Участь мікроорганізмів в кругобізі азотy в природі.

Процес зв'язування атмосферного азоту посідає важливе місце в системі великого кругообігу речовин і біологічної рівноваги на Землі. Азот є основним елементом, від якого значною мірою залежить доля урожаю сільськогосподарських культур, а тому проблема перетво­рення його мікроорганізмами привертає до себе велику увагу як вче­них, так і практиків сільськогосподарського виробництва. Адже од­нією з найгостріших глобальних проблем сьогодення є дефіцит кор­мового та харчового білків, основою яких є азот.

У природі постійно відбувається кругообіг азоту, в якому беруть участь рослини, тварини і мікроорганізми. 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.

Одним із основних шляхів перетворення азоту в ґрунті є гниття, або розклад білків мік­роорганізмами, який дістав назву процесу амоніфікації. Це складний багатофазо­вий процес, кінцеві результати якого залежать від будови й складу білка, умов, у яких відбувається розклад, і від збудників, що спричинюють його. Гниття білків починається з їхнього гідролізу під впливом протеолітичних ферментів, які ви­діляються мікроорганізмами в оточуюче середовище. Процесу амо ніфікації піддаються не тільки білки, а й їхні похідні — пептони, пеп­тиди, амінокислоти, а також нуклеїнові кислоти та їхні похідні — пу­ринові і піримідинові основи, сечовина, сечова кислота, складний азотовмісний цукор хітин і гумусові кислоти.

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 када- верин і путресцин.

Амоніфікацію білків зумовлюють різні види аеробних і анаероб­них мікроорганізмів. Особливо активними амоніфікаторами є пред­ставники роду Васillus (В. subtilis, В. сегеиs, В. mycoidaes), Рseudomonas (Р.fluorescens), Сlostridium (С. sporogenes, С. рutrificus), Ргоteus vulgaris та інші.

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

Розклад сечовини у Грунті зумовлює особлива група уробактерій. Найенергійнішими збудниками цього процесу є Micrococcus ureae, Sporosarcina ureae, Bacillus pasteurii.

Другим етапом перетворення азоту в ґрунті є нітрифікація. Аміак, який утворюється при розкладі органічних речовин у грунті, 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. Першу фазу нітрифікації здійснюють нітрозобактерії (Nitroso- monas, 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 Pseudomo- nas, Achromobacter, Corynebacterium, Nocardia, Bacillus тощо.

Нітрифікуючі бактерії переважно належать до типових хемоліто- трофів. 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.

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.

Крім прямої денітрифікації, в грунті може відбуватися і непряма. У цьому разі молекулярний азот виділяється внаслідок суто хімічних реакцій між азотистою кислотою і амінними або амідними сполу­ками: R - NH₂ + HN0₂ -> N₂ + R - OH + H₂0.

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

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.

Симбіотична фіксація азоту. Бульбочки утворюються тільки у представників родини бобових (Fabaceae). У різних рослин бульбоч­ки розрізняються тільки за формою і величиною. Утворюються вони після проникнення в кореневу систему бульбочкових бактерій.

Численні дослідження показали, що бульбочкові бактерії відріз­няються між собою, а тому рід Rhizobium треба розглядати як групу споріднених мікроорганізмів. У молодому віці ці бактерії рухливі, мають паличковидну форму, завдовжки від 1, 2 до 3 мкм, розміщення джгутиків в одних видів перетрихальне, в інших — субполярне. Буль­бочкові бактерії є грамнегативними, неспороносними аеробними організмами.

Вільноживучі азотфіксатори. Крім бульбочкових бактерій, у грунті є багато інших видів мікроорганізмів, які можуть засвоювати моле­кулярний азот атмосфери. В 1893 p. С. М. Виноградський вперше ви­ділив і вивчив вільноживучий азотфіксатор — анаеробну спороносну бактерію веретеноподібної форми, яку було названо на честь Л. Пас- тера — Clostridium pasteurianum.

Описано багато азотфіксаторів з роду Clostridium (C.buturicum, C.acetobutylicum, C.pectinovorum, C.felsineum, Cl.beijerinckii та ін.). Ці бактерії можуть використовувати різні джерела азоту: солі амонію і азотної кислоти, а також багато різних органічних азотовмісних сполук. Із вуглецевих сполук вони використовують моноцукри, ди- цукри, поліцукри, органічні кислоти тощо.

Енергійним фіксатором азоту серед цієї групи бактерій є Clost­ridium pasteurianum. Він може зв'язувати до 10—12 мг азоту на 1 г збродженого цукру.

Іншим дуже поширеним вільноживучим азотфіксатором є аероб­на, овальної форми, бактерія — Azotobacter chroococcum, відкрита у 1901 p. М. Бейєрінком. Розмір клітин азотобактера коливається в ме­жах 2-3 х 4—6 мкм. Він розмножується простим поділом з утворен­ням поперечної перегородки. Молоді клітини азотобактера рухливі, перетрихи з віком втрачають рухливість, набувають майже коковид- ної форми і покриваються товстим шаром слизу (капсулою). Іноді клітини азотобактера можуть бути вкритими товстою оболонкою і перетворюватися на цисти.

Серед представників азотобактера найґрунтовніше вивчено A.chroococcum, A.vinelandii, A.agilis, A.beijerinckii (рис. 57). Ці види різняться за формою і розмірами клітин, пігментацією колоній.

На відміну від клостридія азотобактер інтенсивніше зв'язує моле­кулярний азот. Активні культури азотобактера зв'язують 15—20 мг азоту на 1 г використаного цукру або іншої органічної речовини. Він не засвоює клітковини. Однак при наявності її в Грунті розмножу­ється більш інтенсивно, оскільки між целюлозорокладачами і азото­бактером існує явище метабіозу. Азотобактер потребує нейтрального середовища. В кислих ґрунтах він не розвивається.