Азотфіксуючі бактерії

Аміак, уввібраний рослиною у вигляді амонійних  солей або утворений у ній  в результаті відновлення нітратів, вступаючи в реакцію з кетокислотами, утворює амінокислоти. На важливість цієї реакції вказував ще С.П.Костичев, який писав, що в рослині пряме амінування кетокислот аміаком – це загальний спосіб первинної побудови всіх амінокислот. Справді цей шлях синтезу амінокислот. Справді, цей шлях синтезу амінокислот є основним, і, очевидно, таким способом у рослині синтезуються всі амінокислоти. Так, наприклад, синтезується аланін з аміаку, піровиноградної кислоти і водню під дією відповідної ферметивної систем [ 13, 255]:

NH₃ + CH₃COCOOH  + 2H        CH3CHNH₂COOH + H₂O

Особливо легко  аміак реагує з щавлеоцтовою і α-кетоглютаровою кислотами:

1. HOОC ^. COCH₂COOH + NH₃ + 2H

 ^{щавлевооцтова кислота}

                     HOОC ^. CH₂CHNH₂ ^. СООH + H₂O

                      ^{аспарагінова кислота} 

2. HOОC ^. CH₂CH2CO ^. СООH + NH₃ + 2H

 ^{α-кетоглютарова кислота}

                                    HOОC ^. CH₂CH₂CHNH₂ ^. СООH + H₂O

                                      ^{глютамінова кислота}

Піровиноградна, щавлеоцтова і α-кетоглютарова кислоти є найважливішими продуктами перетворення вугеводів у організмі рослин і тварин. Тому реакція утворення амінокислот прямим амінуванням кетокисло аміаком має велике значення як шлях, що дійсно з'язує між собою обмін вуглеводів, з одного боку, і обмін амінокислот і білків, з другого.

Цей тісний зв'язок ще визначається й тим, що дикарбонові  амінокислоти можуть передавати свої амінні групи кетокислотам за допомогою ферментативного пере амінування. Дана реакція полягає в міжмолекулярному перенесенні аміногрупи з амінокислоти на кетокислоту, каталізуєься ферментом, який називається аміноферазою. Обов'язковою умовою дії аміноферази є участь у реакції амінокислоти і кетокислот.

Білкові сполуки  в рослині синтезуються за таких  умов:  при забезпеченні сполуками  азоту, що йдуть на побудову білка; при  забезпеченні вуглеводами; при високій  інтенсивності аеробного дихання; при високій кількості нуклеотидів.

Застосовує  на увагу питання про те, де саме в рослинні синтезуються білкові  речовини. Цей процес може відбуватися  у кожній живій клітині як на світлі, так і в темряві. Проте найновіші  дослідження свідчать про те, що сонячна радіація підсилює синтез білкових речовин. Вважають, що ця радіація є джерелом енергії для активації молекул, що взаємодіють у процесі синтезу білкових речовин. Листок найбільше поглинає енергію сонячного проміння. Тому вважають, що основним місцем, де найінтенсивніше утворюється основна маса білків, є листки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Особливості азотного живлення бобових рослин

Здатність бобових рослин накопичувати значну кількість білка  в урожаї тісно пов’язана з  їх унікальною особливістю формувати  симбіоз із бульбочковими бактеріями. Бульбочкові бактерії (ризобії) — це досить численна група грунтових мікроорганізмів, які поширені в усіх кліматичних зонах Землі і є важливим компонентом природних біогеоценозів. Вони значно різняться за своїми властивостями, однак їх основною загальною особливістю є здатність проникати в кореневі волоски бобових рослин та утворювати спеціалізовані органи — бульбочки, в яких фіксується азот (додаток 2). Бульбочкові бактерії є найактивнішими азотфіксаторами, що пристосувалися до спільного життя з бобовими рослинами. Протягом довгого шляху еволюції бобові культури та бульбочкові бактерії, можна сказати, навчилися користуватись послугами один одного. Бобові створюють умови, потрібні для фіксації азоту з повітря бактеріями, а надлишок зв’язаного азоту надходить до рослин, повністю або частково забезпечуючи їхню потребу в азоті.

Виходячи з  морфологічних і фізіологічних  відмінностей, бульбочкові бактерії поділяються на дві групи. Бактерії першої групи добре розвиваються на середовищах з желатинною і цукром і утворюють сильно роздуті бактероїди без виростів; бактерії другої групи не розвиваються на середовищах з желатинною і утворюють паличкоподібні форми. 
 Бульбочкові бактерії за специфічністю і належністю до певних родів і видів бобових рослин поділяються на десять видів (за М.О.Красильниковим): 1) бактерії люцерни і буркуна; 2) бактерії конюшини; 3) бактерії гороху, вики, горошку, кормових бобів, чини, нуту; 4) бактерії люпину; 5) бактерії квасолі; 6) бактерії коров'ячого гороху і арахісу; 7) бактерії еспарцету; 8) бактерії сої; 9) бактерії лоха; 10) бактерії сарадели [12, 250].

Бульбочки можна побачити на коренях бобових рослин неозброєним  оком. Вони і є тими самими “міні-фабриками” з виробництва амонійних сполук азоту. У сої, квасолі, люпину білого бульбочки мають округлу форму, у гороху, конюшини, люцерни — вони циліндричної форми, часто з’єднані між собою в так звані друзи. На зрізі бульбочки мають червоний колір завдяки ферменту гемоглобіну, який регулює надходження кисню і захищає від руйнування нітрогеназу — один із найскладніших природних ферментів. Саме цей фермент переводить недоступний для живих істот газоподібний азот у “їстівну” форму іона амонію NH4+. 
Червоне забарвлення всередині бульбочки вказує на те, що в ній відбувається активна фіксація атмосферного азоту. Зелене або біле забарвлення зрізу бульбочки свідчить про неактивний симбіоз бобової рослини з бульбочкови бактеріями. 
 Зв’язана форма азоту, яку одержали внаслідок діяльності азотфіксуючих мікроорганізмів, називається біологічним азотом, на відміну від мінерального азоту добрив, який отримано фізико-хімічною фіксацією молекул азоту. Одним із реальних прийомів підвищення ефективності бобово-ризобіального симбіозу є застосування мікробних препаратів на основі активних штамів бульбочкових бактерій.

