Контрольная работа По "микробиологии"

Аммонификация нуклеиновых кислот. Помимо внутриклеточных превращений нуклеиновых кислот они подвергаются внеклеточному распаду под действием нуклеаз, выделяемых микроорганизмами во внешнюю среду. Внеклеточные ДНК-азы и РНК-азы найдены у многих микроорганизмов. Аммиак выделяется при распаде пуриновых и пиримидиновых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот.

Аммонификация мочевины и мочевой кислоты. Мочевина попадает в почву с мочой млекопитающих, а также синтезируется почвенными грибами. Например, ее содержание в шампиньонах достигает 13% сухой биомассы. В год на Земле образуется около 30 млн. т мочевины. Это огромные ресурсы азота, так как мочевина содержит 46% азота. В сельском хозяйстве мочевина - одно из лучших концентрированных азотных удобрений. Разлагают мочевину микроорганизмы, обитающие в почве и в рубце жвачных животных. Поэтому мочевину добавляют и в корма, а в рубце микроорганизмы переводят ее в белок. Разлагающие мочевину микроорганизмы образуют ферменты уреазы. Среди уробактерий есть кокки - Micrococcus ureae, сарцины - Planosarcma ureae, бациллы - Bacillus probatus (Urobacillus pasfeurii). В химическом отношении мочевина - это полный амид угольной кислоты.

Мочевая кислота - гетероциклическое соединение, производное пурина. Она образуется как конечный продукт белкового обмена пресмыкающихся, насекомых и птиц. Экскременты змей содержат до 90% мочевой кислоты, а в гуано (помете птиц) она составляет 25%. В моче млекопитающих концентрация мочевой кислоты ничтожна. Выводится из организма мочевая кислота с минимальным количеством воды или даже в твердом виде. Аммонификация мочевой кислоты местах скопления гуано приводит в аридных областях к накоплен нитратов, так как образующийся аммиак окисляется нитрифицирующими бактериями, а при низкой влажности нитраты не вымываются. Таковы источники богатых залежей нитратов в Чили, Перу, Южной Африке и на островах Карибского моря. Гуано используется как ценное азотное и фосфорное удобрение, оно содержит около 9% азотной 13% фосфорной кислоты, калий и кальций.

Аммонификация хитина. Хитин - азотсодержащий полисахарид полимер ацетилглюкозамина. Он содержится в панцирных покровах насекомых, в клеточных стенках мицелия грибов. При его разложении образуется уксусная кислота, глюкоза (и продукты ее превращения) и аммиак. Хитиназы особенно распространены у актиномицетов - до 98% проверенных актиномицетов проявляли активность в разложении хитина. Из грибов активную роль в разложении хитина игра мукоровые и некоторые аспергиллы, например, Asp. fumigatus.

Аммиак, образующийся при микробном разложении вышеуказанных соединений растительного  и животного происхождения, претерпевает далее различные превращения: 1) частично адсорбируется в почве на глинисто-гумусовых  комплексах или нейтрализует почвенные  кислоты, 2) потребляется как источник азота в процессе метаболизма  почвенных микроорганизмов (иммобилизуется); 3) выделяется в атмосферу; 4) окисляется в нитриты и нитраты. Последний  процесс носит название нитрификации и является единственным в цикле  азота, который ведет к образованию  окисленных форм азотистых соединений (Заварзин, 2001).

Содержание азота в почвах зависит от количества в них гумуса. В черноземах общее содержание азота достигает 0,4-0,5%, а в дерново-подзолистых почвах и сероземах - только 0,05-0,15%. Общий запас азота в пахотном слое разных почв колеблется от 1500 до 15`000 кг на 1 га.

Основная масса почвенного азота (до 99%) находится в виде органических соединений (белковых и гумусовых  веществ), недоступных для питания  растений. Скорость минерализации органических соединений азота почвенными микроорганизмами до аммиака и нитратов зависит от условий аэрации, влажности, температуры и реакции почвы. Поэтому количество минеральных соединений азота в почвах сильно колеблется - от следов до 2-3% общего содержания азота.

Разложение азотистых органических веществ в почве в общем  виде может быть представлено следующей  схемой: гуминовые вещества, белки ⇒ аминокислоты, амиды ⇒ аммиак ⇒ нитриты ⇒ нитраты ⇒ молекулярный азот.

Распад органических азотосодержащих  веществ почвы до аммиака называется аммонификацией. Этот процесс осуществляется многочисленными аэробными и анаэробными почвенными микроорганизмами и происходит во всех почвах при разной реакции среды, но замедляется в анаэробных условиях и при сильнокислой и щелочной реакциях.

