Участь мікроорганізмів в кругообігу азоту

ервинними продуктами гідролізу білків є пептони і пептиди, які далі розщеплюються до кінцевих продуктів гідролізу -- амінокислот, останні використовуються мікробами або перетворюються ними на аміак і інші сполуки залежно від природи самих амінокислот і ферментів мікроорганізмів. Перетворення амінокислот найчастіше відбувається через дезамінування. Наприклад, гідролітичне дезамінування супроводжується утворенням оксикислот і аміаку:

R - CHNH2COOH + Н2О > R - СНОНСООН + NH3.

Після дезамінування вуглецевий залишок перетворюється мікробами в аеробних або анаеробних умовах до утворення СО2 і різних органічних сполук. В аеробних умовах продукти розкладу білків повністю мінералізуються, утворюються СО2, Н2О, NH3, H2S, H2. В анаеробних умовах повної мінералізації проміжних продуктів розкладу амінокислот не відбувається. У цьому випадку поряд з СО2 і NH3 нагромаджуються різні органічні кислоти, спирти, аміни тощо.

При розкладі амінокислот ароматичного ряду утворюються проміжні продукти: фенол, крезол, скатол, індол, які мають дуже неприємний запах. Сірководень та його похідні -- меркаптани -- утворюються під час гідролізу сірковмісних амінокислот.

При амоніфікації білків в анаеробних умовах можуть утворюватися і токсичні речовини, наприклад діаміни, до яких належать кадаверин і путресцин.

Амоніфікацію білків зумовлюють різні види аеробних і анаеробних мікроорганізмів. Особливо активними амоніфікаторами є представники роду Bacillus (В. subtilis, В. cereus, В. mycoides), Pseudomonas (P. fluorescens, P. aeruginosa), Clostridium (C. sporogenes, C. putrificus), Proteus vulgaris та інші.

Разом з бактеріями активну участь в амоніфікації білкових речовин беруть ґрунтові гриби й актиноміцети -- Aspergillus, Penicillium, Mucor, Trichoderma, Cladosporium тощо. Оскільки амоніфікацію білків спричиняють різні групи мікроорганізмів, то вона може відбуватися в широкому інтервалі кислотності.

Рис. 4. Найпоширеніші спороносні бактерії-амоніфікатори та їхні колонії:

І -- палички; II -- колонії (1 -- В. megaterium; 2 -- В. subtilis; 3 -- В. mycoides; 4 -- В. mesentericus)

Амоніфікація гумусових сполук -- процес дуже повільний. Наприклад, у помірному кліматі протягом року розкладається приблизно 1--3% загального запасу ґрунтового гумусу. Амоніфікацію гумінових речовин мікробами можна зобразити такою спрощеною схемою: гумінові речовини + О2 > СО2 + Н2О +NH3. У цьому важливому процесі беруть участь аеробні і анаеробні мікроорганізми (рис. 4).

Розклад нуклеїнових кислот. Під впливом ферментів рибонуклеази і дезоксирибонуклеази, які синтезуються деякими видами грибів, актиноміцетів і бактерій, нуклеїнові кислоти розкладаються до мононуклеотидів. Останні під дією нуклеотидів розщеплюються на фосфорну кислоту, цукор, пуринові і піримідинові основи.

Далі, залежно від типу обміну речовин мікроорганізмів, цукор може окислюватися до кінцевих продуктів СО2, Н2О або піддаватися процесу бродіння з утворенням відповідних органічних речовин.

Азотовмісні основи розкладаються спочатку до сечовини і амінокислот, а далі до аміаку і органічних кислот.

Гідроліз сечовини. До поширених у природі азотовмісних сполук належать також сечовина, сечова і гіпурова кислоти, які містяться в сечі людини і тварин. Сечовина може синтезуватись також грибами. Наприклад, у шампіньйонів до 13 % сухої маси припадає на сечовину. Розклад сечовини у ґрунті зумовлює особлива група уробактерій. Найенергійнішими збудниками цього процесу є Micrococcus ureae, Sporosarcina ureae, Bacillus pasteurii (рис. 5).

