Роль азота в питании растений. Превращение азота в растении

Как химический элемент азот был открыт Резерфордом в 1722 г., но название ему дал А. Лавузье в 1777 г. Название происходит от греческого α – отрицательная частица – и zoo – жизнь – «не поддерживающий жизни», так как азот не поддерживает дыхания и горения. Позже было установлено, что азот – один из основных элементов, необходимых растениям. Он входит в состав аминокислот, всех простых и сложных белков, нуклеиновых кислот, играющих исключительно важную роль в обмене веществ в растениях, и передаче наследственных свойств. Азот содержится в хлорофилле, фосфатидах, алкалоидах, ферментах и во многих других органических веществах растительных клеток. Без азота рост и развитие растений невозможны.

Основными источниками азота для растений являются органические и минеральные удобрения, биологический азот, накапливаемый клубеньковыми бактериями и свободноживущими микроорганизмами, а также азот, поступающий с атмосферными осадками и семенами. Главные химические соединения, из которых растения усваивают азот – соли азотной кислоты (нитраты) и соли аммония. В естественных условиях растения потребляют нитрат-ион и катион аммония, находящиеся в почвенном растворе и в обменно-поглощенном почвенном коллоидами состоянии. Поступившие в растения минеральные формы азота проходят сложный цикл превращений, в конечном итоге включаясь в состав органических азотистых соединений – аминокислот, амидов и, наконец, белков.

Нитраты и нитриты (азотнокислые и азотистокислые соли и эфиры) не способны вступать в реакцию с кетогруппами органических карбоновых кислот, поэтому для образования аминокислот они восстанавливаются в тканях растений до аммиака. Если растения содержат достаточное количество углеводов, то нитраты восстанавливаются до аммиака еще в корнях. Процесс ферментативного восстановления нитратов, происходящий в растениях благодаря окислению углеводов, идет через ряд промежуточных соединений и катализируется несколькими ферментами:

HNО₃ → HNО₂ → (HNO)₂ → NН₂ОН → NН₃.

нитрат нитрит гипонитрит гидроксиламин аммиак

На первой стадии процесса нитраты под действием фермента нитратредуктазы восстанавливаются до нитритов:

HNО₃ +H₂ → HNО₂ + H₂О.

Далее при участии фермента нитритредуктазы нитрит восстанавливается до гипонитрита:

2HNО₂ +2H₂ → (HNO)₂ + 2H₂О.

Затем под действием фермента гипонитритредуктазы присоединяются еще два атома водорода и образуется гидроксиламин:

(HNO)₂ + 2H₂ → 2NH₂OH.

Последующее восстановление гидроксиламина при участии фермента гидроксиламинредуктазы приводит к образованию аммиака:

NH₂OH +H₂ → NH₃ +H₂O.

Ферменты, под влиянием которых нитраты восстанавливаются до аммиака, представляют собой металлофлавопротеиды. Для фермента, участвующего в восстановлении нитратов до нитритов, необходим молибден; для превращения нитрита в гипонитрит и гипонитрита в гидроксиламин – медь, железо и магний, а для перехода последнего в аммиак – марганец и магний. Из всех названных элементов особую роль в усилении процессов восстановления нитратов играет молибден.

Нитраты в растениях восстанавливаются по мере использования аммиака на синтез органических азотистых соединений. Нитратный азот способен накапливаться в растениях, не причиняя им вреда, в значительных количествах. Однако содержание нитратов в кормах, овощах и других продуктах растительного происхождения выше определенного уровня вредно для животных и человека.

В свободном виде аммиак содержится в высших растениях в незначительных количествах, чрезмерное его накопление, особенно при дефиците углеводов, ведет к отравлению растений.

Если же углеводов достаточно, аммиачный азот, поступивший в растения из почвы или образовавшийся при восстановлении нитратов, присоединяется к органическим кетокислотам – продуктам неполного окисления углеводов (щавелевоуксусной и кетоглутаровой или фумаровой), образуя первичные аминокислоты – аспарагиновую и глутаминовую:

+NH₃

СООН ∙ СО ∙ СН₂ ∙ СООН → СООН ∙ CH₂ ∙ CHNH₂ ∙ СООН

щавелевоуксусная кислота -Н₂О acпapaгиновая кислота

+NH₃

СООН ∙ СО ∙ СН₂ ∙ СН₂ ∙ СООН → СООН ∙ СН₂ ∙ CH₂ ∙ CHNH₂ ∙ СООН

кетоглутаровая кислота -Н₂О глутаминовая кислота

Этот процесс называется прямым аминированием и является основным способом образования аминокислот. Он указывает на тесную связь углеводного и белкового обменов. Все другие аминокислоты, входящие в состав белка (более 20), синтезируются переаминированием аспарагиновой и глутаминовой кислот и их амидов – аспарагина и глутамина, а также в результате других специфических реакций. В процессе переаминирования под воздействием соответствующих ферментов происходит перенос аминогрупп указанных и других аминокислот на другие кетокислоты.

