Участие микроорганизмов в биологическом круговороте углерода и азота

Участие микроорганизмов в биологическом круговороте углерода. Главная роль в конструктивном обмене микроор­ганизмов принадлежит углероду. В природе практичес­ки нет ни одного углеродсодержащего соединения, на которое не воздействовали бы микроорганизмы. По отношению к углероду все организмы делятся на ав­тотрофные, способные синтезировать органические соединения из СО₂ внешней среды, и гетеротрофные, источником углеродного питания которых является готовое органическое вещество.

Гетеротрофы делятся на паразитов и сапрофитов. Паразиты живут за счет органических веществ других организмов, а сапрофиты питаются мертвым органическим материалом. Среди паразитов различа­ют такие, которые способны развиваться только внут­ри клеток хозяина (облигатные паразиты, например, хламидии, лишенные собственной системы фосфори­лирования), и такие, которые способны вести сапро­фитный образ жизни (факультативные паразиты). Пос­ледних значительно больше, чем первых. Сапрофиты составляют основную массу почвен­ных микроорганизмов. Они перерабатывают огромные массы органических веществ мертвых остатков расте­ний и животных и содержащихся в продуктах жизнедеятельности почвенных организмов, а также в органических удобрениях.

Автотрофы, в свою очередь, делятся на фотоав­тотрофов (водоросли, цианобактерии, пурпурные и зе­леные бактерии) и хемоавтотрофов (нитрифицирующие, водородные, бесцветные серные и железобактерии).

Из фотоавтотрофов водоросли и цианобакте­рии осуществляют процесс фотосинтеза с выделением О₂ подобно высшим растениям. Они имеют обе фото­системы (ФС-1 и ФС-2). У пурпурных бактерий содер­жится бактериохлорофилл, активная форма которого представлена пигментом П₈₇₀, а у зеленых серобакте­рий – П₈₄₀. У пурпурных и зеленых бактерий функци­онирует только ФС-1, и фотосинтез происходит без выделения кислорода. Отличается эта группа и донора­ми протонов и электронов. Так, у зеленых и пурпурных серных бактерий таким донором является сероводород:

СО₂ + 2Н₂S → (СН₂О)_n + 2S + Н₂О

У пурпурных несерных бактерий в качестве доно­ров протонов и электронов служит молекулярный во­дород или водород спиртов и некоторых других орга­нических соединений: СО₂ + 2Н₂ → (СН₂О)_n + Н₂О.

Хемоавтотрофные бактерии получают энер­гию для синтеза органических веществ за счет окисле­ния различных неорганических соединений: аммиака, водорода, сероводорода, серы, закисного железа и дру­гих. Процесс синтеза органических веществ из внеш­ней углекислоты за счет энергии окисления неоргани­ческих соединений, как указывалось выше, носит на­звание хемосинтеза.

Большинство микроорганизмов, как и высшие ра­стения, используют в качестве источника энергии окис­ление органических веществ в процессе дыхания. Для анаэробных микроорганизмов важнейшим источником энергии является сбраживание органичес­ких веществ. Различают следующие типы брожений: спиртовое; молочнокислое; маслянокислое; пропионовокислое и др.

Возбудителями спиртового брожения служат главным образом дрожжевые грибы. Пировиноградная кислота с помощью фермента пируватдекарбоксилазы расщепляется до уксусного альдегида и СО₂. Образующийся ацетальдегид при участии НАД - зависимой алкогольдегидрогеназы восстанавливается до этилового спирта.

В анаэробных условиях дрожжи осуществляют спиртовое брожение. При доступе кислорода они пре­кращают ход спиртового брожения и начинают актив­но размножаться почкованием. Поэтому в анаэробных условиях получают спирт, а в аэробных - коммерчес­кие дрожжи. Из сахаров легче всего сбраживается глюкоза, фруктоза, сахароза и мальтоза. Плохо подда­ются этому процессу манноза и галактоза. Кроме дрожжей спиртовое брожение могут вызы­вать некоторые бактерии, в частности Zymomonas mobilis, Sarcina ventriculi и др.

Возбудителями молочнокислого брожения яв­ляются бактерии из родов Streptococcus, Lactobacillus, Pediococcus и некоторых других. Все они грамположи­тельны, не образуют спор, не способны к передвижению и являются факультативными анаэробами. Они вызы­вают типичное гомоферментамивное молочнокислое брожение, конечный продукт которого - молочная кислота. При гомоферментативном молочнокислом броже­нии пировиноградная кислота восстанавливается с участием НАДН₂ и дает молочную кислоту. Молочнокислое брожение используется для полу­чения кисломолочных продуктов, при квашении ово­щей и силосовании кормов.

Другая группа молочнокислых бактерий (род Leuconostoc, некоторые виды рода Lactobacillus) в про­цессе гемероферменмамивного молочнокислого броже­ния продуцирует наряду с молочной ряд других веществ: уксусную кислоту, этиловый спирт и другие продукты. Гетероферментативное молочнокислое брожение осуществляется по окислительному пентозофосфатно­му пути, один из продуктов которого - ФГА превраща­ется в ПВК, а второй - ацетилфосфат дает уксусную кислоту или этиловый спирт и СО₂. Факультативно анаэробная кишечная палочка, обитающая в кишечни­ке животных, в анаэробных условиях сбраживает суб­страт до молочной, уксусной, янтарной и муравьиной кислот, этилового спирта и молекулярного водорода.

Процесс сбраживания углеводов до масляной кислоты носит название маслянокислого брожения. Возбудителями маслянокислого брожения являют­ся бактерии из рода Clostridium. В результате окисли­тельного декарбоксилирования ПВК образуется ацетил­КоА, который частично превращается в ацетилфосфат, а затем в уксусную кислоту. На этом этапе образуется молекула АТФ. Путь, непосредственно ведущий к син­тезу масляной кислоты, начинается с конденсации двух молекул ацетил-КоА и через ряд восстановительных реакций в конечном итоге приводит к образованию масляной кислоты.

Для биологического круговорота веществ в лесу особенно важными являются две разновидности масля­нокислого брожения:

· сбраживание пектиновых веществ, содержащих­ся в срединных пластинках клеточных стенок ра­стений;

· анаэробное разложение целлюлозы - основного компонента оболочек растительных клеток.

Пектины состоят из довольно большого количества остатков D-галактуроновой кислоты и различных са­харов: галактозы, ксилозы и арабинозы. Разложение пектиновых веществ начинается с их гидролиза, а соб­ственно маслянокислому брожению подвергаются только сахара - продукты гидролиза. При этом из галак­тозы образуются масляная кислота, углекислота и во­дород, а из арабинозы и ксилозы, относящихся к группе пентоз, - масляная кислота, углекислота и вода.

В анаэробных условиях, в частности в заболочен­ных лесных почвах, происходит медленное гидролити­ческое расщепление целлюлозы до глюкозы, которая затем сбраживается бактериями из рода Clostridium до масляной кислоты и ряда других продуктов.

В природе наряду с анаэробным сбраживанием существуют и аэробные процессы разложения веществ и целлюлозы, осуществляемые мик­роорганизмами различных систематических групп: миксобактериями, актиномицетами и грибами. В кис­лых лесных почвах основную роль в разложении пек­тиновых веществ играют грибы, в особенности муко­ровые, а клетчатки - микромицеты Trichoderma, Penicillium, Aspergillus и др. Целлюлоза в почвах степных и луговых формаций разлагается в основном бактериями.

В лесных почвах в больших количествах наряду с целлюлозой находится и лигнин. Это очень медленно гидролизуемый компонент растительного спада. Нахо­дящиеся в его составе ароматические углеводороды трудно поддаются разложению. Лигнин разлагается грибами и небольшим числом бактерий, в основном из рода Pseudomonas. Из разрушающих лигнин грибов следует, прежде всего, назвать базидиальные. После частичного разрушения лигнина базидиальными гри­бами в работу включаются микромицеты Fusarium, Trichoderma, Rhizoctonia, Penicillium, Aspergillus и др. На самых последних стадиях разрушения лигнина участвуют и некоторые грамотрицательные бактерии. Обычно процессы гидролиза лигнина и целлюлозы в почве идут параллельно и могут вызываться одними и теми же микроорганизмами и высшими грибами.

Гидролиз лигнина сопровождается синтезом ве­ществ, являющихся составными элементами гумуса почвы. Ароматические спирты, продукты микробиоло­гического распада лигнина, конденсируются с амино­кислотами почвы и пептидами, образуя первичные продукты гумусовых веществ. В процессе гумифика­ции растительных остатков, в том числе содержащих лигнин, дубильные вещества, белки, смолы, воски и некоторые другие, происходит постепенное окисление гидроксильных групп до карбоксильных. Образующи­еся высокомолекулярные вещества, способные осаж­даться кальцием, получили название гумусовых кис­лот, а более дисперсная часть гумуса - фульвокислот.

Наряду с синтезом происходит и распад гумуса по­чвы. Продукты распада служат основой минерального питания растений. В этом процессе участвуют бактерии из родов Pseudomonas, Seliberia, Agrobacterium, а так­же актиномицеты и грибы. Поэтому обогащение почвы гумусом - это результат положительного баланса меж­ду образованием и разрушением гумусовых веществ.

В составе растительного опада и трупных остан­ков животных трудно гидролизуемыми органическими веществами являются и жиры. Они разлагаются в почве аэробными бактериями из рода Pseudomonas, акти­номицетами, а также анаэробными бактериями, в осо­бенности представителями рода Clostridium.

Возбудителями пропионового брожения являют­ся грамположительные, не образующие спор, бактерии из рода Propionibacterium. Конечный продукт броже­ния - пропионовая кислота. Основной начальный этап процесса данного брожения - гликолиз. Вместе с тем у данной группы бактерий обнаруживается и окисли­тельный пентозофосфатный путь, цикл Кребса и т.д. У некоторых видов проявляется эффект Пастера. К среде эти микроорганизмы малотребовательны. Они прояв­ляют свою активность после деятельности молочнокис­лых бактерий, сбраживая молочную кислоту до пропи­оновой и уксусной. Важно отметить, что в начале процесса ПВК не восстанавливается, как в других видах брожений, а карбоксилируется с обра­зованием щавелевоуксусной кислоты, дальнейшее пре­вращение которой происходит в цикле Кребса. Про­цесс карбоксилирования ПВК получил название гете­ротрофной или темновой фиксации СО₂. В небольших масштабах эта гетеротрофная фиксация СО₂ наблюда­ется почти у всех живых организмов, в том числе у животных.

Рассмотрим схему биологического круговорота углерода. Автотрофы - высшие зеленые растения, водоросли, цианобактерии, фотосинтезирующие и хемосинтезирующие бактерии - фиксируют углерод СО₂, включая его в органические соединения. Животные, поедая растения, концентрируют углерод в органическом ве­ществе своего тела. Дыхание аэробных организмов и многие виды брожений сопровождаются выделением углекислоты. Опад растений и трупные останки живот­ных и микроорганизмов разлагаются и пополняют ат­мосферу СО₂. Образующаяся углекислота опять исполь­зуется в процессах фото- и хемосинтеза. Цикл биологи­ческого круговорота углерода повторяется снова. В этом круговороте прослеживается тесная связь жизнедея­тельности растений, животных и микроорганизмов.

Схема биологического круговорота углерода: 1 - фотосинтез; 2 - хемосинтез; 3 - дыхание растений; 4 - питание животных; 5 - дыхание животных; 6 - отмирание организмов и их прижизненные выделения; 7 - дыхание аэробных микроорганизмов; 8 - брожение; 8а - выделение СО₂ при брожениях

Участие микроорганизмов в биологическом круговороте азота. Наряду с участием в биологическом круговороте углерода микроорганизмы выполняют очень важную роль в преобразовании азотистых веществ. Это значение микробов трудно переоценить, ибо недостаток в почве важнейшего мя растений элемента азота ­обычное явление. Азотное питание в сельском и лес­ном хозяйстве представляет собой проблему номер один.

Азот, как и углерод, является основным компонен­том наиболее существенных для жизни растений орга­нических веществ. После отмирания растений, микро­организмов, животных органическое вещество их опа­да и трупных остатков разлагается почвенными микробами до самых простых минеральных форм азо­та, так нужных растениям. Это происходит с помощью большой группы микроорганизмов - аммонификаторов, а процесс по конечному продукту (аммонию) получил название аммонификации.

В аммонификацию включаются белки, мочевина, хитин, нуклеиновые кислоты - вещества, имеющие большой запас азота. Все они активно атакуются аммо­нифицирующими микроорганизмами с образованием аммиака. Разлагая то или иное азотсодержащее орга­ническое вещество, возбудители рассматриваемого процесса за счет этого питаются, размножаются, чер­пают необходимое количество энергии для своей жиз­недеятельности.

Обычно микробы при этом используют незначи­тельную долю высвобождающегося азота на поддер­жание собственного метаболизма. Большая часть под­вижного и хорошо доступного корням азота остается в почве, что благоприятно сказывается на азотном пита­нии растений и на их урожайности. Одновременно при разложении органических веществ почвенными мик­роорганизмами высвобождаются ионы ортофосфорной кислоты, а также сера в форме H₂S; последний окисля­ется серными бактериями до сульфатов.

Возбудителями аммонификации белков являются, с одной стороны, аэробы - спорообразующие палочки Bacillus mycoides, В. megaterium, В. subtilis (сенная палочка), многие актиномицеты и грибы, а с другой ­анаэробные палочки из рода клостридиум (С. putrificum, С. sporogenes, С. botulinum, С. tetani). Два последних вида очень вредны для человека: первый вызывает пищевое отравление вплоть до летальных последствий, а второй - возбудитель столбняка.

Все названные аммонификаторы, или гнилостные микроорганизмы, вырабатывают и выделяют большое количество протеолитических ферментов - протеаз, осуществляющих гидролиз белков. Процесс распада­ется на два этапа.

На первом этапе с помощью протеаз сложные белки разлагаются до простых белков, а те, в свою очередь, до аминокислот. Образующиеся аминокисло­ты частично усваиваются микробами, из них они стро­ят белки своего тела. В этом случае схема реакций дезаминирования аминокислот выглядит так:

R-CHNH₂-COOH + О_{2 →} R-COOH+CО₂ + NН₃ или

R - CHNH₂ - СООН + 1/2 О_{2 →} R - СО - СООН + NН₃.

Большая часть аминокислот на втором этапе подвергается дезаминированию, в процессе которого от них отщепляется аминогруппа NH₂ и образуются свободный аммиак и органические кислоты. Различа­ют дезаминирование, идущее с участием и без участия кислорода. Процесс осуществляется с помощью НАД­зависимой дегидрогеназы:

R - CHNH₂ - СООН + НАД + Н₂О → R - СО - СООН + НАД-Н₂ + NН₃.

Конечные продукты аммонификации белков час­тично используются бактериями: аммиак - в конст­руктивном обмене в качестве источника азота, а орга­нические кислоты - в энергетическом метаболизме.

Благоприятными внешними условиями для аммо­нификации белков являются температура в пределах 20 - 30° С, достаточное количество воды, нейтральная или щелочная среда (рН 7 и выше).

Мочевина является продуктом жизнедеятельности многих грибов и животных. В чистом виде она труднодо­ступна корням растений. Аммонификаторы разлагают ее до аммиака, предоставляя растению удобную форму азот­ного питания. К уробактериям, осуществляющим аммо­нификацию мочевины, относятся Micrococcus urea, Sporosarcina urea, Bacillus pasteurii и др. Они вырабаты­вают специальный фермент уреазу и, выделяя его в среду, осуществляют рассматриваемый процесс. Аммонифика­ция мочевины состоит из двух этапов: сначала происходит гидролитическое дезаминиро­вание мочевины с образованием углекислого аммония:

CO(NH₂)2 + Н₂О → (NН₄)₂СО₃;

затем углекислый аммоний как вещество очень нестойкое распадается на аммиак, углекислоту и воду:

(NН₄)₂СО₃ → 2 NН₃ + СО₂ + Н₂О.

Образующийся аммиак частично участвует в кон­структивном обмене уробактерий, а в остальном попол­няет запасы доступного для растений азота в почве.

Очень сложным и трудно разлагаемым в почве азот­содержащим веществом является хитин. Он входит в состав клеточных стенок грибов, наружного скелета ра­кообразных и насекомых. В химическом отношении яв­ляется аналогом целлюлозы, лишь одна гидроксильная группа глюкозы заменяется группой СН₃-СО-NН-. Эле­ментарное звено молекулы этого азотсодержащего по­лисахарида представлено ацетилглюкозамином.

Возбудителями процесса аммонификации хитина являются бактерии из родов Bacillus, Pseudomonas, Achromobacter, а также плесневые грибы, главным образом из рода Aspergillus, и актиномицеты:

· на первом этапе с помощью эктоферментов мик­роорганизмы расщепляют хитин на его элементарные звенья - молекулы ацетилглюкозамина;

· ацетилглюкозамин уже на втором этапе распа­дается на глюкозу, уксусную кислоту и аммиак. Здесь, так же как и в предыдущих случаях, образующийся аммиак используется аммонификаторами и пополняет запасы азота в почве.

Наиболее активным возбудителем аммонификации нуклеиновых кислот является Bacillus megaterium:

· с участием синтезируемых бактериями вне­клеточных ферментов (рибонуклеаза и дезокси­рибонуклеаза) производится гидролиз ДНК и РНК до нуклеотидов;

· затем нуклеотиды распадаются до азотистых осно­ваний, сахара и фосфорной кислоты;

· азотистые основания усваиваются бактериями и внутри их клеток разлагаются до аммония, угле­кислоты, муравьиной, уксусной и молочной кислот. Образующийся аммоний используется в качестве источника азотного питания бактерии.

Процессам аммонификации подвергаются также гуминовые кислоты, мочевая кислота и некоторые другие вещества почвы. Образующийся в процессе аммонификации перечисленных азотсодержащих со­единений аммиак соединяется в почве с анионами и образует аммонийные соли - углекислые, сернокис­лые и др. После отмирания аммонифицирующих бак­терий азот их органических соединений под действи­ем живых аммонификаторов также пополняет почву аммонием.

Другим важным в биологическом круговороте азота процессом является нитрификация- окисление образующегося при аммонификации аммиака до азо­тистой и азотной кислоты. Осуществляют этот процесс бактерии из группы хемоавтотрофов.

Протекает процесс нитрификации в 2 этапа:

1. Аммиак окисляется до азотистой кислоты:

2NН₃+3О₂ → 2HNО₂ + 2Н₂О + энергия.

Этот этап осуществляют мелкие палочковидные бактерии со жгутиками из рода Nitrosomonas, а также представители родов Nitrosococcus и Nitrosospira.

2. Азотистая кислота окисляется до азотной кислоты:

2HNО₂ + О₂ → 2НNО₃ + энергия.

Окисление происходит благодаря деятельности бактерий из родов Nitrobacter и Nitrococcus.

Высвобождающаяся при окислении аммиака и нитратов энергия идет на хемосинтез - образование из СО₂ органического вещества, а также на некоторые другие процессы жизнедеятельности.

Азотная кислота, взаимодействуя с различными солями и щелочами почвы, образует нитраты - вто­рой прекрасный источник азотного питания растений. Кроме того, азотная кислота переводит нерастворимые фосфорные соединения почвы в легкодоступные для растений формы.

Нитрификации мы обязаны образованием залежей селитры. Такие залежи возникли в Средней Азии, на Памире, в Индии, Чили, в ряде районов Африки и других местах. Наиболее богатые месторождения се­литры приурочены к жаркому сухому климату и высоким горам. Особенно благоприятные условия нитри­фикаторы находят для себя на склонах гор.

Дождевые воды или воды вечных снегов и льдов смывают нитраты к подножию, вода здесь быстро ис­паряется, а нитраты накапливаются в виде больших залежей.

Нитрификация может происходить только при хорошей аэрации и нейтральной или слабощелочной реакции почвы. Достаточно активно процесс нитрифи­кации протекает в черноземных и некоторых других почвах. В большинстве лесных почв нитрификация отсутствует или проявляется весьма слабо.

Противоположным нитрификации процессом является денитрификация,при которой происходит восстановление нитратов до молекулярного азота. Про­межуточными веществами являются нитриты (NО₂^-), окись азота (NO) и закись азота (N₂О).

Возбудителями денитрификации являются факуль­тативно анаэробные бактерии из родов Pseudomonas, Micrococcus, в частности М. denitrificanas, и др. Про­цесс осуществляется ими с помощью соответствующих ферментов - редуктаз.

Общее уравнение процесса денитрификации выг­лядит так:

С₆Н₁₂О₆ + 4NО₃^- → 6СО₂ + 6Н₂О + 2N₂ + энергия.

Денитрификация происходит в условиях плотных и затопленных почв с плохой аэрацией и является весьма вредным процессом, так как образующийся молекулярный азот уходит в атмосферу и не использу­ется растениями. В практике лесного и сельского хо­зяйства нельзя допускать уплотнения пахотных или лесокультурных почв, а затапливаемые почвы следует осушать. В природных лесах необходимо проводить мероприятия по регулированию наплыва городского населения с тем, чтобы не уплотнять почву до предель­ных величин. При хорошей аэрации денитрификация прекращается, так как возбудители этого процесса переходят от анаэробного нитратного дыхания к обыч­ному аэробному дыханию, используя в качестве акцеп­тора электронов молекулярный кислород.

Особо важное место в биологическом круговороте веществ в природе занимает фиксация микроорганиз­мами атмосферного газообразного азота. Главное значение азотфиксации сводится к вовлечению инертного молекулярного азота атмосферы в биологический круговорот, к обогащению им почвы как среды обита­ния растений.

Микроорганизмы, способные фиксировать моле­кулярный азот, называются азотфиксирующими или азотфиксаторами. Среди них различают две большие группы: свободно живущие в почве азотфиксаторы и симбионты, осуществляющие этот процесс в симбиозе с растениями. К первой группе относятся Clostridium pasteurianum и некоторые другие представители рода Clostridium, Azotobacter, Beijerinckia, многие фото­трофные бактерии и цианобактерии.

Clostridiut pasteurianum - анаэробная палочка; в момент спорообразования принимающая вид веретена. Это возбудитель маслянокислого брожения. Энергия, высвобождающаяся в процессе брожения, используется этим микроорганизмом на фиксацию молекулярного азота и перевод его в состав органических веществ сво­его тела; на 1 г сбраживаемого сахара связывается 2­3 мг азота. Clostridium - строгий анаэроб, кислород является для него ядом. Вместе с тем эта бактерия широ­ко распространена во многих почвах, в том числе хоро­шо дренированных, с наличием больших количеств кис­лорода. Объяснение заключается в том, что данный вид поселяется внутри почвенных частичек, тогда как аэроб­ные микроорганизмы - на их поверхности. Последние, поглощая кислород, как бы фильтруют проходящий внутрь почвенного комочка воздух, лишая его кислорода.

Аэробный азотфиксатор Azotobacter chroococcum в молодых культурах представлен подвижными палоч­ками, затем жгутики утрачиваются, клетки становятся шаровидными, обычно соединенными по 2 - 3 и окру­женными слизистой капсулой. Энергию для азотфик­сации азотобактер черпает за счет обычного дыхатель­ного распада окисляемых веществ, что определяет и эффективность процесса: на 1 г расходуемого сахара фиксируется до 20 мг азота. Чистые культуры азото­бактера широко используются в качестве бактериального удобрения под названием азотобактерин.

Клубеньковые бактерии способны фиксировать азот атмосферы только в симбиозе с растениями. Бак­терии, живущие в клубеньках на корнях бобовых, от­носятся к роду Rhizobiuт. Название вида клубеньковых бактерий происходит от названия вида растений, с которыми бактерии сожительствуют. Например, если на клевере, то это будет R. trifolii, на белой акации ­R. robinii и т.д.

Клубеньковые бактерии живут в почве, но к фик­сации азота в таком состоянии не способны. Этот про­цесс они могут осуществлять лишь находясь в тесном симбиотическом сожительстве, так как для азотфикса­ции нужна энергия, поставляемая растением-хозяи­ном. Известно более 1300 видов бобовых растений, в корнях которых функционирует процесс азотфиксации с помощью клубеньковых бактерий. Последние пред­ставляют собой грамположительные палочки длиной всего лишь около 3 мкм. Бактерии заражают растение сразу же после прорастания семян бобовых растений, когда корень проростка проникает в почву.

Корневые волоски бобовых растений при сопри­косновении с клубеньковыми бактериями выделяют особые вещества - лектины белковой природы, а бак­терии - полисахариды. Под влиянием этих веществ между корневым волоском и бактериями происходит тесное взаимодействие. Корневой волосок изгибается, принимает форму ручки зонтика и начинает выделять полигалактуроназу. Этот фермент разрушает стенку своей клетки и открывает путь бактериям внутрь. Это начало пути инфекции. Бактерии в корневом волоске активно делятся, образуют инфекционную нить. Попа­дая в клетки коры корня, бактерии размножаются и изменяют форму: из палочек превращаются в клетки колбовидной формы - бактероиды. В дальнейшем под воздействием гормонов происходит активное деление корня с образованием клубенька.

Клубенек постепенно из белого превращается в розовый благодаря образованию леггемоглобина - ­белка очень сходного с гемоглобином крови животных. В этот момент устанавливается тесная функциональ­ная связь бактериального комплекса с корнем расте­ния, а весь комплекс представляет теперь собой азот­фиксирующую единицу.

Клубеньковые бактерии не только обеспечивают азотом себя, но и до 75 % зафиксированного ими азота отдают растению-хозяину. За один вегетационный пе­риод бобовые растения фиксируют от 100 до 400 кг азота на 1 га поля. В связи с этим урожаи зерновых, посеян­ных вслед за бобовыми растениями, удваиваются.