Рис. 5. Уробактерії:

A -- Bacillus pasteurii; В -- Sporosarcina ureae

Уробактерії здебільшого належать до аеробів, добре розвиваються при рН = 9. Виділяючи фермент уреазу, ці бактерії перетворюють сечовину на аміак і вуглекислий газ. Фізіологічний смисл розкладу сечовини зводиться до переведення амінної форми азоту в аміачну, яка легше засвоюється рослинами.

2.2 Процеси нітрифікації
Другим етапом перетворення азоту в ґрунті є нітрифікація. Аміак, який утворюється при розкладі органічних речовин у ґрунті, воді та інших середовищах, досить швидко окислюється до азотистої, а потім азотної кислот. Цей процес і дістав назву нітрифікації. У 1890-1892 pp. С.М.Виноградський, застосувавши розроблену ним методику елективних культур, виділив чисту культуру бактерій цього процесу.

До дослідів С. М. Виноградського припускалось, що причиною нітрифікації є один вид мікроорганізмів, які окислюють амонійні сполуки до нітратів. Проте працями С. М. Виноградського було доведено, що цей процес є результатом послідовної дії двох груп мікроорганізмів і відбувається він у дві фази, а саме: спочатку амонійні сполуки окислюються першою групою бактерій до азотистої кислоти, яка другою групою бактерій окислюється до азотної:

NH4 + 1/2О2 = NO2 + H2O+2H+;

NO2+1/2O2 = NO3-.

Першу фазу нітрифікації здійснюють нітрозобактерії (Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus, Nitrosospira, Nitrosovibrio). У другій фазі нітрифікації азотисту кислоту окислюють Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Найкраще серед нітрифікаторів вивчено Nitrobacter winogradskyi, однак описано й інші види збудників цього процесу, серед деяких є навіть гетеротрофні представники з родів Pseudomonas, Achromobacter, Corynebacterium, Nocardia, Bacillus тощо.

Нітрифікуючі бактерії переважно належать до типових хемолітотрофів. Між ними існують метаболітичні взаємовідносини. Саме етапність процесу нітрифікації є характерною рисою таких взаємовідносин між мікроорганізмами. Метабіоз існує також між нітрифікуючими і гнильними (амоніфікуючими) бактеріями. Як уже зазначалось, у нітрифікуючих та інших хемолітотрофних бактерій С.М.Виноградським було відкрито процес хемосинтезу.

Вважають, що великі поклади селітри в деяких країнах -- результат процесів нітрифікації, які відбувалися на нашій планеті протягом мільйонів років.

У різних ґрунтах інтенсивність процесів нітрифікації є різною. Чим багатший ґрунт, тим більше може нагромаджуватися азотної кислоти. Проте не слід забувати, що солі азотної кислоти (нітрати), на відміну від амонійних (іон амонію поглинається ґрунтовим комплексом), можуть легко вимиватися з ґрунту, а це істотно впливає на зниження коефіцієнта використання нітратів рослинами.

Крім того, в самій рослині нітрати повинні відновитися, щоб рослина змогла використати їх у процесах біосинтезу, а для цього потрібна енергія; амоній може використовуватися рослинами й безпосередньо. Все це змушує дослідників вирішувати питання про штучне зниження інтенсивності процесу нітрифікації завдяки використанню специфічних інгібіторів.

2.3 Денітрифікація
Нітрати, які утворюються в ґрунті, використовуються не тільки рослинами, а й окремими видами мікроорганізмів.

Особлива роль при цьому належить групі мікробів, які можуть відновлювати нітрати до молекулярного азоту; цей процес називається денітрифікацією. Він спричиняється до істотних втрат із ґрунту доступних для рослин форм азоту.

Розрізняють пряму і непряму денітрифікацію. Пряма -- це процес відновлення нітратів, безпосередньо пов'язаний із життєдіяльністю денітрифікуючих бактерій. Вона буває двох типів -- асиміляторна і дисиміляторна. При асиміляторній денітрифікації нітрати відновлюються до аміаку, який використовується як джерело азоту для побудови тіла мікробів. У дисиміляторній денітрифікації нітрати використовуються як окислювачі органічних речовин замість молекулярного кисню, що забезпечує мікроорганізми потрібною енергією (див. нітратне дихання). Здатність до дисиміляторної денітрифікації мають тільки специфічні аеробні бактерії.

Збудниками прямої асиміляторної денітрифікації є представники родів Pseudomonas, Paracoccus (Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas stutzeri, Paracoccus denitrificans). Денітрифікацію можуть зумовити і термофільні бактерії з роду Bacillus.

Денітрифікуючі бактерії використовують нітрати як акцептор водню при відсутності О2 для окислення органічних речовин. У присутності нітратів денітрифікатори ростуть анаеробно, а без них -- аеробно.

Відновлювати нітрати можуть також деякі хемолітоавтотрофи, зокрема Thiobacillus denitrificans, яка розмножується в анаеробних умовах і є сіркоокислюючою бактерією.

Початковий етап відновлення нітратів при дисиміляторній денітрифікації каталізується ферментом нітратредуктазою, який утворюється в мікробній клітині під впливом нітратів тільки в анаеробних умовах.

Крім прямої денітрифікації, в ґрунті може відбуватися і непряма. У цьому разі молекулярний азот виділяється внаслідок суто хімічних реакцій між азотистою кислотою і амінними або амідними сполуками:

R - NH2 + HNO2 = N2 + R - OH + H2O.

Денітрифікація збіднює ґрунт на мінеральні форми азоту. Особливо помітні втрати азоту в процесі денітрифікації спостерігаються, зокрема, в перезволожених ґрунтах.

Запаси газоподібного азоту в атмосфері величезні: над кожним квадратним кілометром земної поверхні в повітрі міститься близько 8 млн т азоту. Проте цей азот ні для рослин, ні для тварин недоступний. Лише деякі мікроорганізми, які вільно живуть у ґрунті або перебувають у симбіозі з рослинами, можуть засвоювати азот безпосередньо з повітря і будувати з нього білкові сполуки свого тіла.

Процеси зв'язування молекулярного азоту атмосфери мікроорганізмами мають винятково велике значення в азотному балансі ґрунту, підвищуючи значною мірою його родючість.

2.4 Шляхи фіксації азоту
Відомо два основних природних шляхи зв'язування молекулярного азоту -- фізико-хімічний і біологічний. Перший пов'язаний з впливом на молекулярний азот електричних розрядів, які бувають під час грози. Кількість зв'язаного таким чином азоту незначна і не відіграє великої ролі в живленні рослин.

Другий шлях фіксації молекулярного азоту пов'язаний з життєдіяльністю мікроорганізмів, що належать до двох груп: мікроби, які перебувають у симбіозі з рослинами, та азотфіксатори, що вільно живуть у ґрунті та воді.

Відомо, що вирощування бобових рослин підвищує родючість виснажених ґрунтів. Першу спробу з'ясувати причину цього зробив у 1838 р. французький агрохімік Ж.Бусенго. У своїх дослідах з конюшиною і горохом, добрий урожай яких було вирощено при невеликій кількості азоту в піщаному ґрунті, він припустив, що висока врожайність бобових рослин пов'язана з їхньою здатністю асимілювати атмосферний азот. При повторному досліді у 1858 р. Ж.Бусенго дістав протилежні наслідки, цього разу він прожарював пісок і поливав рослини тільки дистильованою водою, бажаючи видалити сліди азотних сполук. Проте Ж.Бусенго не здогадувався, що так він знищує мікроорганізми в піску.

Тільки через 30 років німецькі дослідники Г.Гельрігель і Г.Вільфарт розкрили причину невдачі цього видатного вченого. їм вдалося довести, що бобові рослини, посіяні в прожарений пісок (де вбито всіх мікробів), не утворюють бульбочок на коренях і не можуть фіксувати молекулярний азот атмосфери. Тоді вже було відомо, що в бульбочках на коренях бобових рослин міститься дуже багато бактерій.

Ще в 1858 р. І.Лахман, а дещо пізніше М.С.Воронін, незалежно один від одного, відкрили наявність мікробних клітин у бульбочкахбобових рослин. У 1888 р. голландський мікробіолог М. Бейєрінк вперше виділив у чистій культурі бактерії з бульбочок гороху, квасолі, вики та інших культур.

РОЗДІЛ 3. ВИКОРИСТАННЯ БАКТЕРІАЛЬНИХ ПРЕПАРАТІВ В СІЛЬСЬКОМУ ГОСПОДАРСТВІ
Поряд з іншими добривами в агровиробництві широко використовують бактеріальні препарати, виготовлені на культурах відповідних бактерій. Думка про використання бульбочкових бактерій для посилення фіксації N2 виникла після того, як М.Бейєрінку (1888) вдалося виділити чисту культуру цих бактерій з бобових рослин. Вперше препарат бульбочкових бактерій під назвою нітрагін було виготовлено в 1896 р. Ґрунтовий нітрагін -- це розмножена культура бульбочкових бактерій на стерильному ґрунті.

Масове виготовлення цього бактеріального добрива в нашій країні почалося з 1929 р. Нині нітрагін випускають у двох формах -- нітрагін сухий (ризорбін) та нітрагін торфовий (ризоторфін).

Багаторічна практика використання цього бактеріального добрива як в Україні, так і за кордоном свідчить про значну його ефективність. При цьому слід зазначити, що застосування нітрагіну веде не тільки до збільшення врожаю бобових рослин (пересічно на 10--15 %), а й до поліпшення їхньої якості, оскільки в оброблених рослинах виявлено помітне збільшення вмісту білка і вітамінів.

Вдаються й до інших видів бактеріального добрива. На пропозицію С.П.Костичева, ще в 30-х роках почали застосовувати препарати для удобрення ґрунту, які містили культуру Azotobacter chroo-coccum.

Виробництво азотобактерину ґрунтується на розмноженні чистої культури азотобактера і змішуванні її з будь-яким субстратом (ґрунтом, торфом, агаром тощо). Азотобактерин використовують для підвищення врожайності зернових, технічних, овочевих та інших культур. У ґрунт його вносять разом з посівним матеріалом. Дія азотобактерину ґрунтується на використанні властивостей азотобактера,який крім фіксації молекулярного азоту може виробляти фізіологічно активні речовини, які стимулюють ріст рослин і цим сприяють підвищенню їхньої продуктивності. Середній приріст врожаю від застосування азотобактерину становить близько 10 %.

Ризоагрин -- екологічно безпечний препарат асоціативних азот-фіксаторів, призначений для обробки насіння озимої пшениці та рису.

Екологічно чистий агрофіл використовують для підвищення врожайності овочевих культур, а біодобриво бамім -- під картоплю і багаторічні трави. Для розкладання пестицидів і стимуляції росту рослин застосовують бактеріальний препарат агрофор.

Рівень ефективності застосування того чи іншого препарату залежить від реакції виду чи навіть сорту рослин на інокуляцію і від умов вирощування культури. Тому додержання рекомендацій з технології вирощування рослин із застосуванням препаратів є запорукою одержання очікуваних результатів. Враховуючи те, що біопрепарати мають низькі ціни, застосування мікробіологічних препаратів при вирощуванні овочевих культур та зменшення при цьому доз мінеральних добрив веде до зростання економічної ефективності одержання овочів. Незначне зростання затрат дозволяє знизити собівартість продукції, а рівень рентабельності одержання помідорів сорту Шанс підвищується на 6% при обробці біопрепаратом ФМБ 32- 3 і на 8% -- препаратом БСП відносно контролю без використання біопрепаратів. Показники економічної ефективності застосування біопрепаратів при вирощуванні капусти білоголової ранньої більш вагомі, що пояснюється особливостями культури, зокрема її одноразовим збиранням. Рівень рентабельності одержання капусти сорту Дітмаршер фрюер при застосуванні біопрепарату ФМБ 32- 3 зростає на 19%, а при обробці БСП -- на 35% відносно технології без внесення біопрепаратів.

ВИСНОВКИ
У природі постійно відбувається кругообіг азоту, в якому беруть участь рослини, тварини і мікроорганізми. Це досить складний процес.

Деяка частина атмосферного азоту зв'язується вільноживучими і симбіотичними мікроорганізмами. Цей процес збагачує ґрунт і рослини азотом. Органічні рештки рослинних і тваринних організмів, які потрапляють у ґрунт, розкладаються (мінералізуються) амоніфікуючими мікробами і перетворюються на амонійні сполуки -- аміак та інші.

Амонійна форма азоту в ґрунті далі окислюється нітрифікуючими бактеріями і перетворюється на сполуки азотистої і азотної кислот (нітрити і нітрати). За певних умов нітрати і нітрити під впливом денітрифікуючих бактерій можуть відновлюватися до молекулярного азоту (денітрифікація), в результаті чого зберігається відносна рівновага між вмістом молекулярного азоту в атмосфері і зв'язаним азотом ґрунту, рослин і тварин.

Отже, коли зіставити кількість амонійного, нітритного і нітратного азоту, який потрапляє в ґрунт у результаті фотохімічних процесів і електричних розрядів в атмосфері, з тією кількістю, що вноситься в ґрунт завдяки його фіксації мікроорганізмами, то стає зрозумілою виняткова важливість цього процесу на нашій планеті. Адже загальна продуктивність мікробної фіксації азоту становить від 270 до 330 млн. т на рік.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Атабеков И.Г. Практикум по общей вирусологии. -- М.: Из-во Московского университета, 1981. -- 191 с.

2. Білявський Г.О., Падун М.М., Фурдуй Р.С. Основи загальної екології. -- К: Либідь, 1993. -- 303 с.

3. Бойко А Л. Экология вирусов растений. -- К.: Вища шк., 1990. -- 165 с.

4. Бондаренко Н. В. Биологическая защита растений. -- М.: Агропромиздат, 1987.-278 с.

5. Борьба с вирусными болезнями растений. / Под ред. Х.Кеглер. М.: Агропромиздат. -- 1986. -- 326 с.

6. Будзанівська І.Г., Поліщук В.П., Тивончук Т.П., Бойко А.Л. Зв'язок між наявністю антигенів фітовірусів в грунті, структурою грунтів та екологічним станом зовнішнього середовища // Вісник аграрної науки. -- 1998. -- №9. -- С 61-63.

7. Вавилов Н.И. Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям. - М: Наука, 1986. -- 520 с.

8. Векірчик К.М. Практикум з мікробіології: Навч. посібник. - К.: Либідь, 2001. - 144 с.

9. Вершигора А.Ю., Бранцевич Л.Г., Василевская И.А. и др. Общая микробиология. -- К.: Вища шк. Головное изд-во, 1988. -- 342 с.

10. Вирощування екологічно чистої продукції рослинництва. /Под ред. Дегодюка Е.Г. -- К.: Урожай, 1992. -- 318 с.

11. Віруси і вірусні хвороби бобових культур на Україні. / Московець СМ., Краев В.Г., Порембська Н.Б. та ін. -- К.: Наукова думка 1971.-- 136 с.

12. Вірусні та мікоплазмові хвороби польових культур. / Під ред. Ж.П.Шевченко. -- К.: Урожай, 1995. -- 304 с

13. Вірусні хвороби сільськогосподарських культур/ Московець С.Н., Бобирь А.Д., Глушак Л.Е. / Під ред. Бобиря А.Д. -- К.: Урожай, 1975. -- С.72-80.

14. Власов Ю.И. Вирусные и микоплазменые болезни растений. -- М.: Колос, 1992. -- 207 с.

15. Власов Ю.И., Ларина Э.И. Сельскохозяйственная вирусология. -- М.: Колос, 1982. -- С. 150-156.

16. Генкель Л. А. Микробиология с основами вирусологии. -- М.: Просвещение, 1974. -- 270 с.

17. Гиббс А., Харрисон Б. Основы вирусологии растений: Пер. с англ. -- М.: Мир, 1978. -- 430 с.

18. Гнутова Р.В. Серология и иммунохимия вирусов растений. -- М.: Наука, 1993. -- 300 с.

19. Груздева Л.П., Яекин А.А. Почвоведение с основами геоботаники. -- М.: Агропромиздат, 1991. -- 448 с.

20. Гусев М. В., Минова Л. А. Микробиология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1992. - 448 с.

21. Ижевский С. С, Гулий В. В. Словарь по биологической защите растений. -- М.: Россельхозиздат, 1986.-- 223 с.

22. Максимов Н.А. Краткий курс физиологии растений, 1958

23. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. - М.: Агропромиздат, 1987. - 368 с.

Страницы: 1, 2

В соцсетях