Пропионовокислое брожение. Химизм процесса, возбудители. Практическое использование пропионовокислого брожения

Пропионовокислое брожение вызывается пропионовокислыми бактериями, относящимися к роду Propionibacterium.

Единственным источником энергии для пропионовокислых бактерий является процесс сбраживания различных веществ: моносахаридов (гексоз, пентоз), молочной, яблочной кислот, глицерина и других в пропионовую и уксусную кислоту, диоксид углерода и воду.

Химизм пропионовокислого брожения:
ЗС₆H₁₂О₆? 4СНзCH₂СООН + 2СНзСООН + 2CO₂ + 2H₂O +Е

глюкоза пропионовая уксусная

кислота кислота
Пропионовокислые бактерии – небольшие, неподвижные грамположительные палочки, не образующие спор, факультативные анаэробы. Обитают в основном в кишечном тракте жвачных животных и в молоке.
Практическое применение пропионовокислого брожения

Пропионовокислое брожение используется в сыроделии. Летучие кислоты (пропионовая и уксусная) придают сырам кисловато-острый вкус, а выделяющийся в виде пузырьков углекислый газ образует «глазки» в сыре.

У пропионовокислых бактерий обнаружена способность к активному синтезу витамина В₁₂, поэтому они используются в качестве продуцента в микробиологической промышленности для получения этого витамина.

Маслянокислое брожение – анаэробное окисление органических веществ маслянокислыми бактериями в масляную кислоту.

Химизм процесса:

С₆H₁₂О₆? СНзСН₂СН₂СООН + 2 С0₂ + 2Н₂ +Е

глюкоза масляная кислота
Возбудители маслянокислого брожения

Маслянокислые бактерии относятся к роду Clostridium. Это крупные, подвижные грамположительные палочки, образующие устойчивые споры, при образовании которых клетка приобретает форму веретена или теннисной ракетки, облигатные (строгие) анаэробы.

Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Обитают там, где много органических веществ и нет доступа воздуха – в иловых отложениях водоемов, навозе, почве и т.д.

Эти бактерии могут сбраживать многие углеводы, в т.ч. (крахмал, гликоген, пектиновые вещества, целлюлозу), спирты (этиловый, маннит, глицерин) и аминокислоты. По характеру используемых субстратов маслянокислые бактерии делятся на две группы: сахаролитические клостридии, которые сбраживают в основном углеводы (Ctostridium butyricum), и протеопитические клостридии, которые разлагают белки и пептоны до аминокислот и затем их сбраживают (Clostridium sporogenes, Clostridium subterminalis, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum).
Практическое значение маслянокислого брожения. Маслянокислое брожение используется в промышленности для получения масляной кислоты (продуцент Clostridium butyricum). Хотя масляная кислота обладает резким, неприятным запахом прогорклого масла, ее эфиры отличаются приятным ароматом: метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый – грушевый, амиловый – ананасный. Эфиры масляной кислоты используют в кондитерской, безалкогольной, парфюмерной промышленности.

51. Микробиологические процессы при силосовании кормов. Условия получения хорошего силоса

Это лучший способ консервирования зеленого корма, при котором растительную массу укладывают в силосные ямы, траншеи и другие сооружения. Существует два способа силосования: холодный и горячий. При холодном способе, имеющем наибольшее распространение, в созревающем силосе происходит умеренное повышение температуры - до 25- 30 °С. Растительная масса в этом случае укладывается в траншею одномоментно, утрамбовывается и изолируется слоем земли.

При горячем способе силосная траншея заполняется по частям, без утрамбовки, с перерывами в 1-2 дня. При таком силосовании обеспечивается аэробиоз, более интенсивно идут микробиологические и ферментативные процессы, в результате которых температура корма повышается до 45-50 °С, затем укладывают второй слой толщиной до 1,5 м, третий, и так до полного заполнения траншеи. В процессе созревания зеленой массы при холодном силосовании различают три последовательные фазы:

Первая фаза - бурное размножение эпифитной микрофлоры, кишечной палочки, дрожжей, молочнокислых и гнилостных бактерий. В это время силос разогревается и подкисляется, создаются анаэробные условия, в результате чего большая часть смешанной микрофлоры погибает.

Вторая фаза - бурное размножение молочнокислых стрептококков, а затем молочнокислых палочек, продуцирующих молочную кислоту, которая подавляет размножение гнилостных и маслянокислых микроорганизмов.

Третья фаза - постепенное отмирание возбудителей молочнокислого брожения, концентрация молочной кислоты достигает 60 % и более, рН силосной массы снижается до 4,2—4,5. Кроме молочной кислоты в силосе накапливаются уксусная кислота.

Силос – молокогонный корм и хорошо сочетается с сеном в рационе. На зимне-стойловый период на корову уходит около 11 т силоса, на молодое животное – около 3 т. Для этого в хозяйстве должно быть хранилище объёмом 20 м.куб. Лучше его строить в виде траншеи глубино 2 – 2,5 м и шириной 3-4 м. Длина может быть произвольной на сухих участках с низким стоянием грунтовых вод. Стены и дно должны быть забетонированы или выложены плитами, кирпичом, камнем, можно облицовать и досками. Боковые стенки должны быть с наклоном, чтобы расстояние между ними было по дну меньше,чем по верху.

Питательность силоса зависит от вида растений, стадии их развития к началу уборки, технологии приготовления и условий хранения. Чтобы получить качественный силос, растения нужно убирать в наисболее благоприятные стадии развития. Кукурузу убирают в стадии молочно-восковой и восковой спелости зерна. В начале образования початков питательность 1 кг кукурузы составляет 0,16 кормовой единицы, в стадии молочно-восковой спелости – 0,24. На данных стадиях и при влажности 75% кукуруза хорошо силосуется без добавок, при влажности более 75% могут быть большие потери сока и силос может перекиснуть. При высокой влажности для поглощения сока и увеличения сухого вещества в силос добавляют измельчённую на отрезки до 8 см чистую солому. Всё тщательно перемешивают. Если кукуруза богата сахаром и бедна протеином, то добавляют клевер, люцерну и другие бобовые культуры из расчёта 15-20 % массы кукурузы.
Также для приготовления силоса можно взять подсолнечник. У него тоже высокая питательность, хоть он и уступает кукурузе. Его убирают, когда раскроется 30% соцветий.

Из горохо-овсяной смеси приготавливают высокопитательный силос в фазе молочно-восковой спелости зерна в нижних ярусах.
Качество силоса сильно зависит от плотности укладки и герметизации. Для более плотной укладки растительное сырьё измельчают. Измельчённая масса хорошо разравнивается и уплотняется, что уменьшает потери корма. При влажности менее 70% растения измельчают на отрезки длиной 1-2 см. С увеличением влажности, увеличивается длина отрезков: при 80% – 8-10 см. Грубые растения не измельчают на крупные отрезки, т.к. корм будет оставаться несъеденным.

