АГРОИНФормация

Агропортал - все для специалистов агропромышленного комплекса

Химизм фиксации микроорганизмами молекулярного азота

Молекулярный азот обладает большой инертностью и с трудом вступает в химическую связь с другими элементами и веществами. Используемый в промышленности метод Габера — Боша для получения из атмосферного воздуха аммиака требует температуры около 500°С и высокого давления (около 350 атм.). Биологическая же азотфиксация проходит в самых обычных условиях. Это вызывает особый интерес к каталитическим системам микроорганизмов, усваивающих молекулярный азот. Их изучение имеет не только большой научный интерес, но и может дать существенный результат для химической технологии.

Следует напомнить, что атомы молекулы азота соединены тремя связями (N==N). Труднее всего разрывается первая связь, существенно легче — вторая и наиболее легко — третья. Разрыв этих связей происходит не сразу, а последовательно, под воздействием ряда ферментных систем. Совершенно очевидно также, что процесс связывания молекулярного азота весьма энергоемок. Поэтому энергетический обмен азотфиксаторов должен как-то отличаться от обмена других микробов. Действительно, В. Л. Кретовичем установлено, что при развитии на молекулярном азоте микробы - азотусвоители на единицу массы новообразованных клеток тратят больше энергии, чем при росте на связанных соединениях азота.

В принципе фиксация молекулярного азота может идти по восстановительному или окислительному пути. Каждый из этих путей многоступенчат и должен катализироваться своей ферментной системой. В клетках микроорганизмов процесс идет по восстановительному пути. Сейчас известно, что в среде, где развиваются азотфиксаторы не только анаэробные, но даже аэробные, устанавливается низкий окислительно-восстановительный потенциал. Аэрация среды резко тормозит процесс фиксации азота, так как кислород является энергичным акцептором водорода и депрессирует образование восстановленных продуктов азота.

Важным аргументом в пользу восстановительного пути фиксации атмосферного азота служит обнаружение в культурах и бесклеточных препаратах азотфиксаторов восстановленных продуктов азота (NH3, NH2OH и т. д.). Весьма существенно также, что ряд предполагаемых продуктов восстановления азота (H2N—NH2, NH2 OH, NH3) усваивается культурами фиксаторов азота, а наиболее вероятный первый продукт окисления азота — закись азота N2О — плохо ассимилируется ими.

Предполагается, что химизм фиксации азота если не тождествен, то близок у аэробных и анаэробных форм микроорганизмов. Допущение же возможности первичного окисления молекулы азота аэробными микроорганизмами привело бы к неизбежному выводу о разных путях фиксации азота аэробами и анаэробами, что трудно допустить.

Таким образом, следует признать, что при фиксации азота происходит восстановление молекулярного азота.

Изучение фиксации молекулярного азота культурами микроорганизмов позволило заключить, что процесс идет активно лишь при наличии в среде соединений молибдена и железа. Это свидетельствует о том, что отмеченные элементы входят в каталитическую ферментную систему, восстанавливающую молекулярный азот до аммиака.

Первые опыты по изучению ферментного комплекса, обеспечивающего азотфиксацию, относятся к 1934 г., когда академик А. Н. Бах и его сотрудники сделали попытку получения бесклеточного препарата, содержащего нитрогеназу — фермента, связывающего молекулярный азот. Эта весьма сложная задача была решена лишь недавно работами многих ученых.

Можно считать установленным, что нитрогеназа состоит из двух фракций. Одна из них, содержащая Мо, получила наименование молибдобелок. Препараты этой фракции, выделенные из различных азотфиксирующих микроорганизмов, близки по свойствам, но различаются по молекулярной массе (в пределах 180 000— 270 000). Молибдобелок состоит из четырех белков, несколько различающихся по молекулярной массе. В молибдобелок входят сульфидные группы и железо. Он инактивируется кислородом.

Молибден играет важную роль в структуре нитрогеназы. Функции его многогранны. Он непосредственно участвует в связывании азота, активизируя восстановительную систему и молекулярный азот, поддерживает структуру нитрогеназы и ее биосинтез и т. д. В переносе электронов к азоту от восстановителя, по-видимому, принимают участие соединения железа. Сульфидные группировки содействуют снижению окислительно-восстановительного потенциала.

Вторая фракция нитрогеназы содержит железо и названа железобелок. Она имеет молекулярную массу 55 000 и состоит из двух равных белковых субъединиц. В нее входят сульфидные группы, эта фракция, как и молибдобелок, инактивируется кислородом.

Активирование азота и водорода, необходимое для превращения N2 в NH3, в клетках азотфиксаторов осуществляется белком негеминной природы — ферредоксином (Fd), молекулярная масса которого составляет около 6000, или близкими к нему соединениями. Их окислительно-восстановительный потенциал лежит в зоне потенциала водородного электрода. Чтобы произошел процесс восстановления азота до аммиака, необходим источник энергии в виде АТФ, а также ионы магния.

В. JI. Кретович приводит схему процесса усвоения азота и дальнейшего превращения аммиака в органические кислоты (рис. 42). Восстановление N2 до NH3 идет ступенчато. Первоначально N2 превращается в диимид (HN = NH), затем в гидразин (H2N—NH2) и, наконец, в NH3.

Установлено, что нитрогеназа может восстанавливать не только молекулярный азот, но и другие соединения, в частности ацетилен С2Н2 до этилена С2Н4. Это свойство нитрогеназы используют для определения ее активности.

Нитрогеназа при участии АТФ катализирует также восстановление ионов водорода, образующихся при процессе азотфиксации, до молекулярного водорода.

Аммиак, образовавшийся при фиксации N2, связывается кетокислотами, что приводит к синтезу аминокислот. Так, из б - кетоглютарата и аммиака получается глютаминовая кислота, которая служит исходным веществом для синтеза ряда метаболитов:

Глютаминовая кислота с затратой энергии в виде АТФ превращается в глютамин, а из него синтезируется важнейший метаболит — аспарагин:

Из щавелевоуксусной кислоты и аммиака образуется аспарагиновая кислота, из пировииоградной кислоты и NH3 — б-аланин и т. д.

В дальнейшем аминокислоты транспортируются в наземную часть растения и расходуются на синтез белков и других органических соединений. У некоторых бобовых культур отток азотсодержащих веществ из клубеньков происходит в форме амидов, а также уреидов (аллантоина и аллантоиновой кислоты).

Леггемоглобин, содержащийся в активно фиксирующих азот клубеньках, служит переносчиком кислорода к бактероидам клубеньков. Вместе с тем он нормирует поступление кислорода в клубеньки, так как нитрогеназа чрезвычайно чувствительна к этому элементу.

Свободноживущим анаэробным азотфиксаторам (Clostridium pasteurianum) подобная защита не требуется. В среде их обитания кислород отсутствует. Клетки аэробных бактерий, усваивающих молекулярный азот, обычно окружены слизистой массой, изолирующей их от воздуха. У цианобактерий N2-фиксация протекает, как правило, в особых клетках — гетероцистах, имеющих мощную оболочку.

Как было отмечено, процесс азотфиксации требует существенных энергетических затрат, которые аккумулируются у микроорганизмов в виде АТФ. Для клубеньковых бактерий «биологическим топливом» в процессе азотфиксации служат продукты фотосинтеза, поступающие из листьев растений. Они трансформируются и запасаются в клетках бактероидов главным образом в виде в - оксимасляной кислоты, при использовании которой происходит генерация АТФ. У свободноживущих сапрофитных азотфиксаторов для этой цели служат разнообразные органические соединения, ассимилируемые из окружающей среды. Бактерии (в том числе цианобактерии), содержащие хлорофилл, получают энергию от фотосинтеза.

При использовании различных комплексных соединений, имеющих переходные металлы, работу нитрогеназы удается моделировать.

Эти исследования дают основание утверждать, что со временем будет разработан промышленный способ мягкой химической фиксации молекулярного азота. Работу по моделированию процесса азотфиксации ведут в СНГ А. Е. Шилов, Г. И. Лихтенштейн и другие ученые.

You are here