АГРОИНФормация

Агропортал - все для специалистов агропромышленного комплекса

Свободноживущие микроорганизмы, фиксирующие молекулярный азот

К настоящему времени установлено, что многие свободноживущие бактерии — представители около 30 видов — могут фиксировать молекулярный азот. Большое значение в фиксации азота имеет семейство Azotobacteriaceae (бактерия Azotobacter chroococcum, открытая М. Бейеринком и др.).

Молодые клетки азотобактера представляют собой палочки размером 2—3X4—6 мкм. Позже они превращаются в крупные кокки диаметром до 4 мкм. Кокковидные клетки обычно покрываются капсулой и содержат разные включения (жир, крахмал и т. д.).

Иногда у кокковидных клеток появляется толстая оболочка, и они превращаются в цисты. На одних питательных средах палочки быстро приобретают кокковидную форму, на других — по истечении длительного времени. Палочковидные клетки микроба имеют жгутики и обладают подвижностью. При переходе палочек в кокки жгутики обычно теряются (рис. 34).

Из описанных видов азотобактера наиболее изучены Az. chroococcum, Az. vinelandii и Az. agilis. Эти виды различаются между собой размерами и формой клетки, а также некоторыми другими признаками, в частности пигментацией колоний. Так, колонии Az. chroococcum имеют бурый, почти черный цвет. Для Az. agilis характерны бесцветные колонии, Az. vinelandii дает флюоресцирующую желтовато-зеленоватую окраску среды. Наиболее обычен для почвы Аz. chroococcum.

Все виды азотобактера аэробы. В качестве источника азота могут ассимилировать соли аммония, нитриты, нитраты и аминокислоты. При отсутствии связанных форм азота фиксируют молекулярный азот. Небольшие дозы азотсодержащих соединений не депрессируют фиксацию азота, а иногда даже стимулируют ее. Увеличение дозировки связанного азота в среде полностью подавляет усвоение молекулярного азота.

Энергия усвоения азота у отдельных культур азотобактера колеблется в широком диапазоне. Активные культуры связывают 15—20 мг азота на 1 г потребленного органического вещества.

Азотобактер способен использовать огромный набор органических соединений — моно - и дисахариды, некоторые полисахариды (декстрин, крахмал), многие спирты, органические кислоты, в том числе ароматические. Вообще азотобактер проявляет высокую потребность в органических веществах. Поэтому он в больших количествах встречается в почвах, хорошо заправленных органическими удобрениями.

Для роста азотобактер нуждается в элементах минерального питания, особенно в фосфоре и кальции. Потребность азотобактера в этих элементах столь значительна, что его используют в качестве биологического индикатора на наличие фосфора и кальция в почве.

Для энергичной фиксации молекулярного азота азотобактеру и другим фиксаторам азота нужны микроэлементы. Важное значение имеет молибден, который входит в состав ферментов, катализирующих процесс усвоения азота.

Отмеченные физиологические особенности азотобактера определяют экологию данного организма. Он обитает в высокоплодородных, достаточно влажных почвах с нейтральной или близкой к ней реакцией среды. При дефиците увлажнения большинство клеток этого микроорганизма отмирают. Во многих черноземах, каштановых и сероземных почвах, благоприятных для азотобактера, его обнаруживают в значительных количествах лишь весной. При летнем иссушении почвы в ней остаются немногочисленные его зародыши. В зоне подзолистых и дерново-подзолистых почв азотобактер можно найти в огородных и пойменных почвах, богатых органическими соединениями, с благоприятным значением pH.

Отметим, что из ризосферы тропического злака Paspalum notatum был выделен Azotobacter, дающий колонии зеленого тона и имеющий некоторые физиологические отличия от типовой культуры. Этот микроорганизм назван Azotobacter paspali.

К семейству Azotobacteriaceae относятся бактерии рода Beijerinckia, близкие по свойствам к азотобактеру. От азотобактера они отличаются значительной кислотоустойчивостью, кальцифобностью и некоторыми другими свойствами. Они могут расти даже в среде с pH около 3.

Впервые бактерия рода Beijerinckia была получена из кислых почв рисовых полей Индии Р. Старки и П. Де (1939). Ее назвали Azotobacter indicum. Материал, накопленный позднее, показал, что рассматриваемый микроорганизм относится к особому роду, названному в честь известного голландского ученого М. Бейеринка — Beijerinckia. К настоящему времени описан ряд видов бактерий этого рода.

Клетки Beijerinckia имеют различную форму — палочковидную, овальную или круглую. У некоторых видов они подвижны, у других неподвижны. Иногда наблюдается образование капсул. Цисты и эндоспоры отсутствуют.

Большинство культур бактерий рода Beijerinckia дают на безазотной среде с глюкозой выпуклые, блестящие, нередко складчатые слизистые колонии вязкой консистенции. При старении колонии окрашиваются в красноватый или темно-коричневый цвет. В отличие от азотобактера, Beijerinckia не усваивает ароматические соединения и хуже ассимилирует органические кислоты. При развитии на углеводах в среде накапливаются кислые продукты (уксусная и другие органические кислоты). Бактерии рода Beijerinckia менее требовательны по сравнению с азотобактером к концентрации фосфорных соединений в среде. Небольшие дозы соединений кальция тормозят рост Beijerinckia. Значительно менее, чем азотобактер, Beijerinckia чувствительна к повышенной концентрации солей железа и алюминия. Beijerinckia нуждается в молибдене, но довольствуется меньшими его дозами.

Бактерии рода Beijerinckia широко распространены в кислых почвах субтропической и тропической зон. Реже они встречаются в почвах зоны умеренного климата. Бактерии рода Beijerinckia найдены в красноземах Грузии. В окультуренных кислых почвах юга содержится больше клеток Beijerinckia, чем в целинных. Целинные луговые почвы богаче бактериями рода Beijerinckia, чем лесные.

К свободноживущим фиксаторам молекулярного азота семейства Azotobacteriaceae относятся также виды рода Derxia, получившего свое наименование в честь голландского микробиолога Г. Деркса. Это медленно растущие на безазотных средах палочковидные бактерии, обладающие в определенной стадии развития жгутиком. Колонии могут быть пленочными или слизистыми. При старении они становятся желтовато-коричневыми. Derxia обнаружена в почвах тропической зоны, как и бактерии рода Azomonas, также близкие к азотобактеру. Последние имеют округлые клетки и образуют колонии с флюоресцирующим пигментом.

Как показали исследования последнего времени, в почве могут находиться азотфиксирующие бактерии рода Klebsiella (семейство Enterobacteriaceae), представляющие собой грамотрицательные, подвижные с перитрихиальным расположением жгутиков, факультативно-анаэробные палочки. Они выносят довольно низкое значение pH и в большом количестве имеются в лесных подзолистых почвах. В зоне умеренного климата они встречаются и под травянистой растительностью.

К данному семейству относится род Erwinia, представители которого, населяющие надземную часть травянистых растений, могут усваивать атмосферный азот.

К азотфиксаторам относятся и некоторые расы Pseudomonas fluorescens (семейство Pseudomonadaceae). Этот аэробный микроб богаче представлен в почвах северной зоны.

Среди бактерий, фиксирующих молекулярный азот, имеются вибрионы и спириллы. Недавно большой интерес вызвали работы Ж. Доберейнер (Бразилия), показавшей, что в тропических почвах на корнях травянистых растений присутствуют аэробные фиксирующие молекулярный азот спириллы. В то время как большинство сапрофитных азотфиксаторов населяют почву прикорневой зоны (ризосферу), спириллы находятся на самой поверхности корня (ризоплане) и подчас даже проникают в корневую систему. Таким образом, эти микроорганизмы тесно связаны с растениями, и можно ожидать, что они оказывают существенное влияние на их рост.

Изучение физиологических свойств отмеченных спирилл показало, что существует, по крайней мере, две их группы — Azospirillum lipoferum и Azospirillum brasilense, отличающиеся некоторыми физиологическими свойствами. Растения с типом С4 –фотосинтеза (кукуруза, просо, сорго и т. д.) имеют на корневой системе преимущественно A. lipoferum, а растения с типом С3-фотосинтеза (рис, пшеница и др.) —A. brasilense. Исключение составляет сахарный тростник, заражаемый преимущественно A. brasilense.

Достаточно широкие исследования ряда микробов позволяют заключить, что бактерии рода Azospirillum встречаются на корневой системе растений и в более северной зоне, доминируя в зоне южных почв.

Обнаружены и другие аэробные азотфиксирующие бактерии, экология и роль которых в почвенных процессах еще достаточно не изучена. Это представители рода Arthrobacter, относящегося к коринебактериям — микробам, на определенных этапах развития образующим искривленные, неправильной формы клетки и т. д.

Из анаэробных азотфиксаторов довольно хорошо изучены представители рода Clostridium (семейство Bacillaceae).

Как отмечалось выше, первым из свободноживущих фиксаторов азота был открыт Clostridium pasteurianum, Этот микроорганизм имеет палочковидные клетки длиной 1,5—8 мкм и шириной 0,8— 1,3 мкм. Молодые клетки несут перитрихиально расположенные жгутики, старые — образуют споры (см. рис. 29). При спорообразовании клетки утолщаются посередине или на конце. В присутствии кислорода воздуха Cl. pasteurianum может развиваться только при наличии в среде аэробных бактерий, поглощающих кислород, малочувствителен к реакции среды и встречается как в кислых (pH 4,5—5,5), так и в щелочных (pH 8—9) почвах. Споры Cl. pasteurianum довольно устойчивы: они выдерживают нагревание до 96° С в течение нескольких минут.

В качестве источника азотного питания бактерии рода Clostridium могут использовать соли аммония, азотной кислоты и многие содержащие азот органические соединения. При дефиците этого элемента бактерии усваивают молекулярный азот. Источником углерода для Cl. pasteurianum может быть широкий набор углеродсодержащих соединений — моносахариды, дисахариды, некоторые полисахариды (декстрин, крахмал) и органические кислоты. Развиваясь на питательных средах, содержащих углеводы, Cl. pasteurianum разлагает их с образованием масляной и уксусной кислот, углекислого газа и водорода. Освобождающаяся при сбраживании углеводов энергия частично идет на усвоение газообразного азота атмосферы.

Cl. pasteurianum обычно считался слабоактивным фиксатором азота. Пределом его активности было связывание от 1 до 3 мг азота на 1 г сброженного сахара. Однако, используя питательные среды, наиболее отвечающие физиологическим потребностям Cl. pasteurianum, удалось повысить его активность до 10—12 мг азота на 1 г сброженного сахара, а в некоторых случаях и более.

Способность фиксировать азот атмосферы свойственна и другим видам рода Clostridium (Cl. butyricum, Cl. acetobutylicum, Cl. pectinovorum, Cl. felsineum и т. д.). Эти бактерии близки в систематическом отношении к Cl. pasteurianum, но отличаются от него ферментативными свойствами. Так, Cl. acetobutylicum вызывает ацетонобутиловое брожение, Cl. pectinovorum может разлагать пектин и т. д. Отдельные виды Clostridium приурочены к определенным почвам (см. главу 14).

Из других анаэробных азотфиксирующих бактерий в почвах нередко обнаруживается Bacillus polymyxa, относящаяся к семейству Bacillaceae. Этот микроорганизм в качестве углеродного питания использует простые сахара и некоторые полисахариды, а также пектин.

Небольшие количества молекулярного азота могут фиксировать некоторые олиготрофные бактерии.

Весьма своеобразная обстановка для микроорганизмов вообще и азотфиксаторов в частности создается на затопленных полях под посевами риса. При разложении массы растительных остатков в почве под слоем воды наряду с другими веществами образуются газообразные соединения — водород, метан, СО2. Установлено, что Н2 и СН4 могут быть источниками энергии и питания для некоторых азотфиксирующих бактерий. Имеются корине - и микобактерии, способные жить автотрофно, окисляя водород и ассимилируя углекислоту. Одновременно они фиксируют молекулярный азот.

Метан используется специфическими азотфиксирующими бактериями из рода Methylomonas (семейство Methylomonadaceae), которые в аэробных условиях могут жить, окисляя только метан или метиловый спирт. Это небольшие монотрихи, не образующие спор.

В воде рисовых полей, а также в Других водоемах можно обнаружить и других азотфиксаторов, представляющих собой анаэробные бактерии. К ним относятся фототрофные пурпурные серобактерии (Thiocapsa, Chromatium, Thiocystis и др.), пурпурные несерные бактерии (Rhodospirillum, Rhodopseudomonas и др.) и зеленые серобактерии (Chlorobium, Pelodiction).

В почвах, загрязненных нефтью, развивается специфический ценоз микроорганизмов, усваивающих молекулярный азот. В основном здесь размножаются ассимилирующие углеводороды коринебактерии (Arthrobacter).

К активным азотфиксаторам относятся аэробные цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Можно считать, что все микроорганизмы этой группы, обладающие гетероцистами (клетки с толстой оболочкой), способны фиксировать N2, Они входят в порядки Mastigocladales, Stigonematales и Nostocales класса Hormogoniophyсеае. В почвах СНГ обнаружено около 130 видов и разновидностей гетероцистных форм цианобактерий. Из них к азотусвоителям принадлежат роды Anabaena, Nostoc, Cylindrospermum, Calothris, Tolypothrix и Scytonema, причем наиболее распространены в почвах представители рода Nostoc.

Усвоение молекулярного азота происходит в гетероцистах, то есть в клетках, куда ограничен доступ кислорода. Тем не менее, ферментный аппарат, связывающий N2, обнаружен и в вегетативных клетках гетероцистных форм цианобактерий. Это послужило основанием для поиска негетероцистных азотфиксирующих форм. В последнее время они найдены — это представители родов Plectonema и Phormidium, которые, не обладая гетероцистами, могут связывать N2. В СНГ подобные формы найдены Е. М. Панкратовой.

Цианобактерии распространены во всех почвенно-климатических зонах. Однако они предпочитают нейтральную среду, и. поэтому их численность и видовой состав существенно возрастают в нейтральных почвах южной зоны. Отдельные их виды приурочены к определенным местам обитания. Многие цианобактерии живут в оимбиозе с другими растительными организмами, например,— с грибами, образуя при этом лишайники. В результате адаптации к местным условиям они приобрели способность фиксировать азот при температуре, близкой к 0°С, иногда азотфиксация происходит даже при —5°С, оптимальная температура для этого процесса 15—20°С. В тропиках цианобактерии находятся в симбиозе с саговниками и печеночниками, а также с водным папоротником Azolla и т. д.

В природной обстановке цианобактерии всегда сожительствуют с другими микроорганизмами — бактериями и грибами. В местах разрастания водорослей особенно много олиготрофных бактерий. Массовое развитие цианобактерий отмечается в сильно увлажненных почвах, где они нередко образуют «цветение» почв. Аналогичное явление имеет место в водоемах при обильном размножении водорослей. В неорошаемых окультуренных почвах наиболее благоприятные условия для роста цианобактерий бывают весной и осенью, то есть в периоды увлажнения почвы, а в поливных, кроме того, и после орошения пашни.

Вклад свободноживущих азотфиксаторов в азотный фонд почвы весьма существен. Вопрос о роли свободноживущих и симбиотических азотфиксаторов в азотном балансе почв рассмотрен в главе 16.

You are here