АЗОТ В ЖИЗНИ РАСТЕНИЙ

Азотсодержащие соединения и их влияние на организмы

Среди органогенных элементов азот играет одну из важных ролей в жизни растений, несмотря на то, что в сухой массе растительных тканей его содержится всего 1–3%. Невысокая урожайность многих сельскохозяйственных культур чаще всего определяется недостатком именно азота. Для формирования урожая зерновых культур 2–3 т с одного гектара необходимо 150–200 кг азота в доступной для растений минеральной форме при общем содержании его в почве от 5 до 15 т на 1 га. При недостатке азота в среде обитания тормозится рост растений, ослабляется образование боковых побегов и кущение у злаков, наблюдается мелколистность.

Одно из ранних проявлений азотного дефицита – бледно-зеленая окраска листьев, вызванная ослаблением синтеза хлорофилла. Длительное азотное голодание ведет к гидролизу белков и разрушению хлорофилла прежде всего в нижних, более старых листьях и оттоку растворимых соединений азота к более молодым листьям. Вследствие разрушения хлорофилла окраска нижних листьев в зависимости от вида растения приобретает желтые, оранжевые или красные тона, а при сильно выраженном азотном дефиците возможно появление некрозов (омертвление). Азотное голодание приводит к сокращению периода вегетативного роста и более раннему созреванию семян. Вот почему вопрос об источниках азота для растений представляет большой интерес.

Растения потребляют в основном почвенный азот, причем даже в том случае, когда в почву вносятся высокие дозы минерального азота, т. к. это способствует минерализации органического вещества почвы. Например, растения кукурузы при среднем урожае зерна 35 ц/га и вегетативной массы 50 ц/га выносят с 1 га около 85 кг азота. Для грамотного ведения земледелия необходимо знать, каковы запасы азота в почве и какие превращения с ним происходят.

Общие запасы азота в пахотном слое зависят от типа почв. Они составляют (в т/га): в дерново-подзолистых –1,5–6, в черноземных – 6–15, в торфяных – 16–20, в песчаных и супесчаных – 0,9–2. Основная масса азота содержится в органическом веществе почвы, которое состоит из гумусовых и негумифицированных веществ растительного и животного происхождения. В одной тонне гумуса содержится от 30 до 60 кг азота. Лишь незначительная часть азота входит в состав неорганических соединений в нитратной и аммонийной формах, способной усваиваться растениями.

Для того чтобы сделать доступными для питания растений основные запасы азота в гумусе, необходимо разложить органическое вещество почвы. Этот процесс невозможен без участия различных микроорганизмов.

Процесс превращения органического азота почвы в NН₄⁺ носит название аммонификации. Он осуществляется гетеротрофными микроорганизмами (питаются готовыми органическими веществами) и схематически может быть представлен следующим образом:

органический азот почв ® RNН₂ + СО₂ + побочные продукты,
RNН₂ + Н₂О = NH₃ + RОН,
NН₃ + Н₂О = NH₄⁺ + ОH^–.

Биологическое окисление NН₃ или NH₄⁺ до NO₃^– называется нитрификацией.

Еще в 1870 г. Шлезинг и Мюнц доказали опытным путем биологическую природу нитрификации. Для этого они добавляли к сточным водам хлороформ, в результате чего прекращалось окисление аммиака. Основная заслуга в раскрытии механизма нитрификации и выделении осуществляющих этот процесс микроорганизмов принадлежит выдающемуся российскому микробиологу С.Н.Виноградскому. В 1889 г. он открыл бактерии нитрификации и определил две фазы этого процесса.

Бактерии первой фазы окисляют аммиак до азотистой кислоты:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O.

К ним относят бактерии следующих родов: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus, Nitrosospira. Из них наиболее изучен вид Nitrosomonas europaea. Клетки этого вида бактерий обычно овальные (0,6–1,0 ґ 0,9–2,0 мкм), размножаются бинарным делением (рис. 1). В процессе развития в жидкой среде наблюдаются подвижные формы, имеющие один или несколько жгутиков, и неподвижные формы, или зооглеи (колонии клеток, окруженные слизью).

Рис. 1. Микрофотографии Nitrosomonas europaea: фазовый контраст (слева) и тонкий срез клетки (справа)

В ходе второй фазы образовавшаяся азотистая кислота окисляется до азотной:

2HNO₂ + О₂ = 2НNO₃.

Среди бактерий, осуществляющих это превращение, различают три рода: Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Большая часть исследований проведена с разными штаммами Nitrobacter, многие из которых могут быть отнесены к виду Nitrobacter winogradskyi. Их клетки овально-грушевидной формы, внутри – чашеподобная структура из нескольких слоев; размножаются преимущественно почкованием, образующаяся дочерняя клетка подвижна, т. к. имеет жгутик (рис. 2).

Рис. 2. Микрофотографии Nitrobacter winogradskyi: фазовый контраст (слева) и тонкий срез клетки (справа)

Азотистая кислота в почве не накапливается, т. к. обе группы бактерий обычно функционируют последовательно. Ежегодно минерализуется 0,4–4 т/га органического вещества почвы, в основном гумуса. В результате образуется от 20 до 200 кг/га минерального азота. Таким образом, в почве накапливаются ионы NH₄⁺ и NO₃^–, азот которых доступен для усваивания растениями.

Ионы NH₄⁺ не слишком подвижны, хорошо адсорбируются анионами, трудно вымываются осадками, и поэтому в почвенном растворе их концентрация значительно выше, чем NO₃^–. В почвах, богатых глинистыми минералами, содержание азота в форме NH₄⁺ может достигать 2–3 т/га. В верхних слоях почвы фиксированный азот NH₄⁺ составляет 5–6% общего содержания азота в почве, в более глубоких слоях, где выше содержание глинистых частиц, – до 20% и более.

Анионы NO₃^–, напротив, подвижны, плохо фиксируются в почве, легко вымываются почвенными водами в более глубокие слои и водоемы. Содержание нитратов в почве особенно возрастает весной, когда создаются условия, благоприятствующие деятельности нитрифицирующих бактерий. Количество азота NO₃^– в почвенном растворе сильно варьируется в зависимости от скорости поглощения нитратов растениями, интенсивности микробиологических процессов и процессов вымывания.

Учитывая вышеприведенную характеристику нитрат-аниона, а также то, что бактерии-нитрификаторы окисляют не только аммонийный азот органического происхождения, но и NH₄⁺ удобрений, в сельском хозяйстве применяют ингибиторы нитрификации. Это химические вещества (нитропиридин, дидин, N-serve, АМ-этридиазол, АTS-этридиазол, ТХМП, АТГ), которые при внесении их в почву в небольших количествах (0,5–2% дозы азота в удобрении) избирательно подавляют жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий, осуществляющих первый этап нитрификации, т. е. окисление аммиака до нитрита. Это приводит к временному (в течение 30–60 дней) накоплению минерального азота в аммонийной форме. Кроме того, использование ингибиторов нитрификации снижает накопление нитратов в овощах и фруктах.

Запасы азота в воздухе огромны, они составляют 75,6% по массе или 78,09% по объему. Согласно подсчетам, эта величина достигает 4•10¹⁵ т молекулярного азота. Однако молекулярный азот сам по себе не усваивается высшими растениями. В природе существуют два пути превращения азота в доступную растениям форму: химическая и биологическая азотфиксация.

Химическое связывание N₂ в форме ионов NH₄⁺ и NO₃^– в небольшом количестве происходит при фотохимических процессах и электроразрядах в атмосфере. Количество связанного азота, попадающего при этом в почву с атмосферными осадками, невелико (от 1 до 30 кг/га в год).

Основная же масса азота, содержащегося в населяющих нашу планету организмах, своим происхождением обязана биологической азотфиксации и составляет около 17,2•10⁷ т в год, что в настоящее время в четыре раза превышает мировое промышленное производство аммиака.

К биологической азотфиксации способны как свободно живущие микроорганизмы (роды Azotobacter, Beijerinkia, некоторые штаммы Clostridium, фотосинтезирующие бактерии и вид цианобактерий Tolypothrix tenius), так и симбиотические с высшими растениями (роды Rhizobium, Franrkia, Nostoc).

Впервые анаэробная спороносная свободноживущая бактерия, способная к фиксации азота, была выделена Виноградским в 1893 г. и названа им в честь Луи Пастера – Clostridium pasteurianum. Для этой цели он поставил опыт в анаэробных условиях и взял среду, содержащую глюкозу и некоторые соли, но абсолютно не содержащую связанного азота ни в органической, ни в минеральной форме, что позволило развиваться в этой среде только тем бактериям, которые усваивают азот из воздуха.

Клетки Clostridium pasteurianum крупные, веретенообразные, длиной 2,5–7,5 мкм, шириной 0,7–1,3 мкм. Молодые клетки подвижны, имеют жгутики, плазма их гомогенна, при старении она становится гранулированной.

Позднее, в 1901 г., М.Бейеринк открыл другую свободноживущую бактерию Azotobacter chroococcum.

Свободноживущие азотфиксаторы – гетеротрофы, нуждающиеся в углеводном источнике питания, что связывает их поселение на корнях высших растений с микроорганизмами, способными разлагать целлюлозу и другие полисахариды. Сельскохозяйственное значение свободноживущих азотфиксаторов не столь велико. В умеренном климате ежегодная фиксация ими азота составляет, как правило, несколько килограммов на один гектар. Наибольший интерес для сельского хозяйства представляют клубеньковые бактерии рода Rhizobium, живущие в симбиозе с бобовыми растениями и фиксирующие в среднем от 100 до 400 кг/га азота в год.

Название рода бактерий происходит от двух греческих слов: rhizo – корень, bio – жизнь. Для клубеньковых бактерий характерно поразительное разнообразие форм – полиморфность. Молодые клубеньковые бактерии обычно палочковидные (0,5–0,9ґ1,2–3,0 мкм), подвижные, размножаются делением. Клетки этих бактерий, старея, меняют форму, утолщаются, ветвятся. Эта стадия их развития называется бактероидной (рис. 3).

Кроме бобовых растений известно примерно 250 видов других семейств, небобовых, также способных к симбиотической фиксации азота (ольха, облепиха, лох, восковница, лисохвост и др.).

Каким же образом происходит превращение молекулы азота в аммиачную форму? Молекула азота двухатомна, связь между атомами тройная, и поэтому энергия термической диссоциации молекулы N₂ велика (941,64 кДж/моль). Для разрыва этих связей, например при получении аммиака, требуется давление около 30 МПа, температура приблизительно 500 °С и катализатор, состоящий из Fe, активированного К₂О, Аl₂O₃, СаО и др.

Биологическая фиксация N₂ происходит при нормальных температуре и давлении благодаря высокой эффективности ферментативной системы данных микроорганизмов – нитрогеназе. Последняя состоит из Мо-Fe-белка (собственно нитрогеназа) и Fе-белка (редуктаза нитрогеназы). Активностью обладает лишь комплекс обоих компонентов.

Рис. 3. Растение красного клевера с клубеньковыми бактериями

Молекулярный азот связывается и восстанавливается на Мо-Fe-белке, а Fe-белок служит источником электронов для этого процесса. Процессу биологической азотфиксации также необходим постоянный приток энергии в форме АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Это обеспечивается благодаря дыханию и брожению, происходящим в микроорганизмах или в результате фотосинтеза (рис. 4).

Рис. 4. Биологическая фиксация азота

Например, Аzobасtеr для связывания 15 мг N₂ расходует на дыхание 1 г сахара, а Clostridium pasteurianum – 5–6 г. Симбиотрофные бактерии рода Rhizobium в качестве источников АТФ используют продукты фотосинтеза растения-хозяина, поступающие в корневую систему из листьев, причем эффективность использования энергетических субстратов у них значительно выше, чем у свободноживущих азотфиксаторов.

Учитывая высокую эффективность и экологическую безопасность биологической азотфиксации, микробиологами создан ряд уникальных бактериальных удобрений для сельскохозяйственных культур открытого и защищенного грунта: агрофил (для всех овощных культур, в том числе защищенного грунта), азоризин, ризоагрин, ризоэнтерин, флавобактерин (для овощей открытого грунта, сахарной свеклы, картофеля), лизорин (для картофеля, томатов) и др. Основным наполнителем (субстратом) этих бактериальных препаратов является простерилизованный торф влажностью 45–55%, со специальными органическими и минеральными добавками, обеспечивающими оптимальные условия для роста и размножения определенного штамма бактерий. В 1 г такого препарата содержится 5–10 млрд клеток активного штамма бактерий.

При обработке семян, клубней или рассады (причем расход препарата на один гектар невелик, например, для обработки клубней картофеля достаточно всего 900 г) происходит быстрое увеличение численности нанесенных бактерий. При благоприятных условиях этот прием может заменить действие 40–70 кг минерального азота на гектаре посева, что позволяет вносить меньше минерального азота и тем самым снизить загрязнение окружающей среды оксидами азота, а растительной продукции – нитратами.

Последними исследованиями генной инженерии установлены структура и локализация генов азотфиксации, осуществлен их перенос из азотфиксирующей бактерии в кишечную палочку, у которой после этого появляется способность к азотфиксации. Разработки в этой области направлены на поиск возможностей переноса генов азотфиксации высшим растениям, что позволило бы избавиться от применения азотных удобрений.

Л и т е р а т у р а

Химическая энциклопедия. В 5 т. М.: Советская энциклопедия, 1998, т. 1.
Основы биохимии. Под ред. А.А.Анисимова. М.: Высшая школа, 1986.
Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высшая школа, 1989.
Жизнь растений. В 6 т. М.: Советская энциклопедия, 1974, т. 1.
Генкель П.А. Микробиология с основами вирусологии. М.: Просвещение, 1974.