Аммонийный азот в почве подвергается нитрификации - окислению до нитритов, а затем нитратов. Этот процесс осуществляется группой специфических аэробных бактерий, для которых окисление аммиака является источником энергии. Оптимальные условия для нитрификации - хорошая аэрация, влажность почвы 60-70% капиллярной влагоемкости, температура 25-32°С и близкая к нейтральной реакция. Интенсивная нитрификация - один из признаков культурного состояния почвы. На кислых подзолистых почвах в условиях плохой аэрации, избыточной влажности и низкой температуры процессы минерализации протекают слабо и останавливаются на стадии образования аммония. Нитрификация из-за неблагоприятных условий для деятельности нитрифицирующих бактерий бывает подавлена и происходит медленно.

На окультуренных, хорошо обработанных почвах процессы аммонификации и  нитрификации идут интенсивнее, больше образуется минеральных соединений азота, особенно нитратов. Известкование  кислых почв, систематическое внесение органических и минеральных удобрений, усиливая микробиологическую деятельность в почве, резко повышают интенсивность  минерализации органического вещества и образования усвояемых соединений азота.

Минеральные соединения азота не накапливаются  в почве в больших количествах, так как потребляются растениями, а также используются микроорганизмами и частично снова превращаются в  органическую форму.

Азотные удобрения усиливают минерализацию  почвенного органического вещества и значительно увеличивают усвоение растениями азота из почвы. До недавнего  времени считалось, что растения используют 70-80% азота удобрений. Коэффициент  использования растениями азота  удобрений определялся разностным методом - по разнице в выносе азота с урожаем при внесении азота и без внесения, выраженный в % внесенного количества N удобрения. При этом допускалось, что растения в том и другом случае усваивают одинаковое количество азота из почвы. Применение в агрохимических исследованиях метода меченых атомов (в опытах использовали соединения азота, меченные стабильным изотопом азота ¹⁵N) позволило установить, что в полевых условиях растения усваивают непосредственно из удобрений лишь 30-50% азота. Однако при внесении азотных удобрений усиливается минерализация почвенного азота и усвоение его растениями. Коэффициенты использования азота различных форм азотных удобрений существенно не различаются, за исключением экстремальных условий их применения. Показано также, что 10-20% азота нитратных и 30-40% аммиачных, аммонийных удобрений и мочевины закрепляется в почве в органической форме. Превращение азота в органическую форму резко возрастает при запашке в почву органического вещества с низким содержанием азота (пожнивные растительные остатки, солома злаковых и соломистый навоз). Закрепившийся азот медленно минерализуется и слабо усваивается растениями, поэтому последействие азотных удобрений незначительно.

Следовательно, одновременно с минерализацией органического вещества в почве  происходит закрепление минеральных  соединений азота вновь в органическую форму. Но при этом азот не теряется, а лишь временно переходит в недоступные  растениям соединения. Соотношение  процессов минерализации и новообразования  органических азотосодержащих веществ  имеет важное значение в азотном  режиме почв.

Для закрепления нитратного азота  в почве особое значение, как уже  отмечалось, имеет биологическое  поглощение. Нитраты легко передвигаются  в почве и могут вымываться из корнеобитаемого слоя осадками и  дренажными водами. Вымывание нитратов из тяжелых почв под растениями обычно незначительно (в среднем 3-5 кг с 1 га). Однако на легких, особенно парующих, почвах в увлажненных районах, а также  в условиях орошаемого земледелия такие  потери могут достигать значительных величин (до 30-50 кг на 1 га и более).

Потери азота почвы и удобрений  в основном происходят вследствие денитрификации - процесса восстановления нитратного азота до свободного молекулярного азота (N₂) или до газообразных окиси и закиси азота (NO и N₂O). Биологическая денитрификация осуществляется группой денитрифицирующих бактерий и особенно интенсивно идет в анаэробных условиях и щелочной реакции почвы при наличии богатого клетчаткой органического вещества. Биологическая денитрификация протекает и в обычных условиях реакции среды, аэрации и увлажнения, поскольку в почвах неизбежны анаэробные микрозоны, а диапазон благоприятной реакции для развития денитрификаторов довольно широкий. Косвенная, или «хемоденитрификация» связана с образованием газообразных окислов азота и молекулярного азота при химическом взаимодействии промежуточных продуктов нитрификации (нитритов и гидроксиламина) с NH₄⁺, аминокислотами и с органическим веществом почвы, а также в результате разложения азотистой кислоты (особенно при кислой реакции) до NO. Потери азота при денитрификации нитратов, образующихся при нитрификации аммиачного азота почвы и вносимых аммиачных азотных удобрений и мочевины, а также из нитратных азотных удобрений, весьма существенны. Исследования с применением ¹⁵N показали, что потери азота аммиачных удобрений составляют около 20%, а нитратных- до 30% и более внесенного количества. Потери азота удобрений резко возрастают в парующей почве и достигают 40-50%,

Следовательно, в круговороте азота  в земледелии процессы нитрификации наряду с положительной играют и  отрицательную роль, так как образующиеся нитраты могут вымываться и теряться из почвы в виде газообразных продуктов  при денитрификации. Один из путей  снижения потерь азота почвы и  удобрения вследствие денитрификации и вымывания нитратов - применение ингибиторов нитрификации. Эти препараты тормозят нитрификацию и сохраняют минеральный азот почвы и удобрений в аммонийной форме. Особенно эффективно использование ингибиторов нитрификации в районах орошаемого земледелия под хлопчатник и на рисовых плантациях, а также на легких почвах в зоне достаточного увлажнения.

При поверхностном внесении твердых  аммонийных удобрений и мочевины могут происходить потери азота  в форме аммиака, особенно на карбонатных  и щелочных почвах. Однако заделка  удобрений в почву практически  устраняет такие потери. Потери азота  значительно уменьшаются при  правильном применении органических и  минеральных удобрений в сочетании  с рациональной системой обработки  почвы и орошения.

Азот, усвоенный растениями, лишь частично снова возвращается в почву с  навозом, та же часть азота, которая  содержится в товарной продукции (зерно, волокно льна, клубни картофеля и  т. д.), отчуждается из хозяйства.

Чтобы получать высокие, устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур, необходимо постоянно заботиться о пополнении запасов азота в почве. Единственным естественным источником пополнения запасов  азота в почве является азот атмосферы.

В атмосфере над каждым гектаром почвы находится около 80 тыс. т  азота, но молекулярный азот воздуха  недоступен для большинства растений (кроме бобовых) в природных условиях.

Связывание молекулярного азота  воздуха и пополнение запасов  азота в почве происходит двумя  путями. Небольшое количество связанного азота (до 3-5 кг на 1 га) образуется в  атмосфере под действием грозовых разрядов и в виде азотистой и  азотной кислоты поступает в  почву с осадками. Большее значение для питания растений имеет фиксация азота воздуха азотфиксирующими микроорганизмами, свободно живущими в почве (азотобактер, клостридиум  и др.), и клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе с бобовыми растениями (биологический синтез азота).

Свободноживущие азотфиксаторы ассимилируют до 5-10 кг азота на 1 га. Размеры симбиотической азотфиксации зависят от вида бобового растения. Так, клевер может накапливать 150-160 кг азота, люпин - 100-170, люцерна - 250-300, соя - 100, горох, вика и фасоль - 70-80 кг на 1 га. Примерно 1/3, связанного бобовыми азота остается в пожнивных и корневых остатках и после минерализации может использоваться культурами, следующими в севообороте после бобовых.

В среднем на 1 т сена (содержащую 25-30 кг азота) в корневых и послеукосных остатках содержится и поступает  в почву 10-15 кг азота. Вклад биологического азота в азотный баланс определяется площадью, занимаемой многолетними бобовыми травами и их урожаем, от которого зависит количество азота, оставляемого в почве в корневых и послеукосных остатках. Если площадь, занятая бобовыми травами, составляет 10% общей посевной площади, а урожай сена равен 4 т с 1 га, то ежегодное поступление в  почву азота на 1 га посевов бобовых  составит 40-60 кг, а в среднем на 1 га всей посевной площади - 4-6 кг.

Следовательно, суммарное поступление  азота за счет указанных выше источников далеко не компенсирует выноса азота  урожаями сельскохозяйственных культур  и потерь его из почвы в результате вымывания и денитрификации. Поэтому  для получения высоких урожаев  всех сельскохозяйственных культур  и повышения качества урожая громадное  значение имеет внесение в почву  минеральных азотных удобрений, получаемых путем искусственного синтеза  из азота воздуха на химических заводах.

На большинстве почв и особенно в достаточно увлажненных районах  на дерново-подзолистых, серых лесных и выщелоченных черноземах, а также  при орошении на сероземах и других почвах азотные удобрения имеют  решающее значение в повышении урожаев. Они дают наибольшие прибавки урожайности. По данным многих полевых опытов, азотные  удобрения дают в этих районах  около 60% общей прибавки урожая, получаемой от полного минерального удобрения (NPK). Их применяют под все культуры, за исключением бобовых, потребность  которых в азоте обеспечивается за счет фиксации азота воздуха клубеньковыми  бактериями.

Важно правильно хранить навоз, иначе он может потерять большое  количество полезных веществ. В первую очередь теряется азот, который может вымываться или преходить в газообразное состояние и улетучиваться. Для того чтобы уменьшить потерю азота, в навоз следует добавлять минеральное фосфорное удобрение: на 1 т навоза – 15–25 кг фосфоритной муки или суперфосфата. Фосфорные удобрения лучше добавлять в свежий навоз и тщательно перемешивать. Эту процедуру легче проводить следующим способом: разбросать фосфорное удобрение по навозу на скотном дворе при отсутствии на нем животных.

При уборке навоза и складывании  его в навозохранилище удобрение  хорошо перемешается с навозом. Можно  использовать другой способ. Каждый раз при укладке навоза в основную кучу следует добавлять порцию фосфорного удобрения, которое затем при погрузке навоза и укладке его в кучи дополнительно перемешается.