Азотфиксирующие микроорганизмы и их роль в природе и хозяйственной деятельности человека

Институт  экономики педагогики и права

Кафедра  ХТПЭ 
 
 
 
 

     Реферат

     на  тему:

     Азотфиксирующие микроорганизмы и их роль в природе  и хозяйственной деятельности человека 
 
 
 
 
 

     Выполнил:

     Студент группы ВХТ-402

     Некрасова Е.В.

     Проверил:

     Старший преподаватель

     Петров  Н.В. 
 
 
 
 

     Калининград 2011 

     Содержание

     Введение. 

     Азот  является абсолютно необходимым  элементом для всех живых организмов. Основным резервуаром азота служит земная атмосфера.  Эукариотические организмы не способны усваивать азот непосредственно из атмосферы. Такой способностью обладает ограниченное количество видов прокариот, которых называют азотфиксаторами, а процесс связывания азота атмосферы (восстановление  до ) этими организмами - биологической азотфиксацией. Многие растения, животные и грибы способны вступать в симбиоз с азотфиксирующими прокариотами. Наиболее интенсивно азотфиксация протекает при образовании эндосимбиозов, когда микроорганизм проникает внутрь тканей или даже в клетки хозяина. При этом микросимбионт обеспечивается питательными веществами и энергией, необходимой для разрыва тройной связи N2, а хозяин получает легко усваиваемый. Биологическая азотфиксация представляет собой глобальный процесс, обеспечивающий существование жизни на Земле. Общая мировая биологическая фиксация азота составляет 17,2· т/год, что в четыре раза превышает связывание N₂ в форме NH₃ на предприятиях химической промышленности. При этом продуктивность симбиотической азотфиксации составляет 100-400 кг N/га. 

     Открытие азотфиксирующих микроорганизмов 

     Впервые прямые доказательства наличия азотфиксирующих  микроорганизмов, живущих в симбиозе с бобовыми растениями, были получены благодаря работам немецкого исследователя Германа Гельригеля. Сравнивая источники азота для злаков и бобовых (1886 год), он показал, что если злаки черпают азот из минеральных веществ почвы, то бобовые, кроме того, обладают способностью фиксировать азот воздуха. Такую способность бобовых Гельригель объяснял наличием на корневой системе клубеньков, развитие которых вызывают микроорганизмы. После работ Гельригеля стало ясно, что фиксация растениями азота связана с микроорганизмами, инфицирующими корневую систему растения. Потребовалось около десятка лет для подтверждения выводов Гельригеля о значимости симбиотических микроорганизмов рода Rhizobium для бобовых растений как азотфиксаторов. Голландский бактериолог М. Бейеринк (M. Beijerinck) выделил в 1888 году клетки Rhizobium в чистой культуре. В дальнейшем была показана их способность инфицировать корневую систему бобовых с определенной степенью избирательности по отношению к конкретным видам растений и вызывать образование на корнях клубеньков - специализированных образований, в которых протекает азотфиксация.

     Сейчас  известно около 13 тыс. видов бобовых, многие из которых обладают способностью к симбиотической фиксации азота. Для  каждого вида бобовых растений имеются  свои разновидности (штаммы) Rhizobium, которые и получили свои названия от названий хозяина (Rhizobium trifolii - клубеньковые бактерии клевера, Rhizobium lupini - клубеньковые бактерии люпина и т.д.). 

     Выяснено  также, что водный папоротник Azolla находится  в симбиотических отношениях с азотфиксирующими цианобактериями. Некоторые деревья и кустарники (например, ольха, облепиха, восковик) имеют в качестве симбионтов актиномицеты. Поиск новых азотфиксирующих пар растение - микроорганизм далеко не закончен.

     В 70-80-х годах нашего столетия в  лаборатории доктора Джоан Доберейнер (J. Dobereiner)  в Бразилии активизировались поиски азотфиксирующих микроорганизмов, обитающих на поверхности корневой системы диких и культурных злаков. Такие микроорганизмы, живущие в ассоциации с растением, называются ассоциативными азотфиксаторами. Число их видов велико, но благодаря работам доктора Дж. Доберейнер и ее последователей в центре событий оказались микроорганизмы рода Azospirillum. Азоспириллы легко инфицируют корневую систему злаков и других растений. Подобно Rhizobium, они делятся на виды, колонизирующие преимущественно те или иные сорта злаков, фиксируют азот воздуха, могут продуцировать гормоны роста растений и обладают еще другими свойствами, положительно влияющими на рост и развитие растений.

     Кроме того, известны азотфиксирующие микроорганизмы, свободноживущие в почве, на растениях, в воде. Впервые выделить культуру свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов удалось в 1893 году С.Н. Виноградскому. Он выделил почвенный спороносный анаэробный микроорганизм, относящийся к роду Clostridium , названный автором в честь выдающегося французского микробиолога Л. Пастера Clostridium pasteurianum. В 1901 году М. Бейеринк выделил аэробно живущий почвенный микроорганизм Azotobacter, способный к азотфиксации, неприхотливый при выращивании. Этот микроорганизм интенсивно исследуют не только как удобную модельную культуру, но и применяют в технологии обогащения сельскохозяйственных посевов биологическим азотом. С тех пор коллекции свободноживущих азотфиксаторов постоянно увеличиваются, особенно с 1949 года, когда в арсенал методов регистрации фиксации азота вошли метод изотопных индикаторов и реакция восстановления ацетилена в этилен, катализируемая основным ферментом системы азотфиксации - нитрогеназой. Тогда выяснилось, что способностью к фиксации азота обладают большинство аноксигенных фототрофных бактерий, многие цианобактерии, некоторые бациллы, клебсиеллы и др. 

