Для чего азотфиксирующие бактерии
Азотфиксирующие бактерии
12.05.2021, 19:31 Бактерии
Автор: Дарья Куликова
Клубеньковые бактерии
Существование клубеньковых бактерий является примером мутуалистических (взаимовыгодных) симбиотических взаимоотношений, относящихся к типу эндосимбиозов, при котором клетки микроорганизмов находятся в клетках и тканях макроорганизма.
Клубеньковые бактерии – грамотрицательные Грамотрицательные бактерии – это бактерии которые не окрашиваются кристаллич. подвижные палочки в свободном состоянии и в молодых клубеньках. При дальнейшем развитии они приобретают неправильную форму и превращаются в разветвленные, булавовидные или сферические бактероиды. На этой стадии происходит фиксация молекулярного азота.
Клубеньковые бактерии являются микроаэрофильными микроорганизмами, способными развиваться при низком парционном давлении кислорода в среде. Они хемотрофы, гетеротрофы (хемогетеротрофы), часто нуждаются в факторах роста (витаминах): тиамине, пантотеновой кислоте, биотине. Оптимальная температура роста – +24°C–+26 °C.
Обычно клубеньковые бактерии существуют в почве свободно, их количеств зависит от типа и характера почвы, предшествующей сельскохозяйственной обработки. Характерно, что в свободном состоянии, то есть, находясь в почве, данная группа бактерий не способна фиксировать азот из атмосферы, а использует связанный азот.
Разновидности азотфиксирующих бактерий
Кроме клубеньковых бактерий способностью к азотофиксации обладают многие другие микроорганизмы:
Бактерии рода Pseudomonas, обитающие в ризосфере различных растений, способны фиксировать молекулярный азот. Азотфиксирующие свойства выявлены у штаммов P. saccharophila, P. dеlafieldii, P. aurantiaca и др.
Для чего азотфиксирующие бактерии
В этой статье расскажем о полезных функциях азотофиксирующих бактерий и подберем препараты на их основе.
Процессы жизнедеятельности
Все азотфиксирующие бактерии по особенностям процессов жизнедеятельности можно объединить в две группы.
Азотфиксирующие бактерии
Среди процессов, от которых зависит биологическая продуктивность на земном шаре, одним из важнейших является фиксация микроорганизмами азота атмосферы. Проблема биологической азотфиксации относится к числу основных проблем сельскохозяйственной и биологической науки. Перед учеными стоит задача изыскать возможности управления процессом азотфиксации и на этой основе увеличить урожайность сельскохозяйственных культур.
Биологический азот может служить существенным дополнением азотного фонда почвы, способствуя повышению ее плодородия и обеспечивая тем самым более экономное расходование технического азота — азота удобрений.
В земной коре общее содержание азота (молекулярного и в виде соединений) достигает 0,04% (по массе). Основная масса азота на Земле находится в атмосферном воздухе; 78% воздуха — чистый молекулярный азот. В количественном выражении это составляет 4*1015 т.
Ни человек, ни животные, ни растения не могут потреблять молекулярный азот, которым изобилует воздушный океан. Столб воздуха над одним гектаром земной поверхности содержит 80 000 т азота. Если бы растения могли его усваивать, этого запаса было бы достаточно для получения 30 ц зерновых с 1 га в течение более полумиллиона лет. Однако растениям нужен азот минеральных соединений, и, «купаясь» в молекулярном азоте, они могут испытывать «азотный голод».
Содержание доступного растениям азота в почве обычно невелико. Поэтому повышение урожайности сельскохозяйственных растений связано в первую очередь с улучшением их азотного питания.
По примерным подсчетам, для сельскохозяйственной продукции земного шара требуется ежегодно около 100 —110 млн. т азота. С минеральными удобрениями вносится лишь около 30% азота.
Дефицит азота в значительной степени компенсируется биологическим путем, в основном за счет запаса азота, аккумулированного в почве микроорганизмами, в первую очередь азотфиксирующими.
К 2000 г. на Земле будет вырабатываться в год примерно 100 млн.т азотных удобрений. Следует думать, что урожаи к этому времени удвоятся и будут выносить из почвы до 200 млн. т азота. Следовательно, и тогда роль микробиологического фактора в азотном обеспечении сельскохозяйственных растений останется весьма значительной. 
