Фиксация молекулярного азота

Высшие растения способны усваивать только связанные формы азота, и совешенно не в состоянии  ассимилировать  молекулярный азот воздуха. Молекулярный азот могут связывать только низшие растения и некоторые бактерии. Они восстанавливают его в аммиачную форму   доступную для других организмов. Поэтому их называют азотфиксаторами.                                                       Еще в ранние периоды земледелия практики, отмечали, что при выращивании на бедных почвах бобовых растений, получали не только высокие урожаи этих растений, но повышались урожаи других культур. Такая почва содержала  много азота.  Это для земледельцев было загадкой. Эту загадку разрешил  французский ученый Гельригель  (1883-1888 г.г.). Он показал, что на корнях бобовых растений образуются вздутия, клубеньки.  Если же он прокаливал песок, или выращивал в воде, то клубеньки не образовывались и растения плохо росли. Но если добавлялась земля, где росли бобовые, то они  вновь образовывались. Было установлено, что в клубеньках живут особые бактерии, способные усваивать молекулярный азот воздуха. В настоящее время известно множество  различных низших растений и микробных организмов, способных усваивать молекулярный азот.                                                 Первую группу составляют свободноживущие  азотфиксаторы, заселяющие водоемы и почвы и  представляют собой большую группу микроорганизмов разных видов. К ним относятся в первую очередь анаэробные бактерии Clostruidium pasteurianum , открытые Виноградским в 1893 г, и   аэробная Azotobacter chroococcum, которая была открыта Бэйеринком в 1901 г, а также другие  представители этих родов, фотосинтезирующие  бактерии и микобактерии, актиномицеты, сине-зеленые водоросли и лишайники. Все они  живут в почвах свободно и при определенных условиях обогащают почву связанными формами азота. Так основным поставщиком на рисовых полях является сине-зеленая водоросль Nostoc.  Первичные почвы обогащаются азотом в результате деятельности лишайников. На подзолистых и торфянистых почвах главными азотонакопителями являются микобактерии, потому что деятельность других азотфиксаторов здесь угнетаются высокой кислотностью.                                                                                                                Конечным продуктом фиксации молекулярного азота является аммиак. В качестве энергии они усваивают, находящихся в почве, углеводы.. Продуктивность  связывания  молекулярного азота свободноживущими азотфиксаторами составляет  от 5 до нескольких десятков килограммов азота на гектар.         Наиболее многочисленную вторую группу составляют азотфиксаторы-симбиотики, так называемые клубеньковые бактерии (род Rhisobium), которые развиваются на  корнях бобовых травянистых растений и бобовых древесных (белая акация), а также многих древесных и кустарниковых  небобовых пород,  например, лох , ольха, облепиха и др. Эндофитом-симбионтом облепихи, лоха, является актиномицет Frankia elaeagni, проникающий в клетку в виде гиф., на концах клеток образует сферические везикулы, в которых идет фиксация азота (Андреева И.Н и др. 1982)  Все симбиотические азотфиксаторы в свободном состоянии не фиксируют азот. Эту способность они приобретают лишь вступая в симбиоз с высшими растениями. В настоящее время известно около 190 видов,. трав, деревьев и кустарников разных родов,  с которыми клубеньковые вступают в симбиотические отношения. Они проникают в ткани через корневые волоски, с помощью  особого слизистого тяжа, который  облегчает проникновение в глубокие слои клеток.                             Как же происходит  заражение  бактериями Rhizobium бобовых растений? Бактерии концентрируются возле корневых волосков, благодаря их выделениям, лизирующих клеточные стенки, проникают в корневой волосок и начинают интенсивно делиться, и в виде инфекционной нити проникают в глубь паренхимы корня. Выделяя фитогормон ауксин, обладающего атрагирующим действием, способствуют притоку питательных веществ, что стимулируют деление клеток корня и образованию нароста, опухоли в виде клубенька, в центре которого  ограничивается масса бактерий.  В клетках клубеньков бактерии изменяются морфологически и физиологически, приобретают  дополнительную мембрану и превращаются в так называемые бактероиды. В 1967 году Бергерсен с помощью изотопа азота ¹⁵N установил, что азотфиксацию осуществляют клетки бактероидов. Важную роль в процессе связывания азота играют клетки клубеньков. Они содержат  розовый пигмент легоглобин, который подобно гемоглобину животных, связывает кислород и поставляет его бактероидам, что  залегают в глубине клубеньков. Весьма интересно то, что  легоглобин по структуре  аналогичен гемоглобину, генетическая информация для его синтеза находится в клетках высшего растения, но он образуется только после заражения корня клубеньковыми бактериями. Если этого пигмента в клубеньке нет и он не синтезируется, то не будет усваиваться и молекулярный азот.                                                                                      Характер симбиотических отношений складывается между растением-хозяином и клубеньковыми бактериями не сразу, и эти отношения можно разделить на три этапа.                                                                                                        На первом этапе эффективные штаммы после проникновения и образования клубеньков проявляют по отношению к высшему растению явный паразитизм. Они используют его метаболиты (углеводы), но азот не фиксируют. У растений проявляются признаки угнетения жизнедеятельности. Ослабленные растения часто погибают, от  этого.                                                        Однако при разрастании  клубеньков и  формирования бактероидов взаимоотношения вступают во второй этап. Появляется и возрастает азотфиксирующая способность бактерий и взаимоотношения партнеров принимает взаимовыгодный характер – симбиоз. К моменту цветения однолетних бобовых поступление для клубеньков  питательных веществ снижается, бактероиды и клетки клубеньков  растворяются (лизируют) и фиксация атмосферного азота прекращается. Теперь растение паразитирует на клубеньковых  бактериях.                                                                                                  Клубеньковые бактерии имеют много рас, каждая их которых  специфично живет на корнях только одного или нескольких видов растений. Клубеньковые бактерии гороха не заражают фасоль, фасоли – не заражают клевера и т д.Эта особенность получила название специфичности клубеньковых растений. Эту особенность надо учитывать при  внедрении бобовых там, где они ранее не возделывались. Для этого либо необходимо  внести в почву в первый год бактериальные удобрения их клубеньковых бактерий этой культуре. Либо повторно  высеять культуру и тогда местные расы клубеньковых бактерий в состоянии приспособиться к новой культуре.                                        При инфицировании растений неэффективным штаммом в клубеньках образуется очень мало легоглобина и продуктивность азотфиксации практически равняется нулю. В таких случаях бактерии только угнетают рост и развитие растения. Поэтому в сельскохозяйственной практике семена бобовых культур специально инфицируют бактериальными препаратом нитрагином, который содержит высокоэффективный штамм клубеньковых бактерий.                  От  характера расы зависит продуктивность азотфиксации. Наиболее активными азотонакопителями являются симбионты люцерны (дают около 500-600 кг азота на 1 га), Конские бобы (300 кг/га), люпина (159 кг/га). Менее эффективны симбионты гороха, фасоли, бобов (50-60 кг/га). Клубеньковые бактерии древесных пород связывают около 100 кг/га азота. По данным Стюарта и Пирсона облепиха даёт прибавку азота в почве в трех летнем  возрасте  в год 27 кг/га, а в возрасте 13-16 лет до 179 кг/га. В целом клубеньковые бактерии на порядок выше по продуктивности, чем свободноживущие. Это объясняется тем, что в результате симбиоза с высшим растением клубеньковые бактерии лучше обеспечены субстратом дыхания и другими необходимыми метаболитами.