Фіксація молекулярного азоту

Молекулярний азот можуть зв’язувати тільки деякі бактерії. Вони відновлюють його в доступну для інших організмів аміачну форму. Тому їх називають азотфіксаторами. Розрізняють вільноживучі та симбіотичні азотфіксувальні бактерії.

Вільноживучі азотфіксатори заселяють водойми та ґрунти і становлять велику групу мікроорганізмів різних видів. До них належать бактерії родів Clostridium i Azotobacter, фотосинтезуючі бактерії та мікобактерії, актиноміцети, синьо-зелені водорості (або ціанобактерії) та лишайники.

Усі вони за певних екологічних умов збагачують ґрунт зв’язаними формами азоту. Так, основним постачальником його на рисових полях і у водах Світового океану є синьо-зелені водорості. Первинний ґрунт збагачується азотом у результаті діяльності лишайників. На підзолистих і торф’яних ґрунтах головним азотонакопичувачем служать мікобактерії, оскільки діяльність інших азотфіксаторів тут пригнічується високою кислотністю.

Механізм біологічної фіксації поки що повністю не розкритий. Встановлено, що цей процес здійснюється за допомогою нітрогенази – особливого ферментного комплексу, який містить дві білкові фракції. Одна з них складається з азофередоксину, що містить негемінне залізо (4FeS), друга – із молібденофередоксину, до якої, крім негемінного заліза у вигляді кластерів FeS, входять два атоми Мо.

Джерелом необхідного для даного процесу відновника молекулярного азоту служить відновлений фередоксин (постачає ē), а джерелом енергії – АТФ, яка утворюється при бродінні (в анаеробних азотфіксаторів), або диханні (в аеробних). Активатором даної реакції є іони Mg²⁺.

У загальних рисах процес зв’язування молекулярного азоту відбувається так. Спочатку азофередоксин з участю АТФ і електронів змінює конфігурацію і відновлюється, а потім передає електрони на молібденофередоксин, який уже безпосередньо взаємодіє з молекулярним азотом і відновлює його до аміаку. Продуктивність зв’язування молекулярного азоту вільноживучими азотфіксаторами становить декілька десятків кілограмів азоту на гектар.

Азотфіксатори-симбіотики являють собою численну групу так званих бульбочкових бактерій (рід Rhisobium), що розвиваються на коренях бобових,а також багатьох деревних та кущових (чагарникових) порід. До групи симбіотичних азотфіксаторів також належать деякі актиноміцети і ціанобактерії. У вільному стані вони не фіксують азот; цю властивість отримують, лише вступивши у симбіоз із вищими рослинами. В даний час відомо близько 190 видів дерев та кущів різних родин, із якими зазначені мікроорганізми вступають у симбіотичні відносини. Вони проникають до клітин кореня через кореневі волоски за допомогою особливого слизистого тяжу, який полегшує просування до глибших шарів тканин.

Очевидно, ці бактерії виділяють якісь речовини типу гормонів, які стимулюють поділ клітин кореня й утворення потовщень (бульбочок). У клітинах бульбочок бактерії змінюються фізіологічно й морфологічно, отримують додаткову мембрану і перетворюються в так звані бактероїди.

1967 року Бергерсен із допомогою ізотопу азоту ¹⁵N встановив, що азотфіксацію здійснюють власне клітини бактероїдів. Важливу роль у процесі зв’язування азоту відіграють клітини кореневих волосків. Вони містять рожевий пігмент легоглобін, який, подібно до гемоглобіну, зв’язує кисень і постачає ним бактероїди, що залягають у глибині бульбочок.

Механізм біологічної фіксації молекулярного азоту бактеріями-симбіотиками принципово не відрізняється від механізму зв’язування азоту вільноживучими азотфіксаторами. Цей процес здійснюється аналогічним ферментним комплексом і вимагає затрати великої кількості енергії.

Бульбочкові бактерії мають багато рас, кожна з яких живе на коренях тільки одного чи декількох видів рослин. Від характеру раси залежить продуктивність азотфіксації. Найбільш активними азотонакопичувачами є симбіонти люцерни (дають приблизно 500-600 кг зв’язаного азоту на 1 га за рік), конюшини (300 кг/га), люпину (160 кг/га). Менш ефективні симбіонти гороху, квасолі, бобів (50-60 кг/га). Бульбочкові бактерії деревних порід зв’язують близько 100 кг азоту на 1 га за рік. У цілому продуктивність азотфіксації бульбочкових бактерій набагато вища, ніж у вільноживучих азотфіксаторів. Це пояснюють тим, що в результаті симбіозу з вищими рослинами бульбочкові бактерії краще забезпечуються субстратами дихання та іншими необхідними метаболітами.

Продуктивність азотфіксації залежить від характеру взаємовідносин між партнерами по симбіозу та від активності штаму. Ефективні штами на перших стадіях проникнення й утворення бульбочок виявляють щодо вищої рослини явний паразитизм. Вони використовують її метаболіти, не фіксуючи азот. У рослин з’являються ознаки пригнічення життєдіяльності. Однак із розростанням бульбочок і формуванням бактероїдів виникає та збільшується азотфіксувальна здатність бактерій і взаємовідносини партнерів набувають взаємовигідного характеру. До моменту цвітіння однолітніх бобових постачання бульбочок поживними речовинами знижується, бактероїди та клітини бульбочок лізують і фіксація атмосферного азоту припиняється.

Бульбочки багаторічних трав фіксують азот протягом декількох років, але до кінця кожного періоду вегетації частина їхніх клітин із бактероїдами деградує, тому інтенсивність азотфіксації також знижується.

При інфікуванні рослин неефективним штамом у бульбочках утворюється дуже мало легоглобіну і продуктивність азотфіксації практично дорівнює нулю. В таких випадках бактерії лише пригнічують ріст і розвиток вищої рослини. Тому в сільськогосподарській практиці насіння бобових культур спеціально інфікують бактеріальним препаратом нітрагіном, який містить високоефективний штам бульбочкових бактерій.

Біологічна фіксація молекулярного азоту відіграє в житті екосистеми виключно важливу роль. Велике значення азотфіксаторів у природних біогеоценозах, де різноманітні втрати азоту (вимивання солей, денітрифікація і т.д.) поповнюються головним чином за рахунок їхньої діяльності і лише частково – у результаті розкладу тваринних і рослинних рештків.

В агробіоценозах утрати азоту ще більші, оскільки тут значна його частина забирається разом із врожаєм. Наприклад, при врожаї картоплі 250-300 ц/га із ґрунту виноситься приблизно 200 кг азоту. Тому бобові є важливою складовою частиною будь-якої сівозміни. Однак значну частину втрат азоту доводиться поповнювати шляхом внесення органічних і мінеральних добрив.

· ДОБРИВА