Біологічна фіксація азоту

Основним резервуаром азоту служить земна атмосфера.

Еукаріотичні організми не здатні засвоювати азот безпосередньо з атмосфери. Таку здатність має обмежену кількість видів прокаріот, яких називають азотфиксаторами, а процес зв'язування азоту атмосфери (відновлення до цими організмами - біологічної азотфіксації.

Багато рослин, тварини і гриби здатні вступати в симбіоз з азотфиксирующими прокариотами.

Найбільш інтенсивно азотфіксація протікає при утворенні вторинний ендосимбіоз, коли мікроорганізм проникає всередину тканин або навіть в клітини господаря. При цьому мікросімбіонт забезпечується поживними речовинами і енергією, необхідною для розриву потрійного зв'язку N2, а господар отримує легко засвоюваний Біологічна азотфіксація є глобальний процес, що забезпечує існування життя на Землі. Загальна світова біологічна фіксація азоту становить 17,2 · т / рік, що в чотири рази перевищує зв'язування N 2 в формі NH 3 на підприємствах хімічної промисловості. При цьому продуктивність симбиотической азотфиксации становить 100-400 кг N / га.

Вперше прямі докази наявності азотфіксуючих мікроорганізмів, що живуть в симбіозі з бобовими рослинами, були отримані завдяки роботам німецького дослідника Германа Гельрігеля.

Порівнюючи джерела азоту для злаків і бобових (1886 рік), він показав, що якщо злаки черпають азот з мінеральних речовин грунту, то бобові, крім того, мають здатність фіксувати азот повітря. Таку здатність бобових Гельрігель пояснював наявністю на кореневій системі клубеньков, розвиток яких викликають мікроорганізми. Після робіт Гельрігеля стало ясно, що фіксація рослинами азоту пов'язана з мікроорганізмами, що інфікують кореневу систему рослини.

Знадобилося близько десятка років для підтвердження висновків Гельрігеля про значимість симбіотичних мікроорганізмів роду Rhizobium для бобових рослин як азотфиксаторов.

Голландський бактеріолог М. Бейерінк (M. Beijerinck) виділив в 1888 році клітини Rhizobium в чистій культурі. Надалі була показана їх здатність інфікувати кореневу систему бобових з певним ступенем вибірковості по відношенню до конкретних видів рослин і викликати утворення на корінні бульб - спеціалізованих утворень, в яких протікає азотфіксація.

Зараз відомо близько 13 тис. Видів бобових, багато з яких мають здатність до симбіотичного фіксації азоту. Для кожного виду бобових рослин є свої різновиди (штами) Rhizobium, які і отримали свої назви від назв господаря (Rhizobium trifolii - бульбочкові бактерії конюшини, Rhizobium lupini - бульбочкові бактерії люпину і т.д.). З'ясовано також, що водна папороть Azolla знаходиться в симбіотичних відносинах з азотфиксирующими ціанобактеріями.

Деякі дерева і чагарники (наприклад, вільха, обліпиха, восковик) мають в якості симбіонтів актиноміцети. Пошук нових азотфіксуючих пар рослина - мікроорганізм далеко не закінчений. У 70-80-х роках нашого століття в лабораторії доктора Джоан Доберейнером (J. Dobereiner) в Бразилії активізувалися пошуки азотфіксуючих мікроорганізмів, що мешкають на поверхні кореневої системи диких і культурних злаків. Такі мікроорганізми, які живуть в асоціації з рослиною, називаються асоціативними азотфиксаторами. Число їх видів велике, але завдяки роботам доктора Дж.

Доберейнером і її послідовників в центрі подій опинилися мікроорганізми роду Azospirillum. Азоспірілли легко інфікують кореневу систему злаків і інших рослин.

Подібно Rhizobium, вони діляться на види, що колонізують переважно ті чи інші сорти злаків, фіксують азот повітря, можуть продукувати гормони росту рослин і володіють ще іншими властивостями, позитивно впливають на ріст і розвиток рослин. Крім того, відомі азотфиксирующие мікроорганізми, свободноживущие в грунті, на рослинах, у воді.

Фіксація азоту бульбочкових бактерій.

Найбільший внесок в біологічну азотфіксацию вносять бульбочкових бактерій (ризобії). Ризобії є грамнегативні бактерії, що утворюють бульби з рослинами сімейства бобових.

Бульбочкові бактерії тепер ділять на п'ять пологів: Azorhizobium, Rhizobium Mesorhizobium, Sinorhizobium (швидкозростаючі) і Bradyrhizobium (медленнорастущие). В основі здатності інфікувати кореневу систему господаря лежить складний і не цілком ясний молекулярний механізм, що має вирішальне значення в симбіотичного фіксації азоту. На першому етапі відбувається наближення мікробної клітини до рослини за рахунок її здатності пересуватися у відповідь на впізнавання хімічних продуктів, що виділяються з коріння рослини (хемотаксис). Відбувається контактна взаємодія мікроорганізму з рослиною. У цьому процесі важливе місце відводиться так званому лектин-вуглеводного пізнанню рослини мікроорганізмом.

Лектин кореневих волосків рослин (углеводузнающій білок) дізнається вуглевод поверхні бактерій і міцно зв'язується з ним.

Відбувається взаємопізнавання партнерів і підготовка до формування симбіотичного системи.

Рослина в нано пікомолярних концентраціях починає продукувати специфічні флавіноіди, які активують гени вірулентності (Nod-гени) ризобій. Nod-гени кодують синтез Nod-факторів (ліпоолігосахарідов), що викликають у рослини-господаря скручування кореневих волосків і освіту бульбочкових меристеми. У місці різкого згину волоска пектолітіческіе ферменти рослини руйнують клітинну стінку, через яку бактерії і проникають всередину.

Навколо цих бактерій утворюється порожнина - інфекційна нитка, стінки її утворені рослинними клітинами, а внутрішнє простір заповнений полісахариди рослини і мікросімбіонта. Далі відбувається ендоцитоз ризобій з інфекційної нитки всередину клітин рослини-господаря. У цитоплазмі рослинної клітини бактерії оточуються спеціальними перібактероіднимі мембранами (ПБМ), які синтезуються в основному рослинною клітиною і частково ризобії. Кількість ризобіальних клітин всередині ПБМ залежить від виду рослин і зазвичай становить від 1 до 10 клітин.

Бактеріальні клітини, оточені загальною ПБМ, називаються сімбіосомой і є основною структурно-функціональною одиницею симбіозу.

Незабаром ризобії в ПБМ перетворюються в особливі симбіотичні форми - бактероїди, мають в три-п'ять разів більші розміри, ніж свободноживущие бактерії. Все це сприяє формуванню на поверхні коренів бульб.

Азотфіксуючих клубенек складається з наступних частин: а) інфікована бактеріями тканину, б) провідна тканина, яка постачає вуглеводи і виносять продукти азотфиксации, в) меристема, за рахунок якої йде зростання бульби. Морфологія і число бульби строго визначається рослиною-господарем, що можливо пов'язано з великою енергоємністю їх утворення.

Бобові, одержуючи пов'язаний азот від бульбочкових бактерій, які не залежать або мало залежать від забезпечення мінеральним азотом грунту і тому можуть успішно проростати спільно з іншими рослинами на грунтах, бідних доступними формами азота.Колічество азоту, фіксованої бульбочкових бактерій бобових, сильно варіює від фітоценозу до фітоценозу , а в межах конкретних фітоценозів може змінюватися з року в рік. Воно визначається участю бобових в фітоценозах, умовами середовища і ефективністю відповідних рас бактерій. Для деяких лугів в Новій Зеландії з травостоями, де переважає конюшину, відзначено фіксація азотом до 450 - 550 кг / га. Загальний рівень азотфиксирующей активності вільно живуть організмів невисокий. Залежно від виду і умов існування вони накопичують в рік від 10 до 30 - 40 кг пов'язаного азоту на гектар. Біохімія азотфиксации.

Мікроорганізми, що засвоюють молекулярний азот, називаються діазотрофи.

Основним елементом симбіозу є нитрогеназа - багатовимірний фермент, що складається з комплексу двох білків: MoFe-білка і Fe-білка.

Кожен з білків, в свою чергу, складається з декількох субодиниць.

Молекулярна маса MoFe-білка різних нитрогеназа знаходиться в межах 200-250 кДа.

Фермент містить по два атома молібдену, 28-34 атома заліза і 18-24 атома сірки на одну молекулу.

Молекулярна маса Fe-білка коливається від 50 до 70 кДа і також містить атоми заліза і сірки.

Нитрогеназа синтезується в бактероїдами і є каталізатором фіксації азоту: N 2 + 8 [H] + 2 2 + H 2 Цей процес вимагає витрати енергії. За розрахунками для клітин Rhizobium відновлення однієї молекули N 2 вимагає витрати 25-35 молекул АТФ, тобто на кожен грам фіксованого азоту витрачається три-шість грам органічного вуглецю. Крім АТР потрібні також відновлені піридиннуклеотидів і ферредоксин як відновлювальної сили.

Нитрогеназа має низьку субстратної специфічністю, тобто має здатність відновлювати широкий спектр сполук, наприклад, перетворювати ацетилен в етилен.

Дана реакція застосовується для визначення нитрогеназной активності ацетиленовим методом.

Ацетилен відновлюється тільки до етилену, який легко піддається кількісному визначенню за допомогою газової хроматографії. Для активної роботи нітрогенази необхідні мікроаерофільні умови.

Молекулярний кисень надає шкідливу дію на обидва білка нітрогенази, але більш чутливий до O 2 Fe-білок.

Чутливість білків нітрогенази до O 2 визначається перш за все чутливістю їх металоцентрів, які беруть участь як в зв'язуванні субстрату, так і в перенесенні електронів.

Оскільки при цьому може відбуватися і ступеневу відновлення O 2 по одноелектронні механізму, як продуктів такого відновлення виникають супероксидні іони, перекис водню і синглетний кисень, що вносять свій внесок в окисне пошкодження нітрогенази.

Нітрогеназну білки є не єдиним компонентом азотфиксирующей системи, чутливим до O 2. ферредоксин і флаводоксіни, донірующіе електрони на нитрогеназа, можуть автоокісляться і піддаватися незворотнім окислювальним пошкоджень.

Мікроаерофільні умови в бульбами забезпечуються дифузним бар'єром (шар щільно прилягають один до одного клітин у внутрішньому кортексе) і синтезом леггемоглобін (гемоглобінподобний білок, що синтезується рослинними клітинами). Леггемоглобін пов'язує O 2. транспортує його до сімбіосомам, забезпечуючи дихальну активність бульбочок. Він становить 30% білка в бульбах і надає їм яскраво-рожевий колір.

Нітрогеназну комплекс, який утворює аміак з повітря, діє за дуже економно. Якщо в середовищі існування досить іонів амонію або нітратів, він припиняє роботу.

Споживання рослинами аміаку, що утворився при азотфіксації або відновленні нітратів грунту, здійснюється ферментами, пов'язаними з біосинтезу так званих первинних амінокислот, перш за все глутамінової, аспарагінової кислот і їх амідів. Одним з активно досліджуваних ферментів є, наприклад, глютамінсінтетаза. Цей фермент каталізує реакцію глутамінова кислота + NH 3 + АТР глутамин + A DP + P i цей фермент зустрічається у всіх організмах і бере участь в приєднанні аміаку до глутамінової кислоти з утворенням її аміду і подальшим використанням його в різних реакціях синтезу азотвмісних органічних сполук.

Близьким за механізмом дії є і аспарагінсінтетаза: аспарагінова кислота + + NH 3 + АТР аспарагин + A DP + P i Синтез амінокислот і амідів відбувається за участю і інших ферментів: глутаматдегідрогенази, аспартази і т.д. В кінцевому підсумку азот у вигляді аминогрупп втягується в серію биосинтетических реакцій організму, підтримуючи його життєві функції.

Застосування азотфиксаторов на практиці.

Відкриття азотфиксаторов призвело до створення так званих мікробних добрив. Уже в 1895 році НАББА і Хілтнером запатентований препарат мікробної культури Nitragin. Він випускався в 17 варіантах для різних рослин.

Препарат був культури азотфіксуючих мікроорганізмів, змішаних з грунтом, торфом, піском, гноєм та іншими субстратами.

Внесення нитрагина в грунт або обробка насіння називалися инокуляцией і дозволяли фермеру підвищити якість і кількість продукції. У першій половині XX століття спостерігався неухильне зростання науково-дослідних робіт зі створення перспективних мікробних препаратів для бобових і небобових культур. Після другої світової війни почався період хімізації сільськогосподарського виробництва і роботи з дослідження мікробіологічних препаратів стали згортатися.

Можливості великої хімії, дешевизна азотних добрив, простота їх використання як би відсували на другий план мікробні препарати.

Однак з'ясувалося, що інтенсивне використання синтетичних азотних добрив крім позитивного ефекту (зростання врожайності) несуть в собі велику небезпеку.

Відбувається забруднення азотовмісними речовинами грунту, вод підгрунтя, річок і озер.

Мінеральні добрива вимиваються з грунту, вилуговуються і стають шкідливими для людини сполуками - нітритами, нітрозаміни і т.д. тому останнім часом віддається перевагу мікробним препаратів.

Зараз спектр застосовуваних мікропрепаратів під бобові, злакові та інші культури досить широкий.

Штами ризобій, використовувані для інокуляції сільськогосподарських бобових культур, зазвичай виділяються з клубеньков цих же видів, проте в якості джерела таких штамів можуть бути використані і деякі дикорослі види бобових. В кінці XX століття в багатьох країнах нітрагенізаціі піддається 70-80% бобових культур. У районах традиційного обробітку бобових культур прибавка врожаю від застосування нитрагина залишає 2-4 ц / га зерна сої, 1-2 ц / га зерна гороху і люпину, 80-100 ц / га зеленої маси бобових культур, 6-12 ц / га сіна конюшини і люцерни. На грунтах, де бобові культури які раніше не оброблялися і в яких немає специфічних для них бульбочкових бактерій, додатковий збір сільськогосподарської продукції за рахунок застосування препаратів бульбочкових бактерій досягає 50-100% і більше.

echo "Даний посібник призначений для студентів біолого-хімічного факультету. Посібник містить регіональний матеріал по екології людини. Дано відомості про особливості адаптації людини до дійств

echo "Перший період - з давніх часів до відкриття законів ізогемагглютінаціі і групових факторів крові (антигенів еритроцитів). В цьому періоді можна виділити два етапи: перший - від античних часів д

echo "Людство завжди цікавилося походженням чого або, природою будь-яких явищ і закономірностей. Ці знання необхідні для людини щоб зрозуміти і змінити світ в якому він живе. Ес

echo "Переважна кількість куниць має дрібні і навіть дуже дрібні розміри, небагато - середні. Довжина їх тіла коливається від 15 до 120-150 см, маса від 100 г до 40 кг. Тулуб зазвичай сильно витягнуте,

echo "Західна половина села - маєток Петра Михайловича Філатова, східна сторона - володіння Михайла Олексійовича Сеченова. Тут стоїть двоповерховий будинок. У ньому двадцять кімнат, двадцять вікон. На фас

echo "Чудовою особливістю ДНК є те, що вона несе гени кодують ці білки, і, таким чином, інформація про механізм її власного подвоєння закодована в ній самій. Загальний механізм ре

echo "Першим з таких був Жан Батіст Ламарк. За його твердженням, головним фактором еволюції є прямий вплив середовища. Основною рушійною силою він називав" прагнення організмів до прогресу

echo "Мінеральні фрагменти, що утворюють речовину грунтового скелета, різні - від валунів і каменів до піщаних крупинок і найдрібніших частинок глини. Структурний матеріал зазвичай довільно розділяють на