Силосуемую массу при влажности 75% трамбовать нужно особенно тщательно, т.к. потерь сока практически нет, при влажности 80% и более массу трамбуют умеренно, чтобы не вызвать сильного сокоотделения. Умеренное уплотнение допустимо (450-500 кг/м.куб.) при условии быстрого заполнения хранилища. Медленное заполнение способствует сильному разогреванию корма.

Траншеи загружают до верхнего уровня боковых стен, а в центре на 70 см выше краёв. Уплотнение силосной массы происходит постоянно,т.к. каждый новый слой трамбуется. После заполнения траншею укрывают полимерной плёнкой, чтобы она закрыла края стенок и днище канавок вдоль стен. Плёнку закрепляют и на неё загружают ровным слоем землю (8-10 см) или торф (20-25 см). Через 30 дней силос готов.

У хорошо приготовленного силоса приятный запах печёного хлеба и мочёных яблок, цвет – от желтовато-зелёного до тёмно-коричневого. Если у силоса едкий запах и зелёный цвет – он испорчен. Такой силос с запахом навоза скармливать нельзя. При выемке силоса аккуратно снимают укрытие и берут нужное количество, не затрагивая соседних слоёв, затем снова закрывают (соломой). В конце стойлового периода ёмкость тщательно очищают от остатков и дезинфицируют раствором свежегашёной извести.
При силосовании кормов следует правильно выполнять все операции.

52. Участие микроорганизмов в круговороте азота в природе

Роль микроорганизмов в круговороте азота в природе. Азотное питание прокариот с различными типами жизни

Круговорот азота в природе складывается из трех основных процессов: 1)фиксация азота атмосферы; 2)нитрификация-окисление азота; 3) денитрификация (гниение) - восстановление азота. Азот атмосферы фиксируют только свободноживущие азотофиксаторы (азотобактер) и микробы-симбионты - клубеньковые бактерии.N₂=H₂N=H₃N Они имеют ферменты, обладающие способностью связывать свободный азот с другими химическими элементами. Эти микроорганизмы синтезируют сложные органические соединения. Значение: обогащают почву связанным азотом и способствуют ее плодородию. Аммонификация, или гниение, - процесс разложения белков на менее сложные соединения: пептоны, пептиды, аминокислоты. Процессы нитрификации, или окисления, аммиака в нитриты, а затем в нитраты осуществляют почвенные бактерии, в результате растения получают питательные вещества. Сначала бактерии (нитрозомонас) окисляют аммиак в азотистую кислоту, получая при этом энергию, необходимую для своей жизни. (NH₂+1,5O₂=NO₂+H₂O+2H) На втором этапе нитратные бактерии(нитробактер) окисляют азотистую кислоту в азотную. (NO₂+О₂ = NO₃). Процессы дентрофиксации идут при наличии в почве денитрофиксирующих бактерий, которые восстанавливают нитраты до молекудярного азота. NO_{3 =} NO₂ = NO = N₂.Эти процессы протекают на глубине 10-15см в почве в анаэробных условиях и ведут к понижению плодородия почвы, уменьшая в ней запасы нитритов. Бактерии, осуществляющие круговорот азота в природе могут быть либо симбионтами, либо свободноживущими.

53. Общая схема круговорота азота в природе.

Круговорот азота

Главный источник азота органических соединений – газообразный азот N₂ в составе атмосферы. Молекулярный азот не усваивается живыми организмами. Переход его в доступные живым организмам соединения (фиксация) может происходить несколькими путями. Фиксация азота частично происходит в атмосфере, где при грозовых разрядах образуется оксид азота (II), который окисляется до оксида азота (IV), с последующим образованием азотной кислоты и нитратов, выпадающих на поверхность Земли с атмосферными осадками.

Наиболее важной формой фиксации азота является ферментативная фиксация в процессе жизнедеятельности сравнительно немногих видов организмов-азотфиксаторов. Отмирая, они обогащают среду органическим азотом, который быстро минерализуется. Наиболее эффективна фиксация азота, осуществляемая бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. В результате их деятельности в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) за год накапливается азота до 150-400 кг на 1 га. Азот связывают также свободноживущие азотфиксирующие почвенные бактерии, а в водной среде – сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Все азотфиксаторы включают азот в состав аммиака (NH₃), и он сразу же используется для образования органических веществ, в основном для синтеза белков. Минерализация азотсодержащих органических веществ редуцентами происходит в результате процессов аммонификации и нитрификации. Аммонифицирующие бактерии в процессе биохимического разложения мертвого органического вещества переводят азот органических соединений в аммиак, который в водном растворе образует ионы аммония (NH₄⁺). В результате деятельности нитрифицирующих бактерий в аэробной среде аммиак окисляется в нитриты (NO₂^-), а затем в нитраты (NO₃^-).

Большинство растений получают азот из почвы в виде нитратов. Поступающие в растительную клетку нитраты восстанавливаются до нитритов, а затем до аммиака, после чего азот включается в состав аминокислот, составляющих белки. Часть азота растениями усваивается непосредственно в виде ионов аммония из почвенного раствора.

Животные получают азот по пищевым цепям прямо или опосредованно от растений. Экскреты и мертвые организмы, составляющие основу детритных пищевых цепей, разлагаются и минерализуются организмами-редуцентами, превращающими органический азот в неорганический.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрофикаторов, осуществляющих в анаэробной среде процесс, обратный нитрификации, восстанавливая нитраты до свободного азота.

Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов), используется водными фотосинтезирующими организмами, прежде всего фитопланктоном, а затем, попадая в цепи питания животных, частично возвращаются на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота попадает в морские осадки.

Круговорот фосфора

В круговороте фосфора, в отличие от круговоротов углерода и азота, отсутствует газовая фаза. Фосфор в природе в больших количествах содержится в минералах горных пород и попадает в наземные экосистемы в процессе их разрушения. Выщелачивание фосфора осадками приводит к поступлению его в гидросферу и соответственно в водные экосистемы. Растения поглощают фосфор в виде растворимых фосфатов из водного или почвенного раствора и включают его в состав органических соединений – нуклеиновых кислот, систем переноса энергии (АДФ, АТФ), в состав клеточных мембран. Другие организмы получают фосфор по пищевым цепям. В организмах животных фосфор входит в состав костной ткани, дентина.

В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических соединений, содержащих фосфор, при этом органические фосфаты поступают в окружающую среду в составе экскретов. Организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и, таким образом, снова вовлекаться в круговорот.

Поскольку в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза, фосфор как и другие биогенные элементы почвы, циркулирует в экосистеме лишь в том случае, если отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Нарушение круговорота фосфора может происходить, например, в агроэкосистемах, когда урожай вместе с извлеченными из почвы биогенами перевозится на значительные расстояния, и они не возвращаются в почву в местах потребления.