Химическая промышленность СССР по выработке минеральных удобрений находится на одном из первых мест в мире. Однако огромная территория сельскохозяйственного использования не позволяет в достаточной мере обеспечить все культуры элементами минерального питания, в том числе и азотом. Поэтому в соответствующих количествах он дается лишь для технических культур.
В СССР при существующих урожаях за год сельскохозяйственная продукция выносит из почвы около 10 млн. т азота. В то же время применение минеральных азотных удобрений у нас не превышает пока 4 млн. т, а органические дают около 2,5 млн. т азота. Так как минеральные удобрения используются растениями далеко не полностью (на 60—70%), то ежегодный дефицит возврата азота составляет не менее 4—5 млн. т.
В ближайшие годы химическая промышленность существенно увеличит выпуск минеральных удобрений. В 1975 г. продукция азотных туков должна возрасти вдвое и зерновые культуры будут получать больше азота в форме минеральных соединений. Это позволит повысить средний урожай примерно до 20 ц/га. Однако и тогда минеральные и органические удобрения не будут компенсировать выноса азота из почвы.
Признавая, таким образом, несомненную необходимость химизации земледлия, нельзя забывать о возможности и целесообразности самого широкого использования биологического азота. Это связано и с улучшением кормовой базы, так как симбиотические азотфиксаторы обеспечивают животноводство дешевым белковым кормом (люцерна, клевер и другие виды бобовых культур).
Выдающийся русский ученый, основатель советской агрохимии Д. Н. Прянишников отметил, что, как бы ни было высоко развито производство минеральных удобрений, никогда не следует забывать о целесообразности использования биологического азота.
В ряде районов черноземной зоны, где почвы возделываются уже более 300 лет, вполне удовлетворительные урожаи получают и без внесения минеральных удобрений. По расчетам же, за это время почвы должны были бы потерять весь находящийся в них азот. В том, что этого не происходит, заслуга азотфиксаторов.
Существуют две группы фиксирующих атмосферный азот микроорганизмов. Одна из них находится в симбиозе с высшими растениями, образуя клубеньки на корнях. К этой группе относятся клубеньковые бактерии. Микроорганизмы другой группы обитают в почве независимо от растений. К ним относятся азотобактер, клостридиум, бейеринкия и другие свободно-живущие микроорганизмы. Потенциальные возможности симбиотических азотфиксаторов значительно выше, чем свободноживущих.
История открытия азотфиксирующих бактерий
Проблема биологического азота возникла с развитием земледельческой культуры. Издавна из практической агрономической деятельности человека было известно, что бобовые растения повышают плодородие почвы. Еще в III — I вв. до н. э. об этом писали греческий философ Теофраст и римляне Катон, Варрон, Плиний и Вергилий.
Первое научное объяснение способности бобовых растений накапливать азот принадлежит французскому агрохимику Дж. Буссенго (1838). Он установил, что люцерна и клевер обогащают почву азотом, зерновые же и корнеплоды истощают. Эти факты он связал со способностью бобовых растений фиксировать азот из воздуха. Однако Буссенго ошибочно представлял, что агентом фиксации являются листья бобового растения. Именно это неправильное заключение через 15 лет привело Буссенго к отрицанию своего открытия.
Стремясь более веско доказать правоту своей мысли, Буссенго провел серию опытов. В отличие от проводимых им ранее экспериментов он на прокаленном песке выращивал теперь уже не проростки бобовых растений, пересаженных с поля, а тщательно промытые семена (люпин и бобы); сосуды с растениями помещались при этом под стеклянный колпак. В таких условиях обогащения растений «воздушным азотом» не произошло. Сейчас это понятно и легко объяснимо.
Именно тщательность постановки опыта, которая исключала возможность заражения корневой системы проростков клубеньковыми бактериями, привела Буссенго к результатам, опровергшим прежние его данные. Считая тем не менее последние опыты более достоверными и не предполагая даже о существовании клубеньковых бактерий, он признал результаты прежних опытов ошибочными и отрекся от них.
Понадобилось несколько десятилетий, прежде чем удалось установить, что молекулярный азот бобовые растения фиксируют только в симбиозе с микроорганизмами, вызывающими образование клубеньков на их корнях.
Огромный опыт, накопившийся к настоящему времени, свидетельствует о большой роли бобовых растений в плодородии почв. Прянишников указывает, что после введения в Европе севооборотов с посевом клевера средняя урожайность зерновых повысилась с 7 до 17 ц на 1 га. В Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева урожаи ржи в шестипольном севообороте с клевером однолетнего пользования на протяжении 50 лет без внесения минеральных удобрений сохраняются на уровне 14 га на 1 га, а без клевера урожай достигает лишь 7 ц. На более плодородных почвах при хорошей агротехнической обработке бобовые растения повышают урожайность еще больше.