  Азотфиксирующие микрооганизмы 

       Азотфиксаторы- бактерии, обладающие способностью усваивать молекулярный азот воздуха и переводить его в доступные для растений формы. Играют важную роль в круговороте азота в природе. Ежегодно вовлекают в азотный фонд почвы планеты 150–180 млн. т азота. Азотфиксирующие бактерии могут быть аэробами и анаэробами, свободно живущими в почве (азотобактер, клостридии, цианобактерии) и живущими в симбиозе с растениями (см.Клубеньковые бактерии). Впервые анаэробный микроорганизм (клостридии) был выделен из почвы русским учёным С.Н. Виноградским в 1893 г. В 1901 г. голландец М. Бейеринк открыл аэробную азотфиксирующую бактерию – азотобактер.

     Источником  энергии для восстановления азота  у аэробных бактерий служат процессы дыхания, у анаэробных – брожения. На деятельность свободноживущих азотфиксаторов оказывают влияние содержание в почве органического вещества, макро– и микроэлементов, её кислотность, температура и влажность. 
Среди процессов, от которых зависит биологическая продуктивность на земном шаре, одним из важнейших является фиксация микроорганизмами азота атмосферы. Проблема биологической азотфиксации относится к числу основных проблем сельскохозяйственной и биологической науки. Перед учеными стоит задача изыскать возможности управления процессом азотфиксации и на этой основе увеличить урожайность сельскохозяйственных культур. [1]                                        

     Производство  азотобактерина

     Азотобактерин - бактериальное удобрение, содержащее свободноживущий почвенный микроорганизм  Azotobacter chroococcum, способный фиксировать до 20 мг атмосферного азота на 1 г использованного сахара. Внесенные в качестве удобрения в почву бактерии также выделяют биологически активные вещества (никотиновую и пантотеновую кислоты, пиридоксин, биотин, гетероауксин, гиббереллин и др.). Эти вещества стимулируют рост растений. Кроме того, продуцируемые Azotobacter фунгицидные вещества из группы анисомицина угнетают развитие некоторых нежелательных микроскопических грибов в ризосфере растения.

     Все виды Azotobacter строгие аэробы. Чувствительны к содержанию в среде фосфора и развиваются лишь при высоком его содержании в питательной среде. Азотфиксирующая способность культуры подавляется аммиаком (вообще содержание в среде связанного азота угнетает азотфиксацию). Стимулируют процесс фиксации азота соединения молибдена.

     Установлено, что при фиксации азота процесс  его восстановления протекает на одном и том же синтезируемом  азотобактером ферментном комплексе  и лишь конечный продукт (аммиак) отделяется от фермента. Нитрогеназная азотфиксирующая  система представляет собой мультиферментный комплекс, содержащий не связанное  с геном железо, молибден и SH-группы.

     Микробиологическая  промышленность выпускает несколько  видов азотобактерина: сухой, почвенный и торфяной. Технология получения сухого азотобактерина имеет много общего с технологией производства сухого нитрагина. Сухой азотобактерин - активная культура высушенных клеток азотобактера с наполнителем. В 1 г препарата содержится не менее 0.5 млрд. жизнеспособных клеток. Культуру микроорганизма выращивают методом глубинного культивирования на среде, содержащей те же компоненты, что и при культивировании клеток Rhizobium. Дополнительно вводят только сульфаты железа и марганца, а также сложную соль молибденовой кислоты, рН 5.7-6.5.

     Процесс ферментации проводят до стационарной фазы развития культуры, так как  в этой фазе биологически активные вещества выделяются из клетки и остаются в культуральной жидкости. Биологически активные вещества могут также полностью  или частично теряться при высушивании, однако жизнеспособные клетки быстро восстанавливают способность их продуцировать. Высушенную культуру стандартизируют, фасуют в полиэтиленовые пакеты по 0.4-2 кг и хранят при температуре 15^оС не более 3 месяцев.

     Почвенный и торфяной азотобактерин представляют собой активную культуру азотобактера, размноженную на твердой питательной  среде, и содержат в 1 г не менее 50 млн. жизнеспособных клеток. Для их приготовления берут плодородную  почву или разлагающийся торф с нейтральной реакцией среды. К  просеянному субстрату добавляют 2% извести и 0.1% суперфосфата. По 500 г  полученной смеси переносят в  бутыли емкостью по 0.5 л, увлажняют на 40-60% по объему водой, закрывают ватными  пробками и стерилизуют. Посевной материал готовят на агаровых средах, содержащих 2% сахарозы и минеральные соли. Когда  агар полностью покрывается слизистой  массой коричневого цвета, полученный материал стерильно смывается дистиллированной водой и переносится на приготовленный субстрат. Содержимое бутылок тщательно  перемешивают и термостатируют при 25-27^оС. Культивирование продолжают до тех пор, пока бактерии не размножатся до необходимого количества. Полученный препарат сохраняет свою активность в течение 2-3 месяцев.