После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде, в конечном итоге он выводится в донные осадки в виде нерастворимых фосфатов. После поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота вновь начинают действовать процессы выщелачивания и бигенного разрушения.

Внесение фосфорных удобрений, представляющих собой продукты переработки осадочных пород, позволяет восполнить потребленный фосфор в регионах с интенсивным сельскохозяйственным производством. Однако, смыв удобрений с полей, а также поступление в водоемы фосфатов с продуктами жизнедеятельности животных и человека может приводить к перенасыщению водных экосистем фосфатами и нарушению в них экологического равновесия.

Цикл азота

54. Аммонификация белков: динамика процесса, значение, морфологическая и физиологическая характеристика возбудителей

Гниение (аммонификация) – процесс глубокого разложения белков микроорганизмами.

Разложение белков происходит ступенчато:

· Под действием внеклеточных протеолитических ферментов белки расщепляются вначале до пептонов, затем до полипептидов и далее до аминокислот;

· Образовавшиеся аминокислоты диффундируют внутрь клеток и могут быть использованы как для конструктивного, так и для энергетического обмена.

Расщепление аминокислот происходит путем дезаминирования (отщепления аминогруппы с выделением аммиака) идекарбоксилирования (отщепления декарбоксильной группы с выделением диоксида углерода). В результате образуются органические кислоты (например, масляная, уксусная, пропионовая, окси- и кетокислоты), а также высокомолекулярные спирты.

В дальнейшем образование конечных продуктов зависит от условий протекания процесса и вида микроорганизма-возбудителя гниения.

Аэробное гниение

Протекает в присутствии кислорода. Конечными продуктами аэробного гниения являются кроме аммиака и диоксида углерода вода, а также сероводород и меркаптаны (обладающие запахом тухлых яиц).

Анаэробное гниение

Протекает в анаэробных условиях. Конечными продуктами анаэробного гниения являются продукты декарбоксилирования и дезаминирования аминокислот: индол, крезол, фенол, скатол (дурно пахнущие вещества), диамины, производные которых являются трупными ядами и могут вызвать пищевые отравления, а также аммиак, диоксид углерода.

Аммонификация — процесс разложения органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов и ведущий к образованию N43 или ЫН ¡. Ион аммония может быть выщелочен или поглощен в почвенном комплексе или необменно фиксирован трехслойными глинистыми минералами с расширяющейся решеткой. Содержание фиксированного аммония в почвах меняется от 1—2 до 10—12 ммоль/100 г почвы. Аммонификация — первая стадия минерализации азотсодержащих органических соединений.[...]

АММОНИФИКАЦИЯ — процесс разложения микроорганизмами азотсодержащих органических соединений (белков, нуклеиновых кислот и др.) с выделением аммиака. АМПЛИТУДА ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ [лат. amplitude — величина] — пределы приспособляемости вида или сообщества к изменяющимся условиям среды.[...]

Аммонификация осуществляется аэробными и анаэробными микроорганизмами, которые составляют обширные группы бактерий, актиноми-цетов и плесневых грибов. Из них типичными представителями бактерий являются: Bact. vulgare, Bact. putidum, Bact. subtilis, Bact. mesentericus, Bact. niicoides; представителями плесневых грибов — Aspergillus, Pénicillium, Trichoderma koningi. Аммиак образуется во всех почвах при разной реакции среды, в присутствии воздуха и без него, но в анаэробных условиях при сильнокислой и щелочной реакции аммонификация сильно замедляется. На скорость аммонификации оказывают действие также температура почвы, влажность и другие факторы.[...]

Аммонификация — это образование из аминокислот солей аммония.[...]

Аммонификация — это переход азота органических веществ в аммиачную форму. Дальше под влиянием других микроорганизмов — нитрификаторов происходит так называемая нитрификация — окисление аммиака в азотную кислоту. Процесс нитрификации протекает также в двух стадиях: первой — в окислении аммиака до азотистой кислоты, второй — в переходе азотистой кислоты в азотную кислоту. Далее азотная кислота соединяется с основаниями почзы и образует соли — нитраты. Динамика нитратов в почве зависит от погодных условий, от почвенной реакции, от обработки и сильно меняется во времени.[...]

Тормозит аммонификацию и нитрификацию разведенных сточных вод в концентрации I мг/л [I].[...]

Это процесс аммонификации, то есть разложения (минерализации) органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов и ведущий к образованию аммиака ЫН3 или иона аммония ЫН4+.[...]

Рис; 2. Влияние титана на аммонификацию и нитрификацию.[...]

Белковый азот в результате аммонификации разлагается до аммонийного, который и используется при очистке сточных вод в качестве источника азота. Под БПК здесь понимается наличие в воде источника углеродного питания клеток. Наиболее интенсивно азот используется в период логарифмической фазы роста клеток, а в период окисления клеток азот высвобождается вновь в виде аммиака. Выделившийся аммонийный азот может окисляться до нитритов и нитратов либо повторно использоваться для нового цикла синтеза. Таким образом, для цикла превращений азота справедливы реакции (4.141) — (4.143).[...]

почвой, и аммиачных солей образуются нитраты и нитриты (нитрификация). Аммонификация и нитрификация — составные элементы биотического и геологического круговоротов азота. Одна часть продуктов нитрификации усваивается растениями, другая превращается в молекулярный азот (динитрификация). Азот, усвоенный растениями, вовлекается в биотический цикл. Молекулярный азот, поступающий в атмосферу, участвует в геологическом круговороте.[...]

Концентрация 1 мг/л не влияет на санитарный режим водоемов, аммонификацию, а 10 мг/л повышает БПК воды [1].[...]

В процессе брожения белковоподобных веществ происходит их аммонификация и переход аммонийного азота в раствор. Наличие большого количества аммонийного азота (до 500—800 мг/л) — показатель нормально протекающего процесса брожения.[...]

Азотсодержащие вещества (белки, например) подвергаются процессу аммонификации, связанному с образованием аммиака, а далее - солей аммония, доступных в ионной форме для ассимиляции растениями. Однако часть аммиака под воздействием нитрифицирующих бактерий подвергается нитрификации, т. е. окислению сначала до азотистой, далее - азотной кислоты, а далее - при взаимодействии последней с основаниями почвы - происходит образование солей азотной кислоты. В каждом процессе участвует особая группа бактерий. В анаэробных условиях соли азотной кислоты подвергаются денитрификации с образованием свободного азота.[...]

55. Нитрификация, её хемолитотрофная природа, возбудители, значение

НИТРИФИКАЦИЯ, биохим. процесс окисления аммиака в азотную кислоту, возбудителями которого являютсянитрифицирующие бактерии.

Чистые культуры этих бактерий впервые были получены в 1889 г. Виноградским,. Опыты с чистыми культурами возбудителей процесса Н. показали, что он идет в две фазы иобусловливается жизнедеятельностью двух групп нитрифицирующих бактерий. В первой фазе нитритныебактерии (Вас. nitroso-monas и Bact. nitrosococcus) окисляют ам-

миак до азотистой кислоты; вторая фаза Н.,

окисление азотистой кислоты в азотную,

явл. рез.жизнед. нитратных бактерий (Вас. nitrobacter)

. По мере образования азотистая и азотная ктысвязываются обычно имеющимися в окружающей среде основаниями и образуют соли этих к-т—нитриты инитраты. Виноградским описано несколько видов нитритных бактерий. Представители N i t г о s о-monasраспространены исключительно в почвах Старого Света

Хемолитотрофные бактерии - (*хемо- используют энергию, освобождаемую при реакциях окисления-восстановления; лито – организмы, способные использовать в качестве доноров электронов неорганические вещества) - многочисленные группы почвенных и водных бактерий, которые могут использовать в качестве доноров водорода или электронов неорганические соединения или ионы (ионы аммония, нитрита, сульфита и др.), а также элементарную серу, молекулярный водород и СО, т.е. способны получать в результате их окисления восстановительные эквиваленты и энергию для синтетических процессов. Получение энергии происходит как правило в результате дыхания с О₂ как конечным акцептором водорода. Лишь немногие хемолитотрофные бактерии способны расти за счет «анаэробного дыхания».

Для некоторых хемолитотрофных бактерий такой образ жизни является облигатным, другие же – факультативные хемолитотрофы, т.е. способны также и к хемоорганогетеротрофному росту.

Таким образом, хемолитотрофы могут существовать как в аэробных, так и анаэробных условиях и использовать довольно широкий круг неорганических соединений в качестве источников энергии. На основании специфичности хемолитотрофов в отношении субстратов их можно разделить на 5 основных групп:

· Нитрифицирующие бактерии окисляют восстановленные неорганические соединения азота,

· Бактерии, окисляющие серу, используют в качестве источника энергии H₂S, молекулярную серу (S⁰) или ее частично восстановленные окислы.

· Железобактерии окисляют восстановленное железо или марганец,

· Водородные бактерии используют в качестве источника энергии молекулярный водород,

· Карбоксидобактерии используют единственный источник углерода и энергии – СО₂ .

К хемолитотрофным можно отнести также сульфатвосстанавливающие и метаногенные бактерии.Сульфатвосстанавливающие бактерии получают энергию окислением в анаэробных условиях молекулярного водорода, используя в качестве конечного акцептора электронов сульфат (SO₄^2-). Метаногенные бактерии используют CO ₂ в качестве конечного акцептора электронов при окислении молекулярного водорода.

Нитрифицирующие бактерии.Нитрифицирующие бактерии получают энергию в результате окисления восстановленных соединений азота (аммиака, азотистой кислоты). Они входят в семейство Nitrobacteriaceae, которое состоит из 8 родов.

Наиболее известные виды нитрифицирующих бактерий – это Nitrosomonas europaea и Nitrobacter winogradskyi.

Таблица 1 –Нитрифицирующие бактерии

Бактерии, окисляющие неорганические соединения серы.Тиановые бактерии состоят из 4 родов:Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiodendron и Sulfolobus.

Тиановые бактерии способны окислять с получением энергии, помимо молекулярной серы, многие ее восстановленные соединения: сероводород (H₂S), сульфит (SO₃^2-), сульфиды тяжелых металлов и т.д. Полное ферментативное окисление тиановыми бактериями молекулярной серы и различных ее восстановительных соединений приводит к образованию сульфата (SO₄^2-).

Окисление сероводорода (H₂S) до сульфата сопровождается потерей 8 электронов, поступающих в дыхательную цепь, при этом в качестве промежуточных продуктов образуется молекулярная сера и сульфит:

H₂S → S⁰ → SO₃^2- → SO₄^2-

В качестве представителей тиановых бактерий можно рассмотреть следующие:

Thiobacillus thiooxidans; S. acidocaldarius; бесцветные нитчатые серобактерии Beggiatoa, Thiothtix, а также крупные одноклеточные формы Thiovulum.

Железобактерии.Основным представителем железобактерий с энергетическим метаболизмом хемолитотрофного типа является Thiobacillus ferrooxidans.

Железобактерия Thiobacillus ferrooxidans окисляет двухвалентное железо до трехвалентного:

4Fe²⁺ + 4 H⁺ + O₂ = 4 Fe³⁺ + 2 H₂O.

В результате такого окисления высвобождается энергия.

Водородные бактерии.Бактерии, окисляющие в аэробных условиях молекулярный водород с использованием кислорода как конечного акцептора электронов, объединяют в группу аэробных водородных бактерий. Все они способны как к автотрофной фиксации СО₂ , так и к использованию органических субстратов. Таким образом, водородные бактерии являются факультативными хемолитоавтотрофами, которые растут при окислении Н₂ в аэробных условиях:

Н₂ + ½ О₂ + Н ₂О.

С таксономической точки зрения аэробные водородные бактерии представляют собой чрезвычайно гетерогенную группу. Большинство видов относится к грамотрицательным родам Pseudomonas, Paracoccus, Xanthobacter,некоторые виды – к грамположительным родам Bacillus, Mycobacterium, Rhizobium. К водородным бактериям в итоге относятся представители 20 родов, совершенно различных по своим биохимическим и физиологическим характеристикам.

Карбоксидобактерии. Это аэробные прокариоты, способные расти, используя окись углерода в качестве единственного источника углерода и энергии. Таким свойством обладают некоторые представители родовPseudomonas, Achromobacter, Comamonas и др. Это грамотрицательные прямые или слегка изогнутые палочки, подвижные.

Использование СО карбоксидобактериями происходит путем его окисления до СО ₂ в соответствии с уравнением:

2 СО + О₂ → 2СО₂

Далее продукт реакции используется по каналам автотрофного метаболизма. Таким образом, при выращивании карбоксидобактерий на среде с СО в качестве единственного источника углерода и энергии источником углерода служит не СО, а СО2.

Общее уравнение обмена карбоксидобактерий может быть представлено в виде следующего уравнения:

24 СО + 11 О₂ + Н₂О → 23 СО₂ + [СН₂О]

Окисление СО карбоксидобактериями осуществляется с участием СО-дегидрогеназы. Электроны, освобождающиеся при этом, поступают в электронтранспортную цепь, состав которой аналогичен таковому водородных бактерий.

56. Биологическая (прямая) денитрификация: химизм процесса, значение, морфологическая и физиологическая характеристика возбудителей.