Поэтому не удивительно, что в странах с высокоразвитым земледелием обычно до 20— 25% окультуренной площади занято бобовыми растениями. При этом одновременно можно получить и ценный корм — зеленую массу растений, и обогащение почвы азотом.
Бобовые растения играют, по-видимому, главную роль в связывании молекулярного азота в возделываемых почвах. Однако неправильно было бы думать, что все виды бобовых растений в равной степени обогащают почву. Общее увеличение количества азота в надземной массе и пожнивных остатках при культивировании люпина составляет 150—200 кг, клевера красного — 180 кг, люцерны — 300 кг, донника — 150 кг, зерновых бобовых — 50 — 60 кг азота в год на 1 га почвы. При этом прибыль азота в почве для всех перечисленных видов, за исключением зерновых бобовых, составляет примерно 50—70 кг на 1 га.
В настоящее время известно также свыше 200 различных видов других растений, для которых способность фиксировать азот в симбиозе с микроорганизмами, образующими клубеньки на корневой системе или на их листьях, вполне доказана. Большинство из них относится к деревьям и кустарникам.
В дальнейшем список азотфиксаторов пополнился новыми видами микроорганизмов — представителей других систематических групп.
Деятельность всех свободноживущих азот-фиксирующих бактерий в почве ограничена недостатком органических веществ. Поэтому они и не могут обеспечить значительного накопления азота (в среднем они накапливают не более 5 кг азота на 1 га). Их деятельность можно активировать внесением свежего органического вещества.
Проникновение бактерий в корень
К моменту проявления оптимальной активности клубеньки приобретают розовую окраску (благодаря пигменту легоглобину). Фиксировать азот способны лишь те бактерии, которые содержат легоглобин.
Значение хемотрофов
Люди давно заметили, что, если перекопать бобовые растения с почвой, урожай на этом месте будет лучше. На самом деле суть не в процессе вспахивания. Такая почва больше обогащается азотом, столь необходимым для роста и развития растений. Если лист называют фабрикой по производству кислорода, то азотфиксирующие бактерии могут по праву называться фабрикой по производству нитратов. Из-за недостатка знаний их приписывали только растениям и не связывали с другими организмами. Было высказано предположение, что листья могут фиксировать атмосферный азот. В ходе экспериментов было выяснено, что бобовые, которые выросли в воде, такую способность утрачивают. Более 15 лет этот вопрос оставался загадкой. Никто не догадывался, что осуществляют все это азотфиксирующие бактерии, среда обитания которых не была изучена. Оказалось, что дело в симбиозе организмов. Только вместе бобовые и бактерии могут производить нитраты для растений. Сейчас ученые выявили более 200 растений, которые не относятся к семейству бобовых, но способны образовать симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Картофель, сорго, пшеница также обладают ценными свойствами.
Уникальный подарок для земледельцев и феномен для ученых – азотфиксирующие клубеньковые бактерии
Среди микроорганизмов, известных своими полезными свойствами, выделяются азотфиксирующие бактерии. Они успешно производят две трети всего азота в почве, необходимого для нормального развития растений. Поскольку среди организмов, имеющих такие полезные для растений способности, есть бактерии различного происхождения, формы и способа питания, вначале нужно определить, как классифицируют бактерии, опираясь на их свойства.
Классификация
Размеры бактерий можно сопоставить с величиной частичек глины. В чайной ложке почвы можно обнаружить от ста миллионов до миллиарда различных микроорганизмов, основным местом жительства которых являются тонкие пленки, обволакивающие почвенные частицы и корни растений. Простота строения позволила ученым назвать эти бактерии «мешком ферментов».
Существующие классификации основаны на характерных особенностях этих микроорганизмов – их форме, поведении при окрашивании препаратов, способу питания, а также генетическом родстве.
Форма клеток
Такое примитивное деление было разработано тогда, когда о генетическом анализе никто даже не догадывался. Различают микроорганизмы округлой формы (кокки), продолговатые или стержневые (их называют бациллами), спиральные (спириллы) и имеющие разветвленную структуру (актиномицеты). Кроме того, существуют промежуточные формы, или агрегаты, состоящие из пар, цепочек или гроздьев.
Поведение при окраске по Граму
Было разработано после начала изучения бактерий при помощи их окрашенных препаратов. Грамположительные организмы имеют большие размеры, толстые клеточные стенки и высокую устойчивость к водному стрессу. Их внешняя стенка несет отрицательный электрический заряд. Грамотрицательные же мельче, и быстрее гибнут при отсутствии воды.
Аэробные и анаэробные
Первые не могут жить без кислорода, вторые же отлично обходятся без него, перерабатывая, например, соединения серы или углеводороды.
Аутотрофы и гетеротрофы
Первые способны самостоятельно перерабатывать углекислый газ, превращая его в необходимые для них органические вещества с использованием солнечного света. Ко вторым относятся те, что получают питание, разлагая готовую органику.
Наиболее современная классификация основана на генетическом родстве, выявляемом при секвенировании генома бактерий, а также необходимых условиях для их жизни.
Функции почвенных организмов в экосистеме
Почва – среда обитания разнообразных бактерий, которые могут быть как полезными, так и вредными для растений. В зависимости от того, какие функции возложены на данный вид азотфиксирующих бактерий, их классифицируют на 4 класса.
Фиксация азота: разнообразие форм
Азотфиксирующие бактерии выполняют огромную работу, помогая растениям усваивать атмосферный азот. Их работа на несколько порядков производительнее всех фабрик по производству минеральных удобрений, вместе взятых.
К числу таких азотфиксирующих бактерий относятся клубеньковые симбиотические, поселяющиеся на корнях растений семейства бобовых, и свободноживущие нитрифицирующие. Особняком держатся микроорганизмы-денитрификаторы.
Азотфиксирующие бактерии встречаются среди различных родов прокариот (Клостридиум, Азотобактер, Азоспириллум, Псевдомонас, Ацетобактер, Агробактериум, Эрвиния, Клебсиелла, Бациллюс, Алкалигенес), а также среди сине-зеленых водорослей.
Многие из этих азотфиксирующих бактерий длительное время считались свободноживущими, пока не было обнаружено, что их количество в прикорневой зоне злаковых растений существенно превышает обычную численность в земле без растений. Доказан факт их функциональных и пространственных связей с корнями растений, что делает эти микроорганизмы похожими на клубеньковые бактерии, являющиеся признанными симбионтами растений.
Производительность
К наиболее полезным продуцентам азотистых соединений для злаковых культур относится азоспириллум. Производительность этой азотфиксирующей бактерии на различных грунтах колеблется от 34 до 60 кг на гектар пахотной земли. Интересно: как и клубеньковые бактерии, азоспириллум чувствителен к сортности растений, с которым он вступает в симбиоз. И если для разных сортов ячменя производительность микроорганизмов отличается в 3-3,5 раза, то разница между сортами пшеницы составляет от 250 до 450 раз.
Бобовые растения являются симбионтами различных видов клубеньковых азотфиксирующих бактерий. Это:
Их связи с растениями весьма избирательны и часто не только видоспецифичны, но и сортоспецифичны. Клубеньковые симбионты способны отдавать в почву от 130 до 390 кг/га. Рекордсменами в продуктивности являются клубеньковые микроорганизмы, поселяющиеся на корнях многолетних бобовых. Их производительность колеблется от 220 до 560 кг/га. Корневая среда, обогащенная такими симбионтами, на 90% обеспечивает потребности бобовых в азоте.
Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.
АЗОТФИКСИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ
Полезное
Смотреть что такое «АЗОТФИКСИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ» в других словарях:
азотфиксирующие бактерии — (азотфиксаторы), бактерии, обладающие способностью усваивать молекулярный азот воздуха и переводить его в доступные для растений формы. Играют важную роль в круговороте азота в природе. Ежегодно вовлекают в азотный фонд почвы планеты 150 180 млн … Биологический энциклопедический словарь
АЗОТФИКСИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ — азотфиксаторы, усваивают молекулярный азот атмосферы (N2) и переводят его в органич. соединения. Имеют большое значение в круговороте азота в природе, снабжении р ний его усвояемыми формами. Ежегодно А. б. вовлекают в азотный фонд почвы нашей… … Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь
азотфиксирующие бактерии — азотфиксирующие бактерии, азотфиксаторы, усваивают молекулярный азот атмосферы (N2) и переводят его в органические соединения. Имеют большое значение в круговороте азота в природе, снабжении растений его усвояемыми формами. Ежегодно А. б.… … Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь
БАКТЕРИИ — (от греч. bakterion палочка), микроорганизмы с прокариотным типом строения клетки. Традиционно под собственно Б. подразумевают одноклеточные или объединённые в организованные группы палочки и кокки, неподвижные или со жгутиками, противопоставляя… … Биологический энциклопедический словарь
Азотфиксирующие микроорганизмы — азотфиксаторы, микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот воздуха. К А. м. относятся бактерии из рода Rhisobium (см. Клубеньковые бактерии), живущие в симбиозе с бобовыми растениями (горох, лупин, клевер, люцерна и др.). На 1 га почвы … Большая советская энциклопедия
бактерии клубеньковые — бактерии родов Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium, Sinorhizobium, азотфиксирующие симбиотические бактерии, образующие клубеньки на корнях бобовых растений – симбионтов. Внутри клубеньков Б. к. фиксируют азот, переводя его в соединения,… … Словарь микробиологии
Бактерии — (греч. bakterion палочка) большая группа (тип) микроскопических, преимущественно одноклеточных организмов, обладающих клеточной стенкой, содержащих много дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), имеющих примитивное ядро, лишённое видимых… … Большая советская энциклопедия
КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ — (Rhizobium), род азотфиксирующих бактерий, образующих клубеньки на корнях мн. бобовых растений. Внутри клубеньков К. б. ассимилируют мол. азот, переводя его в соединения, усваиваемые растениями, к рые, в свою очередь, обеспечивают бактерии питат … Биологический энциклопедический словарь
КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ — (Rhizobium), род аэробных бактерий, поселяющихся в клубеньках на корнях бобовых р ний и обладающих способностью усваивать атм. азот и обогащать им почву. Живут в симбиозе с растениями, обеспечивая их азотом и получая от р ний продукты углеродного … Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь
клубеньковые бактерии — (Rhizobium), род аэробных бактерий, поселяющихся в клубеньках на корнях бобовых растений и обладающих способностью усваивать атмосферный азот и обогащать им почву. Живут в симбиозе с растениями, обеспечивая их азотом и получая от растений… … Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь
Азотфиксирующие микроорганизмы
Полезное
Смотреть что такое «Азотфиксирующие микроорганизмы» в других словарях:
АЗОТФИКСИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ — Среди процессов, от которых зависит биологическая продуктивность на земном шаре, одним из важнейших является фиксация микроорганизмами азота атмосферы. Проблема биологической азотфиксации относится к числу основных проблем… … Биологическая энциклопедия
АЗОТФИКСИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ — азотфиксаторы, усваивают молекулярный азот атмосферы (N2) и переводят его в органич. соединения. Имеют большое значение в круговороте азота в природе, снабжении р ний его усвояемыми формами. Ежегодно А. б. вовлекают в азотный фонд почвы нашей… … Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь
азотфиксирующие бактерии — азотфиксирующие бактерии, азотфиксаторы, усваивают молекулярный азот атмосферы (N2) и переводят его в органические соединения. Имеют большое значение в круговороте азота в природе, снабжении растений его усвояемыми формами. Ежегодно А. б.… … Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь
Бактерии — (греч. bakterion палочка) большая группа (тип) микроскопических, преимущественно одноклеточных организмов, обладающих клеточной стенкой, содержащих много дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), имеющих примитивное ядро, лишённое видимых… … Большая советская энциклопедия
Азот — (от греч. ázōos безжизненный, лат. Nitrogenium) N, химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 7, атомная масса 14,0067; бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса. Историческая справка. Соединения… … Большая советская энциклопедия
Питательные среды — жидкие или плотные среды, применяемые для выращивания в лабораторных или промышленных условиях бактерий, дрожжей, микроскопических грибов, водорослей, простейших, вирусов и культур растительных или животных клеток. Синтетические П. с.… … Большая советская энциклопедия
МИКРОБИОЛОГИЯ — (от греч, mikros малый и биология), наука, изучающая микроорганизмы. Впервые микроорганизмы (бактерии) наблюдал и описал голл. учёный А. Левенгук в 1683, но как самостоят, наука М. сформировалась лишь во 2 й пол. 19 в., гл. обр. под влиянием… … Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь
микробиология — (от греч. mikrós малый и биология), наука, изучающая микроорганизмы. Впервые микроорганизмы (бактерии) наблюдал и описал голландский учёный А. Левенгук в 1683, но как самостоятельная наука М. сформировалась лишь во 2 й половине XIX в., главным… … Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь