Проблема использования биологического азота

 

Важнейшую проблему создания достаточного количества белка невозможно решить без использования биологического азота в земледелии, поэтому остаётся актуальным широкое использование уникальных способностей бобовых и микроорганизмов фиксировать молекулярный азот атмосферы.

Микробиологическая фиксация атмосферного азота – экологически чистый путь снабжения растений связанным азотом, требующий относительно небольших энергетических затрат на активизацию азотфиксаторов в почве.

По источникам доступной энергии азотфиксирующие микроорганизмы относят к 2м основным группам: автотрофам и гетеротрофам, хотя такое деление достаточно условно. Автотрофные фиксаторы атмосферного азота – цианобактерии и фотосинтезирующие анаэробные бактерии – играют заметную роль лишь в переувлажненных и затопленных почвах, где фиксируют до 20-50 кг/га азота в год. В почвах всех типов в ризосфере и филлосфере растений наиболее распространены и многочисленны гетеротрофные азотфиксирующие организмы. Наиболее хорошо известно значение клубеньковых бактерий в азотном питании бобовых растений и в обогащении почв азотом.

Способность к фиксации азота обнаружена у большого числа бактерий, принадлежащих к различным систематическим группам. Помимо хорошо известных – азотобактера, клостридий, клубеньковых бактерий – эта способность обнаружена у многих других бактерий: Bacillus, Erwina, Klebsiella и др. У чистых культур эукариотных микроорганизмов, в том числе у грибов и дрожжей, азотфиксирующая активность не обнаружена. Однако известно, смешанные культуры азотфиксаторов с эукариотами характеризуются повышенной нитрогеназной активностью.

Бессменное возделывание небобовых культур не приводит к существенному снижению содержания азота в почве, несмотря на ежегодное отчуждение его с урожаем, тогда как в пару количество гумуса и азота в почве непрерывно уменьшается. Хотя при ассоциативной азотфиксации микроорганизмы и растения не вступают в такое тесное взаимодействие, как в симбиотических системах, в целом она имеет примерно те же экологические особенности – активность азотфиксации меняется по мере развития растений, достигая максимума в периоды бутонизации и цветения и снижаясь во время созревания.

В течение последних лет проводились интенсивные исследования нитрогеназы – основного фермента, осуществляющего процесс азотфиксации. У бобовых культур нитрогеназа находится в клубеньковых бактериях, приобретающих внутри клубенька форму бактероидов. Характерная особенность нитрогеназы – восстановление не только молекулярного азота, но и других субстратов, обладающих тройными связями. Это позволяет широко использовать метод определения азотфиксации по восстановлению ацетилена в этилен.

В состав симбиотических азотфиксирующих систем помимо фермента нитрогеназы входят и другие металлсодержащие белки бактероидов и тканей клубенька.

Особенно следует отметить роль железосодержащего белка – леггемоглобина. Леггемоглобин локализуется растительных клетках. В клубеньках он образуется как продукт симбиоза бактерий с высшими растениями. Активность азотфиксации связана с концентрацией леггемоглобина в клубеньках.

Леггемоглобин, являясь переносчиком кислорода, не принимает непосредственного участия в восстановлении азота. Благодаря наличию этого пигмента, с одной стороны, бактероиды, обеспечены кислородом, с другой стороны, сохранены анаэробные условия для работы нитрогеназы. Нитрогеназа очень чувствительна к кислороду и инактивируется им; в то же время для образования энергии АТФ, необходимой для процесса азотфиксации, требуется кислород. Механизм защиты нитрогеназы от кислорода весьма сложен, и леггемоглобин, по-видимому, является лишь одним из многочисленных звеньев в данном процессе.

Проблема максимального использования биологического азота связана с химизацией сельского хозяйства. Практика показывает, что высокие урожаи бобовых культур можно получить лишь при устранении кислой реакции среды, применении фосфорных, калийных удобрений и отдельных микроудобрений.

Таким образом, можно отметить следующие наиболее важные практические аспекты проблемы биологического азота на ближайшее будущее:

1. Эколого-биологическое и агрономическое значение естественного процесса позволит более полноценно использовать природную фиксацию азота и найти способы её интенсификации.

2. Знание условий связывания азота биологическим путём в мягких условиях позволит разработать новые способы получения азотных удобрений.

3. Изучение генетико-селекционных основ азотфиксирующего симбиоза бобовых растений с клубеньковыми бактериями, использование генной инженерии, а также ряда достижений биохимии и молекулярной биологии будут способствовать распространению процесса азотфиксации на многие сельскохозяйственные культуры.

4.  Расшифровка механизма фиксации азота даст возможность целенаправленно разработать способы воздействия на этот процесс в природе с целью его интенсификации.