Гетеротрофы для своего развития нуждаются в энергии (АТФ), которая выделяется при окислении органического вещества, когда О2 — наиболее обычный акцептор электронов. Существуют, однако, организмы, способные при недостатке О2 использовать и другие химические соединения — акцепторы электронов. Окисление органического вещества, происходящее благодаря им, носит название «анаэробного дыхания». Таким акцептором могут служить нитраты NO3-, переходящие в восстановленные формы азота NO2-, N2O или N2. Процесс восстановления окисленных форм азота до аммиака, или до молекулярного азота в относительно анаэробных условиях называется денитрификацией. Наряду с прямой (биологической) денитрификацией существует косвенная (химическая). Реакция восстановления нитратов до свободного азота. Истинные денитрификаторы, относящиеся к родам Pseudomonas,. Achromobacter, Bacillus, Micrococcus, — все анаэробы и используют нитраты только в отсутствие O2 при большом количестве легкодоступного органического вещества, выделяя фермент нитратредуктазу. Восстанавливают нитраты до газообразного азота и некоторые автотрофные бактерии — Thiobacillus denitrificans, а также фототрофные — Rhodopseudomonas sphaeroides f. denitrificans. В прямой денитрификации выделяют два типа процессов: диссимиляторный (описанный више); ассимиляторный, осуществляемый многими растениями и микроорганизмами с восстановлением нитратов до аммиака, который служит источником азота для построения клеточных веществ. В результате диссимиляторной денитрификации азот переходит в атомарный и улетучивается из почв и водоемов, снова возвращаясь в атмосферу, откуда он был поглощен азотфиксаторами. Условия, при которых протекает денитрификация: щелочная среда pH 8,2—2,7; наличие органического вещества, нитратов; плохая аэрация; достаточное увлажнение в естественных условиях — характерны для заболоченных и болотных почв, водоемов с застойными эвтрофизированными водами. В целом этот процесс для природы имеет большое значение, он способствует возврату азота в атмосферу. По П. Дювиньо и М. Тангу (1968), денитрификаторы разлагают до 20% общего азота; в среднем ежегодно улетучивается до 50—60 кг азота с 1 га.

В почве совершается ряд процессов, в результате которых окисленные формы азота (нитраты, нитриты) восстанавливаются до окислов азота или молекулярного азота. Это приводит к существенным потерям из почвы ценных для растений соединений. Восстановление нитратов и нитритов до газообразных азотных соединений происходит в результате процессов прямой и косвенной денитрификации. Под прямой денитрификацией подразумевают биологическое восстановление нитратов, а под косвенной — химическое восстановление нитратов. Прямая, или биологическая, денитрификация, в свою очередь, расчленяется на ассимиляторную и диссимиляторную денитрификацию.

При ассимиляторной денитрификации нитраты восстанавливаются до NH3, который служит источником азота для построения клеточных веществ. К указанной денитрификации способны растения и многие микроорганизмы. В процессах диссимиляторной денитрификации нитраты используются в качестве окислителя органических веществ вместо молекулярного кислорода, что обеспечивает микроорганизмы необходимой энергией. Эти энергетические процессы называются нитратным дыханием.

Способностью диссимиляторной денитрификации обладают только специфические факультативно - анаэробные бактерии. В почве преобладают роды денитрификаторов Pseudomonas и Рагаcoccus (Pseudomonas aeruginosa, Ps. fluorescens, Ps. stutzeri, Paracoccus denitrificans).

Помимо отмеченных мезофильных микроорганизмов, денитрификацию могут вызывать и термофильные бактерии, развивающиеся при температуре 55—65°С. Это спорообразующие бактерии, относящиеся к роду Bacillus.

Денитрифицирующие бактерии используют нитраты в качестве акцептора водорода при отсутствии О2 для окисления органических веществ. При этом анаэробном дыхании органические вещества полностью окисляются до СО2 и Н2О. Таким образом, денитрификаторы растут аэробно без нитратов или анаэробно в их присутствии. Большинство органических субстратов, использующихся в аэробном окислении, может быть потреблено при отсутствии О2, но когда в среде имеются нитраты. Существование денитрификаторов в анаэробных условиях обеспечивают не только нитраты, но и нитриты.

В зависимости от вида микроорганизма, осуществляющего диссимиляторную денитрификацию нитратов или нитритов, конечными продуктами этих процессов могут быть N2, N2O и NO: N03—NО2- -N0 - N20 - N2.

Начальный этап восстановления нитратов при диссимиляторной денитрификации катализируется ферментом нитратредуктазой. Образование этого фермента в клетках микроорганизмов происходит под воздействием нитрата только в анаэробных условиях. В присутствии кислорода воздуха синтез нитратредуктазы не происходит.

Восстанавливать нитраты могут некоторые хемолитоавтотрофы. Например, Thiobacillus denitrificans — факультативно - анаэробный сероокисляющий организм — способен размножаться в анаэробных условиях, используя нитраты в качестве конечного акцептора водорода. Источником энергии для Thiobacillus denitrificans служит элементарная сера или тиосульфат, превращающиеся в сульфат. Нитрат восстанавливается до газообразного азота. Этот энергетически выгодный процесс протекает следующим образом:

5S + 6KNO3 + 2Н20 = ЗN2↑+ K2SO4 + 4KHS04

5K2S2O3+8KNO3+ Н2O→ 4N2↑+9K2SO4+H2SO4

Кроме указанных денитрификаторов, восстанавливают нитраты и многие другие организмы.

Микробиологическая денитрификация в почве вызывает потерю минерального азота. Это достаточно широко распространенный в природе процесс, в результате которого в атмосферу ежегодно поступает из почв и водоемов 270—330 млн. т азота. Особенно существенную роль может играть этот процесс в переувлажненных почвах, а также в случаях, когда минеральные азотные удобрения вносят в форме нитратов совместно с навозом или другими органическими удобрениями. Анализ условий протекания денитрификации в почве приводится в специальной части учебника.

Потери азота из почвы могут происходить и в результате различных химических реакций (косвенная денитрификация). Так, в кислых почвах при pH среды ниже 5,5 не исключается следующая химическая реакция с потерей N0:

3HN02 →2N0↑ +HNO3 + H 2O

Молекулярный азот образуется химическим путем при реакции между азотистой кислотой и аминокислотами или солями аммония, протекающей также при pH ниже 5,5:

R — NH2+НNO2→ N2↑ + R — ОН + H2О

57. Косвенная денитрификация

Косвенная денитрификация – чисто химический процесс, реакция восстановления, происходящая при взаимодействии нитратов с аминосоединениями, которые образуются в процессе жизнедеятельности различных микроорганизмов. В результате таких реакций тоже образуется молекулярный азот: НNO₂ + R-CHNH₂COOH → R-CHOHCOOH + N₂ + Н₂O

Микроорганизмам в этой реакции принадлежит косвенная роль, они образуют исходные продукты реакции – нитриты и аминосоединения.

Косвенная денитрификация имеет место только в кислой среде и значение ее невелико, так как окультуренные почвы не кислые. Более распространена в природе прямая денитрификация. В целом же денитрификация - широко распространенный процесс, в результате которого в атмосферу ежегодно поступает свыше 300млн. т азота. Особенно активно денитрификация протекает в ризосфере растений, где имеются органические вещества. Денитрификации способствуетслабая аэрация, высокая влажность, наличие достаточного количества органических соединений.

Денитрификацию не следует рассматривать как процесс, всегда приводящий к уменьшению азота в почве. Обычно в почве этот процесс до конца не доходит, так как растения усваивают образующиеся промежуточные продукты, возвращая их в круговорот. В настоящее время установлена даже положительная роль денитрификаторов в ризосфере растений, так как они способны кроме денитрификации одновременно осуществлять синтез веществ, стимулирующих рост растений.

58. Какой вред приносит денитрификация и как её можно избежать

Денитрификация, протекающая в основном в почве, дает до 70-80 % выбросов N₂O (закись азота,парниковый газ) в атмосферу.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон

59. Усвоение молекулярного азота микроорганизмами: химизм азотфиксации, значение процесса

Биологическая фиксация азота атмосферы имеет важное значение. Об этом свидетельствуют масштабы процесса — до 200 млн т/год. Благодаря биологической фиксации азот переходит в формы, которые могут использовать все растительные, а через них и животные организмы.

Характеристика азотфиксаторов. Организмы, способные к усвоению азота воздуха, можно разделить на группы:

1) симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, которые усваивают азот атмосферы, только находясь в симбиозе с высшим растением;

2) не симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, свободно живущие в почве и усваивающие азот воздуха;

3) ассоциативные азотфиксаторы — микроорганизмы, обитающие на поверхности корневой системы злаков, т. е. живущие в ассоциации с высшими растениями.

Важное значение имеют симбиотические азотфиксаторы, живущие в клубеньках корней бобовых растений (клубеньковые бактерии), относящиеся к роду Rhizobium. Связывание азота атмосферы возможно только при симбиотической ассоциации микроорганизмов этого вида и высшего растения в основном из семейства Бобовые. Существует большое количество разновидностей (штаммов) клубеньковых бактерий, каждая из которых приспособлена к заражению одного или нескольких видов бобовых растений. Это отражается в их названиях: Rhizobium lupini — клубеньковые бактерии люпина и Rhizobium trifolii— клубеньковые бактерии клевера и т. д.

Клубеньковые бактерии. Способность бобовых растений использовать атмосферный азот была доказана опытами немецких ученых Г. Гельригеля и Г. Вильфарта в 1886 г. Им удалось показать, что, посеянные в прогретый песок, в котором убиты все бактерии, бобовые растения, не образующие в этом случае клубеньков, не усваивают (не фиксируют) атмосферный азот, а растут лишь при наличии его в виде соответственных солей в песке. Впоследствии бактерии были выделены в чистую культуру и названы клубеньковыми бактериями. Оказалось, что, прекрасно развиваясь на питательных средах, клубеньковые бактерии обычно не фиксируют при этом атмосферного азота. Усвоение азота воздуха идет у них беспрепятственно только в симбиозе (сожительстве) с бобовыми растениями.

Характер симбиоза. Находящиеся в почве клубеньковые бактерии проникают в корень бобового растения и здесь начинают размножаться, образуя сплошной тяж бактерий, идущий через ряд клеток. Бактерии интенсивно делятся и заполняют клетки корня. Бобовое растение не остается инертным по отношению к проникшей бактерии, а реагирует усиленным делением клеток, разрастающихся в виде клубеньков или желваков. Клубеньковые бактерии приносят растению пользу, снабжая его азотом.

Специфичность клубеньковых бактерий. Клубеньковые бактерии, поселяющиеся на корнях клевера, не заражают никакой другой бобовой культуры. Клубеньковые бактерии, развивающиеся на горохе, могут, кроме гороха, заражать вику, чечевицу, чину и конские бобы. Иными словами, клубеньковые бактерии образуют специфические расы, заражающие только определенные виды бобовых растений.

Вирулентность клубеньковых бактерий. Вирулентностью бактерий называется их способность заражать данное растение. Очень часто клубеньковые бактерии оказываются маловирулентными, т.е. не заражают или плохо заражают бобовые растения.

Активность клубеньковых бактерий. Помимо вирулентности, важное значение имеет и активность данной расы бактерий. Раса клубеньковой бактерии может быть очень вирулентной, но в то же время неактивной, т.е. она может давать много клубеньков, но не усваивать атмосферного азота.

Бактериальное удобрение нитрагин. Фактически очень часто даже на землях, где десятилетиями культивировались мотыльковые растения, на корнях образуется очень небольшое число клубеньков или даже их совсем не образуется. Для того чтобы обеспечить наличие активных клубеньков, мотыльковые растения перед посевом можно заразить бактериальным препаратом, состоящим обычно из нескольких рас клубеньковых бактерий. Такой бактериальный препарат получил название нитрагин.

Другие азотфиксирующие симбиотические организмы. Помимо клубеньковых бактерий, в природе встречаются и другие аналогичные симбиозы. На корнях ольхи образуются большие деревянистые вздутия (клубеньки), в которых находятся актиномицеты, фиксирующие атмосферный азот.

Свободноживущие азотфиксаторы. Помимо клубеньковых бактерий, в почве встречаются еще и другие виды, способные усваивать атмосферный азот. Выделить подобную бактерию удалось С.Н. Виноградскому в 1893 г. на специальной среде для азотфиксирующих бактерий. Для этой цели он взял среду, содержащую глюкозу и некоторые соли, но абсолютно не содержащую связанного азота ни в органической, ни в минеральной форме. Таким образом, в этой среде могли развиваться только те бактерии, которые усваивают азот из воздуха. Кроме того, опыт был поставлен в анаэробных условиях, т.е. без доступа кислорода. В этих условиях удалось выделить бактерию, вызывающую масляно-кислое брожение, хорошо фиксирующую атмосферный азот, - клостридиум пастерианум.

Свое видовое название бактерия получила в честь Пастера, а родовое - от латинского слова "клострум" - веретено. Клостридиум является сравнительно крупной палочкой, в 3 - 4 мкм длины, дающей споры. Во время спорообразования клетка клостридиума вздувается в виде веретена. Клостридиум имеет жгутики, расположенные по всей поверхности тела, и может сравнительно быстро перемещаться. В лабораторных условиях клостридиум фиксирует атмосферный азот, хотя и в небольших, но заметных количествах от 1 до 5 мг азота на 1 г использованного сахара. Клостридиум - очень широко распространенная бактерия, встречающаяся в самых разнообразных почвах - кислых, нейтральных и щелочных.

Азотобактер. Другой азотфиксирующей бактерией является азотобактер, открытый в 1901 г. Азотобактер в отличие от клостридиума - форма аэробная, развивающаяся при широком доступе кислорода. Азотобактер имеет характерную форму удлиненного кокка, делящегося не путем появления поперечной перегородки, а перетяжкой (Рис.60). Клетки азотобактера довольно крупные. Размер их колеблется от 1 до 10 мкм. Клетки окружает слизистая капсула. Форма азотобактера не остается без изменения. В молодом возрасте он имеет форму очень толстой палочки, затем эллиптическую, а часто и совсем округлую форму. Фиксация азота азотобактером более интенсивна, чем у клостридиума, а именно от 2 до 12 и даже до 20 мг азота на 1 г сахара. Азотобактер очень чувствителен к реакции среды. Оптимум для его развития будет при рН = 7,0 или 7,2, максимум - при рН = 9,0. В почвах, имеющих рН ниже 5,6, он обычно не встречается.

60. Классификация азотфиксаторов

(от азот и фр. fixateur — закрепитель), бактерии и водоросли (преимущественно синезеленые), фиксирующие(связывающие) азот, необходимый для жизнедеятельности организмов. Число видов А. очень велико: средианаэробов наиболее многочисленны обитающие в донных отложениях виды рода бактерий Clostridium,некоторые метаноообразующие, сульфатредуцирующие и фотосинтезирующие бактерии. Из аэробныхнаибольшее значение имеют бактерии сем. Azotobactericeae, Azotobacter и др.) и особенно синезеленыеводоросли родов Anabaena, Amphanizomenon, Nostoc, Microcystes, Nodularia, Qlaecapsa). Способностью казотфиксации (фиксации азота) обладают некоторые водо-родокислящие и фотосинтезирующие бактерииродов Chlorobium, Chromatium и др. Способность сине-зеленых водорослей фиксировать молекулярный азотусиливается присутствием симбиотических бактерий, особенно азотфиксирующих. В Балтийском мореNodularia spumigena фиксирует ок. 2000 т азота в год. Всего в гидросфере фиксируется ежегодно ок. 10 млн. т. азота.

Биологическая фиксация азота атмосферы имеет важное значение. Об этом свидетельствуют масштабы процесса — до 200 млн т N/год. Благодаря биологической фиксации азот переходит в формы, которые могут использовать все растительные, а через них и животные организмы.

Характеристика азотфиксаторов.

Организмы, способные к усвоению азота воздуха, можно разделить на группы:

1) симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, которые усваивают азот атмосферы, только находясь в симбиозе с высшим растением;

2) не симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, свободно живущие в почве и усваивающие азот воздуха;

3) ассоциативные азотфиксаторы — микроорганизмы, обитающие на поверхности корневой системы злаков, т. е. живущие в ассоциации с высшими растениями.

Важное значение имеют симбиотические азотфиксаторы, живущие в клубеньках корней бобовых растений (клубеньковые бактерии), относящиеся к роду Rhizobium. Связывание азота атмосферы возможно только при симбиотической ассоциации микроорганизмов этого вида и высшего растения в основном из семейства Бобовые. Существует большое количество разновидностей (штаммов) клубеньковых бактерий, каждая из которых приспособлена к заражению одного или нескольких видов бобовых растений. Это отражается в их названиях: Rhizobium lupini — клубеньковые бактерии люпина и Rhizobium trifolii— клубеньковые бактерии клевера и т. д..

Корневые системы бобовых растений обладают специфическими корневыми выделениями. Благодаря этому клубеньковые бактерии скапливаются вокруг корневых волосков, которые при этом скручиваются. Такая способность организмов передвигаться в ответ на узнавание химических продуктов, называется хемотаксисом. В осуществлении контактного взаимодействия микроорганизмов С растением важное значение имеет так называемое лектину-глеводное узнавание растения микроорганизмом. Суть этого в том, что лектин корневых волосков растений прочно связывается с углеводом поверхности бактерий. Бактерии, внедрившиеся в корневой волосок, в виде сплошного тяжа (т. н. инфекционные нити), состоящего из соединенных слизью бесчисленных бактерий, проникают в паренхиму корня. Клетки перицикла начинают усиленно делиться. Возможно, бактерии выделяют гормональные вещества типа ауксина и именно это является причиной разрастания тканей, образуются вздутия — клубеньки. Клетки клубеньков заполняются быстро размножающимися бактериями, но остаются живыми и сохраняют крупные ядра. Бактерии при этом трансформируются сами, увеличиваются в размерах, поэтому их называют бактероиды.

Клубеньковые бактерии заражают только полиплоидные клетки корня. Ткань к пубеньков, заполненная бактериями, приобретает розовую окраску, так как поте заражения в клетках бактерий образуется пигмент, сходный с гемоглобином, — леггемоглобин. Этот пигмент связывает кислород воздуха и тем самым предохраняет фермент нитрогеназу от воздействия кислорода. Исследования показали прямую зависимость между содержанием леггемоглобина и скоростью фиксации азота. При отсутствии леггемоглобина азот не усваивается. Информация об образовании леггемоглобина содержится в ДНК ядра клетки высшего растения. Синтезируется клетками растения-хозяина. Однако он образуется после их заражения. Гены растений, кодирующие образование клубеньков, носят название nod-GENE (нодулин-гены). Показано, что скопление бактерий вокруг корня вызывает выделение веществ (возможно олигосахаров), которые активируют т. н. нодулин-белок, индуцирующий транскрипцию нодулин-генов. Взаимоотношения между высшими растениями и клубеньковыми бактериями обычно характеризуют как симбиоз. Однако на первых этапах заражения бактерии питаются целиком за счет высшего растения, т. е. практически паразитируют на нем. В этот период рост зараженных растений даже несколько тормозится. В дальнейшем азотфиксирующая способность бактерий увеличивается, и они начинают снабжать азотистыми веществами растение-хозяина, вместе с тем бактерии получают от высшего растения углеводы (симбиоз). По мере дальнейшего развития наступает этап, когда высшее растение паразитирует на клетках бактерий, потребляя все образующиеся там азотистые соединения. В этот период часто наблюдается растворение (лизис) бактериальных клеток.

Благодаря деятельности клубеньковых бактерий часть азотистых соединений из корней бобовых растений диффундирует в почву, обогащая ее азотом. Посев бобовых растений ведет к повышению почвенного плодородия. Гектар бобовых растений в симбиозе с бактериями может перевести в связанное состояние от 100 до 400 кг азота за год. Значение этого трудно переоценить, если учесть, что азотные удобрения наиболее дорогостоящи, а в почве соединения азота содержатся в небольших количествах. Существуют и другие виды высших растений, у которых наблюдается симбиоз с микроорганизмами. Так, маленький водный папоротник азолла (Azolla) находится в симбиотических отношениях с азотфиксирующими цианобактериями. Азолла способна фиксировать до 0,5 кг азота на га в сутки. Некоторые деревья и кустарники (например, ольха, облепиха, лох) имеют в качестве симбионтов бактерии из рода актиномицеты. Большое значение имеют свободноживущие бактерии — азотфиксаторы. В 1893 г. русским микробиологом С.Н. Виноградским была выделена анаэробная азотфиксирующая бактерия Clostridium pasteurianum. В 1901 г. голландский ученый М. Бейеринк выделил две аэробные азотфиксирующие бактерии — Azotobacter chroococum, Azotobacter agile. Сейчас известен ряд видов Azotobacter. Свободноживущие азотфиксаторы могут быть факультативными аэробными или факультативными анаэробными. Для того чтобы эти микроорганизмы осуществляли процесс фиксации азота, необходимо присутствие молибдена, железа и кальция. Особенно важно присутствие молибдена. Свободно живущие азотфиксаторы {Azotobacter) усваивают в среднем около 1 г азота на 1 м² в год. Усваивать атмосферный азот способны и многие другие бактерии: клебсиеллы, бациллы и т. д. Особый интерес представляют цианобактерии, вызывающие цветение пресных и океанических водоемов. В ряде стран их разведение практикуется на рисовых полях.

Ассоциативные азотфиксаторы были обнаружены в 70—80-х годах XX в. в лаборатории Д. Доберейнер в Бразилии (1976). Число их видов велико, как велико разнообразие ассоциативных взаимоотношений растений с микроорганизмами. Такие отношения характерны для ризосферных микроорганизмов, т. е. живущих на поверхности корневой системы растений. Часто микробиологи не делают различия между ассоциативными и свободноживущими азотфиксаторами. Последовательность взаимоотношений с растением-хозяином ассоциативных азотфиксаторов имеет определенное сходство с симбиотическими организмами: хемотаксическое узнавание, лектин-углеводное узнавание и этап установления прочных связей. Отсутствует только этап образования клубеньков. Эффективность азотфиксации ассоциативной микрофлорой меньше по сравнению с симбиотической, но ассоциативные азотфиксаторы продуцируют гормоны роста растений и обладают другими свойствами, положительно влияющими на рост и развитие растений (защита от фитопатогенов, разрушение токсических веществ). Наиболее изучены из этой группы микроорганизмы из рода азоспирилл (Azospirillum). Они колонизируют корни злаков и в связи с этим представляет интерес технология их выращивания. Азоспириллы легко инфицируют корневую систему злаков и других растений.

61. Свободноживущие азотфиксаторы, их морфологическая и физиологическая характеристика, значение в природе

На некоторых почвах даже без внесения азота в форме минеральных и органических удобрений получают высокие урожаи основных сельскохозяйственных культур. В связи с этим Костычев высказал мнение, что в почвах обитают бактерии, способные фиксировать атмосферный азот. Первыми были выделены бактерии рода Azotobacter. Сразу же после их открытия началось изучение их физиологии и географического распространения. Развитие Azotobacter в значительной степени зависит от содержания в почве органического вещества, реакции среды, наличия фосфора, калия и т. д. Органические вещества почвы служат источником энергии для развития азотобактера. Если почва богата органическим веществом, то численность азотобактера в ней высока. Как отмечал Кристенсен (1926), азотобактер встречается в основном в почвах с нейтральной реакцией. Существует тесная взаимосвязь между распространением азотобактера и содержанием калия в почве. Ваксман на основании многочисленных исследований доказал, что в большинстве случаев отсутствие азотобактера — это результат кислой реакций почвенной среды. Установлено, что в почвах Болгарии при наличии оптимальных условий азотобактер развивается при pH > 6. Более кислая почва является основным фактором, тормозящим развитие этой бактерии. Наличие фосфорной кислоты в почве абсолютно необходимо для развития азотобактера, поскольку фосфор стимулирует размножение бактерий и увеличивает их азотфиксирующую способность. Калий также является необходимым элементом для Azotobacter. Почвы Болгарии достаточно им обеспечены, что содействует развитию бактерий. В почвах азотобактер находится в различных, часто антагонистических взаимоотношениях с другими микроорганизмами. Антагонисты подавляют его развитие даже при благоприятных физических и химических свойствах почвы. На численность азотобактера в почве влияет растительный покров, т. е. азотобактер находится в специфических взаимоотношениях с растениями. По Костычеву, бактерии, расположенные непосредственно в зоне корневой системы, создают благоприятные условия для развития азотобактера. Красильников делит растения на три группы: стимулирующие, подавляющие и безразличные к азотобактеру. Степень фиксации азотобактером атмосферного азота зависит от количества и характера источника углерода, физико-химических свойств почвы, активности распространенных штаммов и других факторов. Подсчитано, что в результате жизнедеятельности азотобактера в почву в среднем за год поступает 30-50 кг/га усвояемого азота. В процессе жизнедеятельности, кроме фиксации азота, азотобактер способен выделять стимуляторы роста и антибиотики, улучшающие развитие растений и повышающие плодородие почв. Многие бактерии могут фиксировать азот даже в анаэробных условиях. Широкое распространение и большое значение имеют анаэробные бактерии рода Clostridium. Они развиваются почти во всех почвах и являются факультативными анаэробами. Из свободноживущих анаэробных азотфиксаторов наиболее широко в почвах Болгарии распространен Az. chroococcum. Данные о распространении азотобактера очень важны, поскольку позволяют определить количество азота, поступающего в почву за счет биологической азотфиксации. При большом количестве азота, поступающем в почву, следует уменьшить дозу вносимых азотных минеральных удобрений. Культивирование активных штаммов азотобактера позволило начать производство бактериального удобрения — азотогена, с успехом используемого во многих странах. В Болгарии изучается распространение в почвах страны азотобактера и G. pasteurianum. В возделываемых черноземах — высокая численность азотобактера, особенно в карбонатных типах почв, в типичных и выщелоченных черноземах она несколько снижается. Численность Az. chroococcum в черноземах существенно зависит от сезона и находится в отрицательной корреляции с количеством О. pasteurianum. В серых лесных почвах также происходят сезонные колебания численности азотфиксирующих бактерий. Количество Cl. pasteurianum в темно-серых лесных почвах примерно такое же, как и в черноземах, но снижается в серых и оподзоленных серых лесных почвах. Az. chroococcum широко распространен в луговых коричневых почвах, меньше — в выщелоченных коричневых и полностью отсутствует в псевдоподзолистых (оподзоленных) коричневых почвах. G. pasteurianum густо заселяет луговые коричневые почвы. Свободноживущие азотфиксаторы Az. chroococcum и Cl. pasteurianum широко распространены в почвах Болгарии. Их численность, а, следовательно, и количество азота, поставляемого в усвояемой форме, возрастают при улучшении условий развития микроорганизмов в почве. Средняя азотфиксирующая активность распространенных в стране штаммов азотобактера составляет 20 мг N/г глюкозы. В почвы, богато заселенные азотобактером, в результате азотфиксации ежегодно может поступать до 50 кг, а при слабом заселении — от 20 до 30 кг N/га. Эти цифры могут быть значительно выше, если учитывать площади, засеянные бобовыми культурами, стимулирующими развитие азотобактера. В Болгарии проводятся исследования по использованию нитрагина под различные культуры. Результаты опытов обнадеживающие

62. Симбиотическая азотфиксация у бобовых растений

Поиск по сайту: