Особливості засвоєння молекулярного азоту

Біологічна фіксація азоту атмосфери має важливе значення. Про це свідчать масштаби процесу - до 200 млн т N / рік. Завдяки біологічної фіксації азот переходить у форми, які можуть використовувати всі рослинні, а через них і тваринних організмів.

Організми, здатні до засвоєння азоту повітря, можна розділити на групи:

1) симбіотичні азотфіксатори - мікроорганізми, які засвоюють азот атмосфери, тільки перебуваючи в симбіозі з вищою рослиною;

2) не симбіотичні азотфіксатори - мікроорганізми, вільно живуть в грунті і засвоюють азот повітря;

3) асоціативні азотфіксатори - мікроорганізми, що мешкають на поверхні кореневої системи злаків, т. Е. Що живуть в асоціації з вищими рослинами.

Важливе значення мають симбіотичні азотфіксатори, що живуть в бульбах коренів бобових рослин (бульбочкові бактерії), що відносяться до роду Rhizobium. Зв'язування азоту атмосфери можливо тільки при симбиотической асоціації мікроорганізмів цього виду і вищої рослини в основному з сімейства Бобові. Існує велика кількість різновидів (штамів) бульбочкових бактерій, кожна з яких пристосована до зараження одного або декількох видів бобових рослин. Це відбивається в їхніх назвах: Rhizobium lupini - бульбочкові бактерії люпину і Rhizobium trifolii- бульбочкові бактерії конюшини і т. Д ..

Кореневі системи бобових рослин мають специфічні кореневими виділеннями. Завдяки цьому бульбочкові бактерії накопичуються навколо кореневих волосків, які при цьому скручуються. Така здатність організмів пересуватися у відповідь на впізнавання хімічних продуктів, називається хемотаксисом. У здійсненні контактної взаємодії мікроорганізмів З рослиною важливе значення має так зване лектинів-глеводное впізнавання рослини мікроорганізмом. Суть цього в тому, що лектин кореневих волосків рослин міцно зв'язується з вуглеводом поверхні бактерій. Бактерії, внедрившиеся в кореневий волосок, у вигляді суцільного тяжа (т. Н. Інфекційні нитки), що складається із сполучених слизом незліченних бактерій, проникають в паренхіму кореня. Клітини перициклу починають посилено ділитися. Можливо, бактерії виділяють гормональні речовини типу ауксину і саме це є причиною розростання тканин, утворюються здуття - бульби. Клітини клубеньков заповнюються швидко розмножуються бактеріями, але залишаються живими і зберігають великі ядра. Бактерії при цьому трансформуються самі, збільшуються в розмірах, тому їх називають бактероїди.

Завдяки діяльності бульбочкових бактерій частина азотистих з'єднань з коренів бобових рослин дифундує в грунт, збагачуючи її азотом. Посів бобових рослин веде до підвищення ґрунтової родючості. Гектар бобових рослин в симбіозі з бактеріями може перевести в зв'язаний стан від 100 до 400 кг азоту за рік. Значення цього важко переоцінити, якщо врахувати, що азотні добрива найбільш дорогі, а в грунті сполуки азоту містяться в невеликих кількостях. Існують і інші види вищих рослин, у яких спостерігається симбіоз з мікроорганізмами. Так, маленький водний папороть азолла (Azolla) знаходиться в симбіотичних відносинах з азотфиксирующими ціанобактеріями. Азолла здатна фіксувати до 0,5 кг азоту на га на добу. Деякі дерева і чагарники (наприклад, вільха, обліпиха, лох) мають в якості симбіонтів бактерії з роду актиноміцети. Велике значення мають свободноживущие бактерії - азотфіксатори. У 1893 році українським мікробіологом С.М. Виноградским була виділена анаеробна азотфіксуючих бактерія Clostridium pasteurianum. У 1901 р голландський вчений М. Бейерінк виділив дві аеробні азотфиксирующие бактерії - Azotobacter chroococum, Azotobacter agile. Зараз відомий ряд видів Azotobacter. Свободноживущие азотфіксатори можуть бути факультативними аеробними або факультативними анаеробними. Для того щоб ці мікроорганізми здійснювали процес фіксації азоту, необхідна присутність молібдену, заліза і кальцію. Особливо важлива присутність молібдену. Вільно живуть азотфіксатори

Асоціативні азотфіксатори були виявлені в 70-80-х роках XX ст. в лабораторії Д. Доберейнером в Бразилії (1976). Число їх видів велике, яке велике розмаїття асоціативних взаємин рослин з мікроорганізмами. Такі відносини характерні для ризосферних мікроорганізмів, т. Е. Що живуть на поверхні кореневої системи рослин. Часто мікробіологи не роблять різниці між асоціативними і свободноживущими азотфиксаторами. Послідовність взаємин з рослиною-господарем асоціативних азотфиксаторов має певну схожість з симбиотическими організмами: хемотаксичні впізнавання, лектин-вуглеводне впізнавання і етап встановлення міцних зв'язків. Відсутня тільки етап освіти бульб. Ефективність азотфиксации асоціативної мікрофлорою менше в порівнянні з симбіотичного, але асоціативні азотфіксатори продукують гормони росту рослин і володіють іншими властивостями, позитивно впливають на ріст і розвиток рослин (захист від фітопатогенів, руйнування токсичних речовин). Найбільш вивчені з цієї групи мікроорганізми з роду азоспірілл (Azospirillum). Вони колонізують коріння злаків і в зв'язку з цим становить інтерес технологія їх вирощування. Азоспірілли легко інфікують кореневу систему злаків і інших рослин.

Кінцевим продуктом фіксації азоту є аміак. В процесі відновлення азоту до аміаку бере участь Мультиферментний комплекс - нитрогеназа. Нитрогеназа складається з двох компонентів: MoFe-білок і Fe-білок. MoFe-білок молекулярною масою 200-250 кДа містить молібден, залізо і сірку. За сучасними уявленнями цей білок здійснює зв'язування і відновлення азоту. Fe-білок молекулярною масою 50-70 кДа містить залізо і сірку. Ця субодиниця бере участь в транспорті електронів від їх донорів (ферредоксин) на MoFe-білок.

Джерелом протонів і електронів для відновлення азоту служить дихальна електрон-транспортна ланцюг. Це вказує на зв'язок засвоєння азоту атмосфери з процесами дихання, а також фотосинтезу (джерела вуглеводів). Для відновлення N2 до NH3 потрібно шість електронів, відповідно до рівняння:

Процес вимагає АТФ як джерела енергії: за розрахунками для відновлення однієї молекули N2 потрібно не менше 12 молекул АТФ. Реальні витрати енергії значно вище і становлять 25-35 молекул АТФ. Нитрогеназа - фермент з низькою субстратної специфічністю, оскільки відновлює та інші сполуки з потрійним зв'язком: ціаніди, ацетилен, азиди і ін. Особливість нітрогенази полягає і в тому, що для роботи ферменту потрібні анаеробні умови. Разом з тим в клітинах вищої рослини кисень необхідний для підтримки дихання. Роль леггемоглобін полягає в зв'язуванні 02 в організмі бактерій і створення умов для роботи нітрогенази.

Для освіти леггемоглобін необхідні Fe, Сu і Со. Для нормального протікання процесу азотфіксації необхідні Мо і Fe, оскільки вони входять до складу ферменту нітрогенази. Молібден виконує структурну функцію, підтримуючи конформацию нітрогенази, каталітичну, беручи участь в зв'язуванні азоту і перенесення електронів, а також індукує синтез нітрогенази. Кобальт необхідний у зв'язку з тим, що він входить до складу вітаміну В12. який залучається до процесу біосинтезу леггемоглобін. Утворився аміак тут же в клітинах кореня реагує з а-кетоглутаровой кислотою з утворенням глутамінової кислоти, яка і втягується в подальший обмін. У надземні органи рослини-господаря азотисті речовини пересуваються головним чином у вигляді амідів (аспарагина, глутаміну). Як уже зазначалося, фіксування атмосферного азоту може здійснюватися і поруч вільноживучих фотосинтезуючих організмів (ціанобактеріями, сірчаними бактеріями). В цьому випадку донором протонів і електронів може бути або вода, або сірководень.

Відкриття азотфиксаторов призвело до створення бактеріальних добрив (нітрагін, ризотрофіном, азотобактер і ін.). Ці добрива містять природні грунтові організми і дозволяють збільшити накопичення біомаси вищими рослинами. Перспективність такої технології в тому, що вона дозволяє частково замінити мінеральні добрива, і таким чином знизити рівень забруднення, спричинений їх інтенсивним використанням. Нові перспективи для збільшення ефективності азотфіксації і поліпшення азотного живлення рослин відкриває використання досягненні генної інженерії. Встановлено, що фіксацію азоту забезпечують ферменти - продукти nif -генов. В даний час практично вирішена проблема збільшення дози nif -генов у бульбочкових бактерій роду Rhizobium. Виконано роботи по перенесенню nif -генов в інші організми, оскільки більшість цих генів локалізується на плазмидах. Є передумови до створення методами генної інженерії злакових рослин-азотфиксаторов. Дослідження основ азотфиксации відкриває перспективи створення економних і ефективних технологій фіксації азоту повітря. Технологія синтезу аміаку в промисловості передбачає використання каталізаторів, підтримання температури близько 500 ° С і тиску 300-350 атм. У клітці цей процес йде при нормальній температурі, низькому тиску і без забруднення довкілля.