Перший препарат, названий нітрагіном, розробили німецькі вчені  в 1897 році. Головні принципи його виробництва  та застосування не змінилися й донині. Основою препарату є чиста  культура ефективного штаму бульбочкових бактерій, розмножена в певному субстраті. Залежно від технології його виготовлення, такий препарат може мати різні назви (нітрагін, ризоторфін, ризобофіт, ризогумін), але незмінним залишається наявність у ньому значної кількості життєздатних, активних клітин бульбочкових бактерій. Розробка мікробного препарату для бобових культур включає кілька основних етапів. На пошук одного активного штаму науковці витрачають майже п’ять років досліджень. І лише коли такі штами відібрано та перевірено в дослідах і виробничих посівах, на їхній основі виготовляють відповідні біологічні препарати.  
 В Інституті сільськогосподарської мікробіології УААН протягом багатьох років ведуть пошук активних штамів бульбочкових бактерій та відбір кращих із них для розробки бактеріальних препаратів. Створено колекцію перспективних штамів бульбочкових бактерій — симбіонтів різних видів бобових рослин (сої, люпину, гороху, люцерни, квасолі, еспарцету, козлятнику та ін.), яка входить до складу Колекції корисних грунтових мікроорганізмів Інституту, що має статус національного надбання України.  
Основна характеристика бактеріальних препаратів — це титр бульбочкових бактерій (кількість життєздатних клітин ризобій в одному грамі або мілілітрі препарату). За міжнародними стандартами, в 1 г препарату повинно бути від 107 до 109 життєздатних клітин бульбочкових бактерій протягом гарантованого терміну їх зберігання, а чисельність сторонньої мікрофлори — не перевищувати 1%  кількості ризобій.  
 Для кожного виду бобових рослин виготовляють свій препарат на основі специфічного штаму бульбочкових бактерій. Це пов’язано із специфічністю взаємовідносин між цими організмами. У разі застосування невідповідного препарату, дія його не проявляється, оскільки штам бактерій (основа препарату) не утворює бульбочок з нечутливою до нього бобовою рослиною. Препарати бульбочкових бактерій виготовляють переважно в двох формах — твердій (сипкій) та рідкій. Тверда форма препарату (найбільш поширена) — це спеціально підготовлений торф або інший субстрат, в якому розмножено бульбочкові бактерії. Препарат розфасовано в поліпропіленові пакети. Його можна зберігати в темному прохолодному місці впродовж шести місяців. Рідка форма препарату — це спеціальне рідке середовище, в якому розмножено бульбочкові бактерії. Препарат розливають стерильно в різні ємності: каністри, пляшки. Його можна зберігати не більше 14—20 днів. Пакети або ємності не можна відкривати до моменту використання препарату, тому що порушується стерильність, що згубно діє на бульбочкові бактерії. Обов’язково на етикетці або в іншій документації повинно бути вказано, для якої культури виготовлено препарат. 
Кращі мікробні препарати виготовляють у тих установах, де постійно проводять пошук активних штамів бактерій. Логіка проста: якщо спеціаліст добре знає всі особливості цих мікроорганізмів, він зуміє створити такі умови, щоб вони були активними і життєздатними в препараті.  
 Обробка насіння бобових культур біопрепаратами позитивно позначається на загальному стані рослин: вони мають кращі біометричні показники, посилюється процес азотфіксації, фотосинтезу, підвищується їхня стійкість до фітопатогенів, що в цілому сприяє формуванню більшого врожаю.  
 Останні 30 років увагу мікробіологів привертає явище асоціативної азотфіксації — активного зв’язування атмосферного азоту в кореневій зоні небобових культур. Причому, якщо з бобовими культурами в симбіотичні взаємовідносини вступають високоспецифічні бульбочкові бактерії, що супроводжується формуванням на корінні спеціальних структур — азотфіксуючих бульбочок, то на злакових та інших культурах ми не спостерігаємо видимих змін на коренях, проте азотфіксуючі бактерії формують прикореневий “чохол”, т. з. ризосферу. Саме ризосферні мікроорганізми фіксують атмосферний азот і поставляють його рослині-господарю. Розміри азотонакопичення при цьому значно менші, ніж у бобово-ризобіального симбіозу, але навіть додаткові 10–15 кг/га біологічного азоту є набагато ефективнішими за відповідну кількість мінерального азоту, оскільки азот у цьому разі надходить безпосередньо до рослини, не зустрічаючи на своєму шляху потужного мікробного фільтра, як це буває за внесення мінеральних добрив у грунт.

 

 

 

 

 

2.4. Використання азотфіксаторів при культивуванні різних рослин

Розвиток досліджень асоціативної азотфіксації посприяв розробці мікробних  препаратів для низки видів сільськогосподарських культур — озимого жита, озимої пшениці, гречки, ячменю, рису тощо. Їхнє застосування досить ефективне не тільки з огляду на додаткове забезпечення рослин азотом: мікроорганізми мають комплексну дію на перебіг окремих грунтових процесів та активізацію ферментних систем інокульованих сільськогосподарських культур. Передпосівна інокуляція сприяє суттєвому зростанню врожайності, вмісту білка та амінокислот у продукції. Так, виробнича перевірка ефективності мікробного препарату діазофіту на озимій пшениці в кількох господарствах Кагарлицького району Київської області засвідчила, що, в середньому, врожайність культури (випробовували 11 сортів) від цього агроприйому зростала на 4,2–11,4 ц/га за врожайності на небактеризованих ділянках на рівні 43–48 ц/га. На двох випробовуваних сортах ярої пшениці препарат забезпечив прибавку врожаю на 5,2 і 11,7 ц/га, відповідно. 
 Застосування бактеріального препарату діазобактерину для гречки забезпечує збільшення врожаю її зерна на 15 — 20%. Зростає вміст таких незамінних амінокислот, як валін і треонін, при цьому співвідношення “незамінні/замінні амінокислоти” змінюється на користь першого, що безперечно впливає на харчову цінність цього дієтичного продукту. 
Зерно таких культур, як озима пшениця та озиме жито, теж має підвищений вміст білка. Поліпшується в ньому й співвідношення “білковий азот/азот мінеральних сполук”. Враховуючи ту обставину, що зерно, за міжнародними стандартами, тестують на вміст білка, продукція, що її одержали за участю мікробних препаратів, завжди є високого класу. 
 Бактеризація ініціює також інтенсивний розвиток рослин ячменю, що забезпечує приріст урожаю на рівні 16–25%. 
Дія препаратів на основі асоціативних азотфіксаторів є комплексною, оскільки вони включають, крім активних мікробних клітин, фізіологічно активні речовини бактеріального походження, що суттєво розширює спектр їхнього позитивного впливу на культурні рослини. Так, біопрепарати на основі асоціативних азотфіксаторів підвищують ступінь використання сільськогосподарськими культурами мінеральних добрив, активізують низку ферментних рослинних систем, процес фотосинтезу, підвищують загальний імунний статус бактеризованих рослин, що позначається на врожайності культур та якості продукції.

Звичайно в агроекосистемах  існує природна симбіотична й  асоціативна азотфіксація. Тому треба створювати умови для її активізації, підбирати сорти, забезпечувати оптимальні умови вегетації. Велике значення має застосування ефективних штамів азотфіксаторів.

Нині розроблено препарати, які містять активні й ефективні штами бульбочкових та асоціативних азотфіксаторів.

Ризоторфін — бактеріальний препарат, який містить високоефективні штами бульбочкових бактерій. Це — сипка маса з вологістю 50 — 55 %. В 1 г препарату міститься до 2,5 млрд активних бульбочкових бактерій. Він підвищує врожайність зернобобових, одно- і багаторічних бобових трав. Для кожного виду і навіть сорту підбирають певні штами бульбочкових бактерій. При їх застосуванні підвищується стійкість бобових проти бактеріальних хвороб.

Ризоагрин — препарат асоціативних азотфіксуючих бактерій для обробки насіння рису й пшениці. Підвищує стійкість рослин проти хвороб (економія 40 — 60 кг/га азоту добрив). Препарат оригінальний, не має світових аналогів.

Ризоентерин — препарат асоціативних азотфіксаторів для передпосівної обробки насіння озимого і ярого ячменю, а також рису (економія азоту добрив 30 — 40 кг/га). Врожайність після його застосування підвищується на 10 — 15 %. Аналогів не має.

Флавобактерин — препарат асоціативних азотфіксаторів для підвищення врожайності кормового сорго, пшениці, цукрових буряків, кормових трав (економія азоту 30 — 40 кг/га). Посилює засвоєння поживних речовин рослинами, знижує захворюваність їх на фузаріоз, ризокторіоз.

Мізорин підвищує врожайність і якість урожаю сорго, кормових трав, картоплі, а також вбирну здатність коріння, продукує фізіологічно активні речовини, знижує захворюваність рослин на фізаріоз і ризоктоніоз.

Застосовують також азоризин — препарат бактерій азоспірил для проса. Різко підвищує нітрогеназну активність коренів, забезпечує приріст врожайності, поліпшує амінокислотний склад зерна.

Всі ці препарати екологічно чисті, безпечні для людей і тварин.

Питання про застосування асоціативних азотфіксаторів вивчається в Інституті землеробства (В. П. Патика). Одержані дані свідчать про перспективність застосування як бульбочкових, так і асоціативних азотфіксаторів у рослинництві.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розділ 3. Удосконалення симбіозу рослин та азотфіксуючих бактерій

3.1. Підбиття недоліків при культивуванні рослин

Як бачимо, з вищевикладеного  матеріалу, бактерії, а саме азотфіксуючі бактерії, відіграють велике значення в нашому житті. Від їхньої діяльності залежить, що «ми будемо їсти завтра?». Щоб вирішити дане питання в першу  чергу необхідно підбити основні  недоліки функціонування системи взаємозв'язку людина-рослина-бактерії, а саме розуміння для чого це нам необхідно. На мою думку одним із найвагоміших недоліків є те, що Держава не контролює сівозміни полів при культивуванні рослин. Ось уже протягом декількох останніх років ми спостерігаємо картину занепаду сільського господарства, зокрема на Кременечинні. Недостатнє фінансування державою сільськогосподарських підприємств веде до припинення їх діяльності, і як результат необроблені поля. В кращому випадку культивуються переважно такі рослини, як ріпак. Горох та соя рідкісні явища на полях. Люцерна та конюшина зустрічаються частіше, проте в малих кількостях. Отже, виходить, що держава незацікавлена в вирішенні такого питання, як підвищення родючості грунтів.