Например, пировиноградная кислота, присоединяя аминную группу от аспарагиновой или глутаминовой кислоты, дает аланин. Глутаминовая и щавелевоуксусная кислоты в реакции переаминирования образуют аспарагиновую и α-кетоглутаровую кислоты.

1. СООН ∙ СН₂ ∙ CHNH₂ ∙ СООН + СН₃ ∙ СО ∙ СООН

аспарагиновая кислота пировиноградная кислота

→ СН₃ ∙ CHNH₂ ∙ СООН + СООН ∙ СН₂ ∙ СО ∙ СООН

аланин щавелевоуксусная кислота

_{аминотрансфераза}

2. СООН ∙ СН₂ ∙ СН₂ ∙ CHNH₂∙ СООН+ СООН ∙ СН₂ ∙ СО₂ ∙ СООН

глутаминовая кислота щавелевоуксусная кислота

СООН ∙ СО ∙ СН₂ ∙ СН₂ ∙ СООН + СООН ∙ СН₂ ∙CHNH₂ ∙ СООН

α-кетоглутаровая кислота аспарагиновая кислота

Переаминирование имеет большое значение для синтеза белков, а также для дезаминирования аминокислот. Дезаминирование – отщепление аминогруппы от аминокислоты, в результате чего образуется аммиак и кетокис-лота. Последняя перерабатывается растением в углеводы, жиры и другие вещества, а аммиак вновь используется для синтеза аминокислот.

Большое значение в азотном обмене принадлежит амидам – аспарагину и глутамину, которые образуются присоединением к аспарагиновой и глутаминовой кислотам еще по одной молекуле аммиака:

СООН ∙ СН₂ ∙ CHNH₂ ∙ СООН + NН₃ =

аспарагиновая кислота

= CОNH₂ ∙ СН₂ ∙CHNH₂ ∙ СООН + Н₂О

амид аспарагиновой кислоты (аспарагин)

Как показали исследования Д. Н. Прянишникова, благодаря образованию амидов обеззараживается аммиак, накопившийся в растениях при обильном аммиачном питании и недостатке в растениях углеводов. При недостатке углеводов и, следовательно, органических кислот (особенно при прорастании семян, имеющих малый запас углеводов, например сахарной свеклы) аммиачный азот не успевает использоваться на синтез аминокислот и накапливается в тканях, вызывая их «аммиачное отравление». Растения, репродуктивные органы которых содержат большое количество углеводов (например, картофель), быстро усваивают аммиачный азот и хорошо отзываются на внесение аммиачных удобрений.

Синтез белков, состоящих из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями, происходит с участием нуклеиновых кислот, являющихся матрицей, на которой фиксируются и соединяются аминокислоты в определенной последовательности с образованием разнообразных белковых молекул. Одновременно с синтезом в растениях происходит распад белков на аминокислоты (отщепление аммиака под действием протеолитических ферментов). В молодых растущих органах и растениях белков синтезируется больше, чем распадается; по мере старения, наоборот, расщепление идет быстрее, чем синтез. Таким образом, синтез органических веществ начинается с аммиака, а распад завершается его образованием. Как сказал Д. Н. Прянишников, «аммиак есть альфа и омега в обмене азотистых веществ в растениях».

Растения поглощают азот и синтезируют белки и другие органические азотистые вещества в течение всей вегетации, но интенсивность этих процессов в разные фазы роста и развития неодинакова.

При прорастании семян расщепляются запасные белки эндосперма или семядолей и продукты гидролиза используются для построения белков других органов растения. По мере формирования фотосинтезирующего листового аппарата и корневой системы питание растений и синтез белка происходят за счет минерального азота, поглощаемого из почвы. Наиболее интенсивно азот поглощается растениями при максимальном росте вегетативных органов – стеблей и листьев. Из стареющих частей растений, где преобладает распад белка, продукты гидролиза передвигаются в молодые растущие органы. При образовании репродуктивных органов белковые вещества вегетативных частей растения распадаются и продукты распада поступают в репродуктивные органы, где из них вновь синтезируются белки. Постепенно поглощение азота из почвы уменьшается, пока не прекращается вовсе.

Содержание азота сильно варьирует в разных растениях и органах одного и того же растения. Семена содержат больше азота, чем листья и стебли в конце вегетации. До 90 % азота входит в состав белков. Бобовые растения во всех органах содержат больше азота, чем злаковые.

При недостатке азота рост и развитие растений резко ухудшаются. Прежде и сильнее других органов страдают листья: они растут мелкие, светло-зеленого цвета, преждевременно желтеют, стебли становятся тонкими и слабо ветвятся. Ухудшается формирование репродуктивных органов и налив зерна. При нормальном азотном питании растения образуют мощные листья и стебли с интенсивной зеленой окраской, хорошо растут и кустятся, нормально формируют репродуктивные органы. В условиях избыточного азотного питания, особенно во второй половине вегетации, задерживается созревание растений, они формируют большую вегетативную массу, но мало зерна, клубней и корнеплодов. Увеличение содержания в них азотистых веществ отрицательно сказывается на хозяйственной ценности урожая. Например, при избыточном азотном питании в конце вегетации в корнях сахарной свеклы накапливается много небелковых азотных соединений, из-за чего снижается содержание сахара. Как отмечалось, при избыточном азотном питании в растениях накапливаются опасные для людей и животных количества нитратов.

Качество растениеводческой продукции зависит и от вида азотных соединений, усваиваемых растениями. При аммиачном (NH₄⁺) питании повышается восстановительная способность растительной клетки, больше образуется восстановленных органических соединений, при нитратном (NO₃^-) питании, наоборот, преобладает окислительная способность клеточного сока, больше образуется органических кислот. Д. Н. Прянишников и его ученики доказали, что аммиачный и нитратный азот при определенном сочетании внешних и внутренних условий могут быть равноценными источниками питания растений.

Усвоение растениями аммиачного и нитратного азота зависит от реакции среды, концентрации в почве сопутствующих катионов, анионов и зольных элементов (фосфора, серы, калия, микроэлементов), концентрации в почвенном растворе кальция, магния, аммонийных и нитратных солей, обеспеченности растений углеводами и биологических особенностей культуры. При нейтральной реакции аммиачные соли усваиваются растениями лучше, а при кислой – хуже, чем нитратные. При аммиачном питании положительно влияет на урожай повышенная концентрация в питательном субстрате кальция, магния и калия, а при нитратном питании важное значение имеет достаточное обеспечение растений фосфором и молибденом.

Отрицательное влияние избыточной концентрации аммиачного азота в растворе наиболее вероятно при внесении азотных удобрений в рядки при посеве. Поэтому для внесения одновременно с севом лучше использовать нитратные, а не аммиачные формы удобрений и вносить их небольшими дозами.

Содержание и форма соединений азота в почве и их превращение

Основная часть азота (94 – 95 %) находится в почве в виде сложных органических соединений. В пахотном слое (25 см) почв разных типов количество его колеблется в широких пределах – от 0,05 до 0,5 % и зависит от содержания в них органических веществ: больше азота в мощных черноземах, меньше – в бедных гумусом дерново-подзолистых почвах.

В пределах одной почвенной зоны количество азота в почвах также сильно различается в зависимости от их гранулометрического состава. В дерново-подзолистых песчаных почвах содержится в среднем 0,07–0,1 % азота, супесчаных – 0,08 – 0,13, суглинистых – 0,1– 0,16, глинистых – 0,1– 0,23, в торфяных – 2,5 – 5 %. Общие запасы азота в пахотном слое 1 га могут колебаться от 1,5 т (супесчаная дерново-подзолистая) до 4 т (суглинистая почва) и зависят от степени обеспеченности почв гумусом (табл. 5.1). Запасы азота в пахотном слое торфяных почв могут достигать 16 – 20 т/га.

5.1. Градация почв Беларуси по содержанию и запасам гумуса

Среди органических соединений азота его легкогидролизуемая фракция (амиды, часть аминов, часть необменного аммония) является в агрономическом отношении наиболее ценной, так как она является ближайшим резервом в питании растений. Запасы легкогидролизуемых соединений азота в пахотных почвах с повышением окультуренности повышаются. При окультуривании легких почв интенсивность аккумуляции фракции легкогидролизуемого азота опережает интенсивность накопления общего азота.

В суглинистых почвах содержание трудногидролизуемого азота (часть аминов, амиды, необменный аммоний, часть гуминов) значительно преобладает над содержанием легкогидролизуемого, а в песчаных почвах, наоборот.

Негидролизуемый азот (большая часть аминов, гумины, меланины, битумы, остаток необменного аммония) – фракция представленная более стойкими к гидролизу и микробиологическому разложению органическими азотсодержащими соединениями – составляет большую часть валовых запасов азота дерново-подзолистых почв (80 – 82 % в слое 0 – 40 см в суглинистых и супесчаных почвах и 70 – 75 % в песчаных). Закономерности распределения в почвенном профиле негидролизуемых соединений азота в целом совпадают с распределением общего азота.

Имеются определенные различия азотного фонда в дерново-подзолис-тых избыточно увлажняемых почвах, которых в Беларуси насчитывается более 1,8 млн. га. С увеличением гидроморфности почв содержание азота в них возрастает. Запасы общего азота в метровом слое временно избыточно увлажняемых почв возрастают по сравнению с автоморфными: в суглинистых – на 27, супесчаных – на 14, песчаных – на 11 %; в глееватых соответственно – на 111, 53 и 29 %. При этом с возрастанием степени гидроморфности почв доля минерального азота снижается, а легкогидролизуемого и трудногидролизуемого возрастает. Избыточно увлажняемые почвы в отличие от автоморфных содержат больше влаги и имеют более короткий благоприятный период для процессов нитрификации.

Однако снабжение сельскохозяйственных растений азотом зависит не от общего его количества в почве, а от содержания усваиваемых растениями минеральных соединений. Но только около 1 % азота почвы находится в легкоусвояемых минеральных формах (нитратной и обменного аммония).

Наряду с обменным аммонием в почве присутствует фиксированный аммоний, который не извлекается из почвы 1 М раствором КС1. В пахотном горизонте дерново-подзолистых почв его содержится от 20 до 60 мг в 1 кг почвы (в пересчете на N), т.е. на фиксированный аммоний приходится 2–5 % общего азота почвы. В почвах связного гранулометрического состава в нижних горизонтах почвенного профиля содержание фиксированного аммония составляет уже 12–20 % общего. Фиксация ионов NH₄⁺ обуславливается вхождением их в межпакетные промежутки кристаллической решетки почвенных глинистых минералов (вермикулита и др.) с последующим проникновением в гексагональные пустоты в сетке кислородных атомов тетраэдрических слоев. Часть фиксированного аммония может быть доступна растениям: та его фракция, которая не является структурным элементом решетки.

Таким образом, так как только 1 % азота содержится в легкоусвояемых формах, а остальная часть минерального азота (3–5 % общего) находится в фиксированной (недоступной) форме, то нормальное снабжение растений азотом зависит от скорости минерализации азотистых органических веществ. В общем виде разложение последних происходит так: белки, гуминовые вещества → аминокислоты, амиды → аммиак → нитриты → нитраты → молекулярный азот.

Процесс разложения органических азотсодержащих веществ почвы до аммиака называется аммонификацией. Он осуществляется многочисленными аэробными и анаэробными почвенными микроорганизмами, бактериями, ак-тиномицетами и плесневыми грибами. Они выделяют протеолитические ферменты, под воздействием которых белковые вещества распадаются до аминокислот. Последние легко усваиваются микроорганизмами и под действием ферментов микробных клеток (дезаминаз и дезамидаз) подвергаются дезаминированию и дезамидированию: от амино- и амидосоединений отщепляется аммиак и образуются различные органические кислоты, которые в свою очередь разлагаются до простейших соединений – СО₂, Н₂О, Н₂, СН₄. Выделившийся аммиак (NH₃) образует соли с соответствующими органическими и минеральными кислотами (угольной, азотной, муравьиной, уксусной и др.), которые также получаются при минерализации органического вещества почвы:

2NH₃ + Н₂СО₃ = (NH₄)₂CО₃,

NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃.

Аммоний поглощается почвенными коллоидами:

ППК) + (NH₄)₂CO₃ = ППК) + CaCO₃ .

^Са

Аммонификация происходит во всех почвах, при разной реакции среды, в присутствии воздуха и без него, но в анаэробных условиях при сильных кислой и щелочной реакциях резко замедляется. На скорость аммонификации влияют также температура и влажность почвы, другие факторы. В анаэробных (безкислородных) условиях азотистые органические вещества разлагаются до аммиака. В аэробных условиях соли аммония окисляются до нитратов.

Процесс нитрификации выполняется группой специфических аэробных бактерий, для которых окисление аммиака является источником энергии. С. В. Виноградским установлено, что в окислении аммиачных солей до азотистой кислоты (первая фаза) принимают участие бактерии рода Nitrosomonos, Nitrosocystis и Nitrosospira, а до азотной кислоты (вторая фаза) – бактерии рода Nitrobacter. Нитрификацию можно описать следующими уравнениями:

2NH₃ + О₂ = 2HNО₂ + 2H₂O (первая фаза)

2HNO₂ + О₂ = 2HNO₃ (вторая фаза).

Нитратная форма азота при соответствующих условиях может хорошо поглощаться растениями. Образовавшаяся в почве в результате нитрификации азотная кислота нейтрализуется бикарбонатом кальция или магния или поглощенными основаниями почвы:

2HNО₃ + Са(НСО₃)₂ = Ca(NO₃)₂ + 2Н₂СО₃

2HNО₃ + ППК) = ППК) + Ca(NО₃)₂.

^Са

Нитрификация протекает интенсивно при хорошем доступе воздуха, 60–70% -ной влажности почвы, температуре 25–32 ^оС и рН КС1 6,2–8,2. Ранней весной из-за низких температур и переувлажнения почвы эти процессы протекают медленно. По мере прогревания почвы количество нитратов увеличивается, летом оно бывает максимальным, а осенью снова убывает. Известкование кислых почв, систематическое внесение органических и минеральных удобрений способствуют активизации деятельности микроорганизмов и тем самым большей минерализации органического вещества с образованием усвояемых соединений азота.

Однако образующиеся в процессе нитрификации нитраты, будучи подвижными соединениями, могут вымываться из почвы, а также подвергаться денитрификации – образованию газообразных форм азота (NO, N₂O и N₂), в результате чего также теряется азот почвы. В денитрификации участвует обширная группа бактерий-денитрификаторов (Bact. denitrificas, Bact. stutzer, Bact. fluorescens и др.). Этот процесс идет особенно интенсивно, если почва имеет щелочную реакцию, содержит мало воздуха, но большое количество органического вещества с большим содержанием клетчатки. В восстановлении нитратов до нитритов участвует фермент нитратредуктаза, а в дальнейшем восстановлении нитритов – нитритредуктаза. Восстановление нитратов денитрифицирующими бактериями идет через ряд промежуточных этапов.

HNО₃ → HNО₂ → (HNO)₂ → N₂О → N₂.

нитрат нитрит гипонитрит закись азота молекулярный азот

Основными газообразными продуктами биологической денитрификации являются молекулярный азот и закись азота, улетучивающиеся из почвы. Кроме того, потери азота происходят из-за косвенной денитрификации или хемоденитрификации, т.е. из-за химического восстановления нитратов, образующихся в ходе нитрификации. В хемоденитрификации участие микроорганизмов ограничено разложением органического азотистого вещества до аминокислот, аммиака и азотистой кислоты. Вступая между собой в реакцию, эти соединения восстанавливают свой азот до молекулярного. Последний образуется также при химическом взаимодействии таких промежуточных продуктов окисления в процессе нитрификации, как гидроксиламин и азотистая кислота:

3NH₂OH + HNО₂ → 5H₂О + 2N₂.

Восстановление нитратов до NO, N₂O и N₂ возможно и при реакции их с почвенным органическим веществом, сохраняющим фенольные и хинонные группы, и при взаимодействии с ионами некоторых тяжелых металлов (Мn²⁺, Fe²⁺). Кроме того, азотистая кислота, будучи очень нестойкой, в кислых почвах (рН КС1 < 5) легко разлагается с образованием азотной кислоты и окиси азота (NO), а последняя улетучивается из почвы:

3HNO₂ → 2NO + HNО₃ + Н₂О.

Всего в результате денитрификации теряется от 15 до 30% азота, вносимого с удобрениями.

Как показали последние исследования, азот в газообразной форме теряется также при аммонификации и нитрификации.

Одновременно с минерализацией органического вещества, нитрификацией и денитрификацией в почве происходят обратные процессы – из минеральных вновь образуются органические соединения азота, неусваиваемые растениями. Микроорганизмы углеводы и азот переводят в белок плазмы своих тел. Схема трансформации азота в почве приведена на рис. 5.1. При отмирании и разложении микроорганизмов белковый азот частично снова переходит в минеральную форму (NH₃), а часть его в процессе гумификации микробного белка включается в состав образующихся в почве гумусовых веществ. Процессы мобилизации и иммобилизации азота протекают в почве одновременно. Их интенсивность и соотношение между ними в значительной степени определяют азотный режим почвы и условия азотного питания растений.

Рис. 5.1. Схема трансформации азота минеральных удобрений в почве.