Азотфиксирующие микроорганизмы и их роль в природе и хозяйственной деятельности человека

  Азотобактер хорошо усваивает разнообразные  углеводы (моно- и дисахара, некоторые полисахариды), органические кислоты, многоатомные спирты (глицерин, маннит) и другие вещества.

  Многим  исследователям удавалось выращивать азотобактер в чашках с питательной  средой без азота и углерода, если чашки были помещены в камеру, где  находились пары ацетона, этилового  спирта или некоторых других органических соединений. В присутствии легкодоступных форм углеродсодержащих соединений азотобактер может частично использовать углекислоту из атмосферы. Повышение  концентрации углекислого газа до 0,5% в воздухе несколько стимулирует  развитие азотобактера. Но азотобактером  лучше усваиваются легкодоступные формы углеродсодержащих органических соединений. В почве запас подвижного органического вещества невелик, поэтому  именно недостаток легкодоступных соединений углерода в первую очередь ограничивает развитие азотобактера в природных  условиях.

 
Рисунок 5 Колонии бейеринкии разных типов (гладкие и складчатые варианты)

  Какие же органические соединения может использовать в почве азотобактер? Перегнойные  вещества почвы азотобактером практически  не усваиваются. Поэтому в почвах, даже очень богатых перегноем, при  отсутствии свежих органических остатков интенсивного размножения азотобактера не происходит.

  Однако, если в почве имеются органические соединения и продукты распада растительных и животных клеток, азотобактер развивается хорошо. В частности, он усиленно размножается в почвах, удобренных соломой и соломистым навозом, а также в разнообразных компостах, содержащих целлюлозу. Азотобактер хорошо ассимилирует вещества, образующиеся при распаде целлюлозы.

  Развитие  азотобактера и фиксация им азота  в значительной степени зависят  от наличия в среде фосфора. Источником фосфора могут служить как  органические, так и минеральные  фосфорсодержащие соединения. Высокая  чувствительность азотобактера к фосфору  позволила разработать микробиологический метод определения потребности  почв в фосфорных удобрениях.

  В качестве тест-организма в этом методе используется азотобактер. Микробиологические методы определения потребности почвы в удобрении имеют ряд преимуществ перед химическими анализами, хотя, безусловно, уступают в точности.

  Важную  роль в обмене веществ азотобактера играет кальций. Этот элемент необходим  азотобактеру при питании как  молекулярным, так и аммонийным азотом . Недостаток кальция в среде приводит к сильной вакуолизации клеток и их вздутию.

  Высокая чувствительность азотобактера к кальцию, так же как и к фосфору, используется для определения потребности  почв в известковании.

  Микроэлементы (молибден, бор, ванадий, железо, марганец) необходимы азотобактеру в первую очередь  для осуществления процесса азотфиксации. Потребность в микроэлементах определяется в значительной степени геохимическими условиями существования азотобактера в почвах. Штаммы микроорганизма, выделенные из почв с высоким естественным содержанием  того или иного микроэлемента, нуждаются, как правило, в более высоких  концентрациях этих элементов.

  Интересно, что радиоактивные элементы (радий, торий, уран) оказывают стимулирующий  эффект на развитие азотобактера и  процесс азотфиксации.

  Азотобактер чрезвычайно чувствителен к реакции  среды. Оптимальная для его развития область рН 7,2—8.2. Однако азотобактер  способен развиваться и на средах с рН от 4,5 до 9,0; кислая реакция среды  неблагоприятно действует на его развитие. Из кислых почв выделяются неактивные формы азотобактера, утратившие способность связывать молекулярный азот.

  Большое влияние на развитие азотобактера оказывает  влажность почвы. Клетки азотобактера имеют меньшее осмотическое давление, чем клетки грибов и актиномицетов; потребность во влаге аналогична потребности высших растений. Азотобактер  распространен в пресных водоемах, илах, затопляемых рисовых полях, сточных водах, сильно увлажненных  почвах, на водных растениях в прудах и водохранилищах. Это свидетельствует  о его высокой степени гидрофильности. На основании высокой потребности  во влаге почвенных форм азотобактера предполагается, что предки некоторых  морских и почвенных видов  азотобактера могли быть общими.

  В отношении температуры азотобактер  является типичным мезофильным организмом, с оптимумом развития около 25—30 °С. Понижение температуры азотобактер  переносит хорошо, поэтому зимой  даже в северных широтах численность  его клеток в почве заметно  не уменьшается.