Клубеньковые бактерии: 1 – бактерии в почве; 2 – продольный разрез через корень и клубенек бобового растения; 3 – бактероиды в клетках корня

В симбиоз с азотфиксирующими микроорганизма­ми вступают не только бобовые, но и представители некоторых других семейств. Из древесных небобовых растений на корнях образуют клубеньки лох, облепи­ха, ольха. У них клубеньки формируют актиномицеты, относящиеся к роду Fraпkia. Они также способны фиксировать азот атмосферы. У некоторых древесных растений тропиков клубеньки образуются на листьях.

Механизм азотфиксации очень сложен. Наиболее трудным для азотфиксаторов является процесс разры­ва первой из трех связей в молекуле азота N = = N. На это идет большое количество энергии, а именно 941 кДж/моль.

Связывание молекулярного азота осуществляется с помощью нитрогеназы - ферментного комплекса, способного активировать N₂, а затем восстанавливать его. В состав нитрогеназы входят два белка: 1) азоферредоксин, содержащий железо; 2) молибдоферредоксин, содержащий два атома молибдена и 30 атомов­ железа. Биосинтез ферментного комплекса нитрогеназы осуществляется с участием особой плаз­миды, внехромосомной ДНК. Прежде чем начинается процесс фиксации, азот активируется молибденом нитрогеназы. Железо нитрогеназы используется в ка­честве переносчика электронов.

Источником водорода и электронов для восстанов­ления азота у большинства азотфиксаторов служит пировиноградная кислота. Электроны попарно пере­даются сначала на азоферредоксин, затем - на молиб­ден молибдоферредоксина и, наконец, на азот. В каче­стве промежуточных продуктов аэотфиксации образу­ются диимид (NH = NН) и гидразин (H₂N – NН₂). Вместе с тем они могут быть и тесно связанными с фермент­ным комплексом - нитрогеназой. Реакции идут в следующей последовательности:

Азот → диимид → гидразин → аммиак

На каждую из этих реакций расходуется 4 молеку­лы АТФ, а всего на фиксацию молекулы N₂ -12 АТФ. Источником АТФ является окислительное или фотосин­тетическое фосфорилирование.

Данный механизм азотфиксации характерен как для свободно живущих азотфиксирующих бактерий, так и для симбионтов. Образующийся NН₃ служит затем основным компонентом для синтеза аминокис­лот, образованию которых способствует наличие в теле азотфиксаторов большого набора органических кислот.

У клубеньковых бактерий леггемоглобин принимает участие в переносе кислорода для дыхания бактероида. Энергия для восстановления азота до аммиака поступает за счет макроэргов АТФ, образующегося в митохондриях клеток корня хозяина.

Биологический круговорот азота в природе, в ко­тором принимают участие растения, микроорганизмы и животные, складывается из следующих процессов:

1. растения усваивают соли аммония и нитраты, включая азот этих солей в свои органические ве­щества; они же усваивают часть азота, связанного клубеньковыми бактериями;

2. животные, поедая растения, переводят азот в со­став своих органических веществ;

3. после отмирания растений, животных и микроор­ганизмов трупные останки их разлагаются аммо­нификаторами с образованием минерального азо­та - аммония; часть NН₃ окисляется до нитратов в процессе нитрификации, вследствие чего проис­ходит накопление в почве нитратов;

4. определенная часть нитратов, обычно в неблагоп­риятных условиях аэрации, в процессе денитри­фикации восстанавливается до молекулярного азо­та N₂, который улетучивается в атмосферу; почва обедняется азотом;

5. свободноживущие и симбиотические азотфиксиру­ющие микроорганизмы связывают молекулярный азот, вовлекая его в биологический круговорот.

Схема биологического круговорота азота: 1 - фиксация азота свободноживущими микроорганизмами; 2 ­симбиотическая фиксация азота; 3 - прижизненные выделения азотсодержащих соединений, опад растений, трупные останки животных и микроорганизмов; 4 - усвоение растениями азота, связанного азотфиксаторами­-симбионтами; 5 - питание животных; 6 - аммонификация; 7 - усвоение растениями аммонийных солей; 8 - нитрификация; 9 - усвоение растениями нитратов; 10 - денитрификация; 11- вымывание NО₃^- из воды