеют низкомолекул€рный молибденсодержащий кофактор, который может быть передан от одного фермента к другому.

‘ерменты ассимил€ционной и диссимил€ционной нитратре≠дукции имеют большое сходство, но при диссимил€ционном процессе в анаэробных услови€х фермент погружаетс€ в мембра≠ну, и его работа по восстановлению нитратов обеспечивает энер≠гетический процесс получени€ клеткой ј“‘. »зучение извест≠ного азотфиксатора Azospirillum lipoferum показало, что при наличии нитратов в анаэробных услови€х этот микроорганизм проводит денитрификацию, а в аэробных Ч ассимилирует нитрат. ¬ опре≠деленных услови€х процессы азотфиксации и нитратредукции могут идти в клетке параллельно.

“аким образом, процессы ассимил€ционной и диссимил€ци≠онной нитратредукции, азотфиксации и денитрификации взаимно св€заны и могут осуществл€тьс€ одними и теми же бактери€ми. Ќаправление процессов будет зависеть от конкретных условий.

¬ процессе диссимил€ционной нитратредукции помимо мо≠лекул€рного азота могут образовыватьс€ другие газообразные продукты Ч NO, N20 и NH3.

ќсобенно остро стоит проблема образовани€ и стока закиси азота, так как с ней св€зывают некоторые природные и климати≠ческие €влени€ Ч разрушение озонового сло€ в стратосфере, не≠которые фотохимические реакции. ќдин из самых мощных ис≠точников N20Ч микробна€ денитрификаци€.

«акись азота, как, по-видимому, и окись, относитс€ к об€за≠тельным продуктам денитрификации, что было доказано с ис≠пользованием ацетилена как ингибитора восстановлени€ N20 в N2. ƒобавление ацетилена к почвенной системе приводит к на≠коплению закиси азота в среде. N20 образуетс€ также в первой фазе нитрификации в услови€х лимита кислорода и диссимил€- ционного восстановлени€ нитрата в аммоний. —опр€жение мно≠гих микробиологических процессов через N20 при противопо≠ложном вли€нии р€да внешних факторов на ее образование и удаление может обеспечить фильтр дл€ выхода закиси азота из почвы в атмосферу (см. рис. 83). ќдин из путей удалени€ закиси азота в аэробных услови€х Ч неспецифический процесс, прово≠димый комплексом микроорганизмов, образующих перекись во≠дорода и каталазу. –азложение перекиси водорода каталазой в окислительных услови€х приводит к образованию из N20 окиси азота и N02".   реакци€м такого типа, по-видимому, способны многие почвенные микроорганизмы, и процесс зависит не от агента реакции, а от экологических условий. ¬ анаэробных усло≠ви€х N20 может служить субстратом нитрогеназы Ч фермента азотфиксации, который восстанавливает ее до N2 или аммиака. »так, денитрификаци€ в современном понимании Ч это один из путей биологического восстановлени€ нитратов. ѕроцесс ха≠рактеризуетс€ тем, что он имеет энергетическое значение дл€ микроорганизмов, протекает в анаэробных услови€х и приводит к образованию газообразных форм азота в виде NO, N20 и N2. ƒо молекул€рного азота осуществл€ют его только прокариоты Ч представители многих таксономических, физиологических и эко≠логических групп.

¬ природе денитрификаци€ имеет широкие масштабы. ¬ ре≠зультате в атмосферу ежегодно поступает 270-330 млн т N2, т.е. этот процесс сравним с азотфиксацией. Ѕольша€ часть этого азо≠та Ч потери из почвы. ќсобенно велики они в переувлажненных почвах, при внесении нитратов вместе с навозом и другими орга≠ническими удобрени€ми. јктивно протекает денитрификаци€ в ризосфере растений за счет посто€нного поступлени€ органи≠ческих веществ в форме корневых выделений.

«ависимость денитрификации в прикорневой зоне от концент≠рации углеродсодержащих соединений четко про€вл€етс€ в на≠личии сезонной динамики, совпадающей с динамикой развити€ растений.

Ќа интенсивность денитрификации сильно вли€ет аэраци€ почвы и pH. ”силение аэрации и кисла€ среда снижают скорость денитрификации и повышают соотношение N20/N2b конечных продуктах. –азнонаправленные процессы денитрификации и нит≠рификации в сухих бесструктурных почвах обычно протекают последовательно: при увлажнении Ч денитрификаци€, при ис≠сушении Ч нитрификаци€. „ередование этих процессов ведет к быстрой потере азота почвой.

¬ структурных почвах оба процесса идут одновременно, но в пространственно разделенных микрозонах с разным окислительно-≠восстановительным потенциалом. “ак же совершаютс€ процессы в зоне корневых систем, где имеетс€ градиент концентрации кисло≠рода и органические вещества, что стимулирует денитрификацию.

ƒенитрификаци€ Ч одна из основных причин неполного ис≠пользовани€ растени€ми вносимых в почву азотных удобрений. ”меньшени€ потерь азота можно добитьс€ путем применени€ гранулированных удобрений, слаборастворимых азот≠ных туков и дробным внесением удобрений. –егулировать этот процесс также можно путем создани€ определенного водного режима почв, мен€€ таким образом аэрацию. ѕредложены и хи≠мические ингибиторы денитрификации, но это фактически ве≠дет к уничтожению большинства почвенных бактерий и не под≠держиваетс€ почвенными микробиологами.

»ногда ставитс€ вопрос, €вл€етс€ ли денитрификаци€ поло≠жительным или отрицательным процессом. ƒл€ сельского хоз€й≠ства Ч это азотные потери, а дл€ природы в целом Ч это оздоро≠вительный процесс, так как именно в результате денитрификации происходит предохранение фунтовых вод и водоемов от чрезмер≠ного накоплени€ в них нитратов, вымываемых из почв. — пози≠ции конечных продуктов ассимил€ционное восстановление нит≠ратов в аммоний Ч более желательный процесс, чем образование N2 и N20, однако, в природе не всегда происходит то, что нужно человеку. «адача науки Ч вскрыть механизмы природных процес≠сов и научитьс€ их регулировать, чтобы направл€ть в нужную сто≠рону. ƒенитрификаци€ имеет положительное значение при очистке сточных вод, содержащих большие количества св€занного азота, которые не должны поступать в реки и озера.

 онтрольные вопросы:

1.  руговорот азота в биосфере?

2. –оль и участие азота в биологическом круговороте веществ?

3. Ќитрификаци€ и ее значение?

4. ѕроцесс аммонификаци€?

5. ƒенитрификаци€ и ее роль в природе?

6. ѕредставители хемолитототрофных бактерий-денитрификаторов?

7. — помощю каких микроорганизмов проходит разложение азотистых веществ?

Ћитература:

17. «в€гинцев ƒ.√., Ѕабьева ».ѕ., «енова √.ћ. Ѕиологи€ почв: ”чебник. - 3-е изд., испр. и доп. - ћ.: »зд-во ћ√”, 2005.

18. «в€гинцев ƒ.√. ћикроорганизмы и почва. ћ.: ћ√”, 1987.

19. Ѕабьева ».ѕ., «енова √.ћ. Ѕиологи€ почв. ћ.: ћ√”, 1989. с.336.

20. ћирчинк “.√.ѕочвенна€ микологи€.-ћ.: »зд. ћ√”,1986.

7. ≈мцов ¬. “.ћикробы, почва, урожай. Ц ћ.: »зд.  олос,1980.

8. »л€летдинов ј.Ќ.ћикробиологические превращени€ азотосодержащих соединений в почве. јлма Ц јта, 1976.

9. ѕочвенна€ микробиологи€./ ѕод ред. ƒ.». Ќикитина /- ћ.: »зд.  олос,1979.

 

 

Ћекци€ 12

 руговорот серы

 

÷ель лекции: ознакомить с круговорот серы в биосфере и раскрыть роль серобактерий в повышении плодороди€ почвы

 лючевые слова: круговорот серы, серобактерии, органические вещество, восстановление и окисление серы

¬опросы:

  1. —еробактерии
  2. ‘изиологические исследовани€ серобактерий

 

1 —еробактерии —ера Ч биогенный элемент, необходимый дл€ жизни. ¬ бел≠ках сера содержитс€ в форме некоторых аминокислот (цистин, цистеин), входит в молекулы витаминов, коферментов, присутст≠вует в растительных эфирных маслах. ¬ растени€х содержание серы колеблетс€ от 0,2 до 1,8%, в организме человека Ч около 0,4%. —оединени€ серы в живой клетке участвуют в важных ме≠таболических процессах (например, она входит в состав фермен≠тов нитрогеназы и нитратредуктазы, ответственных за превраще≠ни€ азота Ч его фиксацию и восстановление).

— урожаем из почв ежегодно выноситс€ от 10 до 80 кг/га серы в зависимости от биологических особенностей сельскохоз€йствен≠ных растений и величины урожа€. “ак называемые безбалластные минеральные удобрени€ не содержат серы, и дефицит ее в почве с ростом урожаев посто€нно увеличиваетс€. ѕоэтому не≠обходимы изучение серного режима почв, разработка методов диагностики дефицита серы и эффективного применени€ серо≠содержащих удобрений. ¬ почвах сера претерпевает разнообраз≠ные превращени€, переход€ из неорганических соединений в органические и обратно. ¬ почве в виде неорганических соедине≠ний сера бывает окисленной (сульфаты, политионаты), восста≠новленной (сульфиды) и редко молекул€рной. ѕри разложении остатков животных, растений и микроорганизмов освобождают≠с€ серосодержащие аминокислоты, тиоспирты, тиофенолы, тиоэфиры, гетероциклические соединени€ (например, тиофен), в которых сера находитс€ в восстановленном состо€нии. ¬ орга≠нических веществах сера обычно содержитс€ в восстановленном состо€нии в виде SH-групп. ≈сть органические соединени€, со≠держащие серу в окисленной форме. Ёто сульфиновые и суль≠фокислоты и их соли, примен€емые в моющих средствах как поверхностно-активные вещества (ѕј¬), но это неприродные соединени€. ќни могут попадать в почву со сточными водами.

÷икл превращений серы сходен с циклом азота: он включает окислительные и восстановительные звень€, а также превраще≠ние серы без изменени€ ее валентности. ¬ этих превра≠щени€х участвует много разнообразных групп микроорганизмов: аэробных и анаэробных, хемо- и фототрофов, истинных бакте≠рий и архебактерий. ¬ последние дес€тилети€ было сделано мно≠го открытий в микробиологии цикла серы в св€зи с изучением архебактерий. Ќекоторые из них оказались активными участника≠ми превращени€ соединений серы, способными осуществл€ть неизвестные ранее процессы.

–ассмотрим цикл серы, объединив в отдельные звень€ процессы окислительного характера, восстановительные и процессы освобождени€ серы при разложении органических веществ. ќкисление серы и ее восстановленных неорганических и органических соединений происходит в аэробных и анаэробных услови€х с участием разных групп микроорганизмов. ¬ аэробных услови€х окислительные процессы осуществл€ют хемоавтотрофные прока≠риоты Ч серные бесцветные (неокрашенные) бактерии и тионо≠вые бактерии, термоацидофильные архебактерии, а также некото≠рые типичные гетеротрофные бактерии. ¬ анаэробных процессах участвуют фототрофные серные пурпурные и зеленые бактерии, осуществл€ющие бескислородный фотосинтез.

Ѕесцветные серобактерии по строению сходны с цианобакте≠ри€ми. ќсновное их отличие от последних Ч отсутствие пигмен≠та. ѕо морфологии среди них различают одноклеточ≠ные: крупные подвижные (Thiovulum) и неподвижные (Achromatium) бактерии; виды с мелкими спиралевидными или другой формы клетками (Thiospira, Thiobacterium); нитчатые многоклеточные неподвижные (Thiothrix) и скольз€щие бактерии (Beggiatoa, Thioploca). ќбщим признаком всех организмов этой группы слу≠жит способность откладывать внутриклеточно образующуюс€ при окислении H2S молекул€рную серу. ћеханизм этого процесса и его физиологический смысл, возможно, различен у разных пред≠ставителей и до конца еще не €сен.

—.Ќ. ¬иноградский впервые предположил возможность исполь≠зовани€ микроорганизмами энергии окислени€ неорганических соединений дл€ синтеза органических веществ из —02 Ч хемо≠синтеза. „еткие доказательства наличи€ хемосинтеза в чистых культурах бесцветных серобактерий были получены только в пос≠леднее врем€, например у Beggiatoa. ¬ то же врем€ известны слу≠чаи окислени€ сероводорода в результате гетеротрофной жизни некоторых бактерий из группы бесцветных серных за счет обра≠зовани€ ими перекиси водорода при дыхании. ‘изиологический смысл этого процесса заключаетс€ в детоксикации среды путем разложени€ образующегос€ токсичного продукта метаболизма Ќ202 с участием сульфидов, которые окисл€ютс€ до молекул€р≠ной серы.

‘отосинтезирующие серные бактерии в отличие от бесцвет≠ных анаэробы. Ќаличие в их клетках пигментов бактериохлорофиллов придает им красную или зеленую окраску, поэтому их дел€т соответственно на пурпурные (пор. RhodospiriHales) и зеле≠ные (пор. Chlorobiales). ¬се они осуществл€ют на свету бескислородный фотосинтез, использу€ восстановленные соединени€ серы в качестве доноров электрона в анаэробных услови€х.

ѕурпурные серобактерии Ч грамотрицательные одноклеточ≠ные прокариоты разной формы и размеров, подвижные и непод≠вижные. ¬ клетках существует хорошо развита€ система мембран Ч тилакоидов (внутрицитоплазматические раз≠растани€ мембраны), у некоторых есть газовые вакуоли. ќкисл€€ H2S внутриклеточно, они временно откладывают в клетках моле≠кул€рную серу в виде капель, ограниченных белковой мембра≠ной, а при дефиците сероводорода окисл€ют серу далее до сер≠ной кислоты. ѕредставители: Thiospirillum и Chromatium Ч крупные подвижные бактерии; Thiodictyon, ThiocapsaЧ неподвижные, без жгутиков.

«еленые серобактерии тоже одноклеточные, разной морфоло≠гии Ч от простых палочек до звездчатых клеток с простеками (нитевидные выросты клеток). Ќекоторые образуют цепочки или сетчатые структуры. ѕигменты локализованы в хлоросомах. «е≠леные серобактерии Ч более строгие анаэробы, чем пурпурные. —еру в клетках не накапливают, а выдел€ют ее наружу. ƒл€ боль≠шинства зеленых серобактерий установлена способность к азот≠фиксации. ѕомимо одноклеточных зеленых серобактерий Ч Chlorobium, Prosthecochloris и других Ч известны представители зеленых скольз€щих бактерий с нитчатым строением (Chloronema), которые тоже способны к окислению H2S (см. рис. 85). ¬стреча≠ютс€ в почвах рисовых полей и в болотах. ƒл€ их развити€ нужен свет и анаэробные услови€.

“ионовые бактерии Ч хорошо изученна€ группа бактерий, так как они используютс€ в гидрометаллургии дл€ получени€ цен≠ных металлов из бедных руд Ч хемолитоавтотрофы, использую≠щие энергию окислени€ серы кислородом дл€ процессов хемо≠синтеза. Ёту группу составл€ют представители нескольких родов грамотрицательных эубактерий (Thiobacillus, Thiosphaera, Thiomicrospira) и один род термоацидофильных архебактерий (Sulfolobus). ѕолное ферментативное окисление молекул€рной серы тионовыми бактери€ми приводит к образованию серной кислоты: S∞ -&g





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2016-11-20; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 3203 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

80% успеха - это по€витьс€ в нужном месте в нужное врем€. © ¬уди јллен
==> читать все изречени€...

582 - | 566 -


© 2015-2024 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.158 с.