  Из  биологических факторов, влияющих на развитие азотобактера, следует прежде всего отметить почвенные микроорганизмы. Они могут оказывать влияние на жизнедеятельность азотобактера в почве косвенно, изменяя, например, рН или окислительно-восстановительные условия, и непосредственно, вырабатывая питательные и биологически активные вещества. Так, активирующее влияние целлюлозо -разрушающих и маслянокислых микроорганизмов на развитие азотобактера и его антагонистические отношения с представителями почвенной микрофлоры отмечали многие советские и зарубежные исследователи. Биоценоз микроорганизмов, формирующийся в условиях той или иной почвы, меняется в значительной степени под влиянием растительного покрова. И азотобактер как член биоценоза также зависит от этого фактора. С помощью метода радиоавтографии установлено, что при нанесении меченных по фосфору клеток азотобактера на семена зерновых культур клетки обычно концентрируются вокруг растущей корневой системы проростков.

  Имеются, однако, данные, что клеток азотобактера в ризосфере растений очень мало. В самом лучшем случае (при полном отсутствии антагонистов и благоприятных  окружающих условиях) их количество не превышает 1 % от общего числа ризосферной  микрофлоры.

  Культуры  азотобактера, как правило, образуют значительное количество биологически активных веществ: витамины группы В, никотиновую и пантотеновую кислоты, биотин, гетероауксин и гиббереллин. Однако, несмотря на то что культуры азотобактера вырабатывают целую серию биологически активных веществ, внесение витаминов, гиббереллина и гетероауксина в среду ускоряет рост азотобактера. Реакция на дополнительное внесение витаминов в среду является индивидуальной особенностью штаммов.

  Азотобактер может продуцировать ростовые вещества типа ауксинов. Это подтверждается опытами, в которых было установлено  образование дополнительных корешков у черенков фасоли под влиянием ауксинов, вырабатываемых азотобактером. Биологический  тест — карликовая форма гороха сорта Пионер — позволяет определить в культуре азотобактера гиббереллиноподобные соединения.

  Все эти соединения в совокупности способны стимулировать прорастание семян  растений и ускорять их рост в тех, конечно, случаях, когда на корневой системе растений находится достаточное  количество клеток азотобактера.

  Кроме того, была обнаружена антагонистическая  активность азотобактера по отношению  к возбудителям бактериальных болезней растений. Азотобактер синтезирует  фунгистати-ческий (задерживающий развитие грибов) антибиотик группы анисомицина. Ряд грибных организмов, встречающихся  на семенах и в почве (виды из родов Fusarium, Alternaria, Penicillium), может угнетать развитие многих видов растений, особенно в холодную погоду. Азотобактер, продуцируя противогрибные антибиотические вещества, помогает растениям ра и развиваться, что имеет особенно большое значение в ранние фазы развития.

  К сожалению, способность азотобактера размножаться в почве и проявлять с: многогранные качества весьма ограничена за дефицита легкодоступных органических веществ в почве и высокой требовательности микроорганизма к окружающим условиям. Поэте стимулирующий эффект азотобактера проявляется лишь на плодородных почвах.

Бейеринкия (BEIJERINCKIA)

  Впервые аэробные бактерии рода Beijerinckia были выделены из кислых почв рисовых полей в  Индии (в 1939 г.). Г. Деркс (1950), обнаружив  эту бактерию в почве Ботанического  сада в Богоре (Ява), предложил назвать  ее именем М. Бейеринка — одного из первых исследователей фиксаторов азота.

  Клетки  бактерий рода Beijerinckia имеют круглую, овальную или палочковидную формы; палочки иногда искривлены. Размеры  молодых клеток 0,5—2,0 X 1,0—4,5 мкм. Встречаются  подвижные и неподвижные формы. Цист и спор не образуют. Культуры характеризуются  медленным ростом. Типичные колонии  формируются обычно через 3 недели при 30 °С. Большинство культур Beijerinckia образует на безазотном агаре с глюкозой выпуклые, нередко складчатые, блестящие слизистые колонии очень вязкой консистенции (рисунок 5). При старении культуры, как правило, образуют темноокрашенный пигмент.

  На 1 г использованного энергетического  материала организмы рода Beijerinckia фиксируют 16—20 мг молекулярного азота. Спектр углеродсодержащих соединений, доступных бейеринкии, значительно  уже, чем у азотобактера. Хорошо используются моно- и дисахариды, хуже — крахмал, органические кислоты, ароматические вещества не усваиваются. Минеральный азот и многие аминокислоты бактерии рода Beijerinckia предпочитают молекулярному азоту.

  Основные  отличия бейеринкии от азотобактера—  высокая кислотоустойчивость(могут расти даже при рН 3,0), кальцефобность (ничтожные дозы кальция подавляют рост), устойчивость к высоким концентрациям железа, алюминия.

  Бактерии  рода Beijerinckia широко распространены в  почвах южной и тропической зоны, реже встречаются в зоне умеренного климата. Beijerinckia часто встречается  на поверхности листьев тропических  растений в Индонезии.

  Раньше  полагали, что бактерии рода Beijerinckia могут существовать только в кислых почвах. Сейчас установлено, что они  неплохо развиваются и в нейтральных  и щелочных почвах. Тем не менее следует полагать, что Beijerinckia играют значительную роль в азотном балансе главным образом кислых почв (латеритах, красноземах), не имея существенного агрономического значения для нейтральных почв.

Клостридиум (CLOSTRIDIUM)

  Первый  анаэробный микроорганизм, усваивающий  молекулярный азот, был выделен и  описан С. Н. Виноградским в 1893 г. Он оказался спорообразующей бактерией, которой  было дано наименование Clostridium pasteurianum (родовое название происходит от латинского слова clostrum — веретено; видовое — pasteurianum — дано в честь Луи Пастера).

  Клетки Cl. pasteurianum крупные, их длина 2,5—7,5 мкм, ширина 0,7 —1,3 мкм. Располагаются они поодиночке, парами или образуют короткие цепочки. Молодые клетки подвижны, имеют перитрихиально расположенные жгутики, плазма их гомогенна. При старении клетки плазма становится гранулированной, в ней накапливается  гранулеза (вещество типа крахмала). В  центре клетки или ближе к ее концу  формируется спора, которая в  поперечнике значительно шире, чем  вегетативная клетка, и поэтому клетка в этот период приобретает форму  веретена. Размер спор 1,3 х 1,6 мкм. На рисунке 178 изображены клетки Cl. pasteurianum со спорами. Морфология спор и поведение ядерного вещества в процессе спорообразования у клостридиев детально описаны на стр. 228 В. И. Дудой.

 
Риунок6 . Клетки Clostridium pasteurianum со спорами.

  Азотфиксирующая функция выявлена у многих представителей рода Clostridium: Cl. pasteurianum, Cl. butyricum, Cl. butylicum, Cl. beijerinckia, Cl. pectinovorum, Cl. acetobutyli-cum и других видов. Наиболее энергичный азотонакопитель  — Cl. pasteurianum — фиксирует 5—10 мг азота  на 1 г потребленного источника  углерода.

  Наряду  с молекулярным азотом бактерии рода Clostridium хорошо усваивают минеральные  и органические азотсодержащие соединения. В качестве источника углеродного  питания бактерии рода Clostridium используют различные соединения, которые обычно одновременно служат для них и  источником энергии. К фосфору, калию  и кальцию они значительно  менее чувствительны, чем азотобактер. Однако удобрение почв фосфорно-калийными  солями, известкование почв или компостов  всегда приводит к возрастанию численности.

  Клостридии  относительно устойчивы к кислой и щелочной реакции среды. Область  рН, при которой их развитие протекает  нормально, довольно широка; минимальное  значение рН ниже 4,5, максимальное —  выше 8,5.

  Влияние воздушно-водного режима на развитие бактерий рода Clostridium изучено достаточно полно. Будучи анаэробными, они хорошо переносят высокое насыщение  почвы влагой. Однако оптимальная  степень увлажнения для них определяется типом почвы и обеспеченностью  органическим веществом. Лучше всего  клостридий развивается при влажности  почвы, равной 60—80% от полной влагоемкости.

 
Таблица 1. Бактериоз овса и суданской травы: 1 — бурый (красный) бактериоз овса; 2 — бактериоз суданской травы.

  Больше  всего бактерий рода Clostridium в верхних  слоях почвы, которые богаты органическими  веществами.

  Бактерии  рода Clostridium по разному относятся к температуре, встречаются, как мезофильные так и термофильные бактерии. Молекулярный азот фиксируют лишь мезофилы.

   У мезофильных форм оптимальная  температура развития чаще всего  находится в диапазоне 25—30 °С. Предел максимальных температур 37—45 °С.

 
 
Таблица 2. Болезни хлопчатника, табака и свеклы: 1 — гоммоз хлопчатника; 2 — бактериальная рябуха табака; 3 — серебристая болезнь свеклы (справа — пятна при увеличении).

  Споры клостридиев весьма устойчивы к  высоким температурам. Они выдерживают  нагревание при 75 °С в течение 5 ч и в течение 1 ч нагревание при 80 °С. Споры термофильных клостридиев погибают при кипячении через 30 мцн. Более высокая температура (110 °С) быстро убивает их.