Клубеньковые бактерии и их роль в азотистом обмене

«КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ И  ИХ РОЛЬ В АЗОТИСТОМ ОБМЕНЕ»

 

 

Баку-2011

 

План

 

 

Введение

 

Распространение клубеньковых бактерий в природе

 

История открытия азотфиксирующих  бактерий

 

Клубеньковые бактерии бобовых  культур

 

Вывод

 

Список литературы

 

Введение

 

 

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.

 

Биологический азот может  служить существенным дополнением  азотного фонда почвы, способствуя  повышению ее плодородия и обеспечивая  тем самым более экономное  расходование технического азота - азота  удобрений.

 

В земной коре общее содержание азота (молекулярного и в виде соединений) достигает 0,04% (по массе). Основная масса азота на Земле находится  в атмосферном воздухе; 78% воздуха - чистый молекулярный азот. В количественном выражении это составляет 4*1015 т.

 

Ни человек, ни животные, ни растения не могут потреблять молекулярный азот, которым изобилует воздушный  океан. Столб воздуха над одним  гектаром земной поверхности содержит 80 000 т азота. Если бы растения могли  его усваивать, этого запаса было бы достаточно для получения 30 ц  зерновых с 1 га в течение более  полумиллиона лет. Однако растениям  нужен азот минеральных соединений, и, «купаясь» в молекулярном азоте, они могут испытывать «азотный голод».

 

Содержание доступного растениям  азота в почве обычно невелико. Поэтому повышение урожайности  сельскохозяйственных растений связано  в первую очередь с улучшением их азотного питания.

 

По примерным подсчетам, для сельскохозяйственной продукции  земного шара требуется ежегодно около 100 -110 млн. т азота. С минеральными удобрениями вносится лишь около 30% азота.

 

Дефицит азота в значительной степени компенсируется биологическим  путем, в основном за счет запаса азота, аккумулированного в почве микроорганизмами, в первую очередь азотфиксирующими.

 

К 2000 г. на Земле будет вырабатываться в год примерно 100 млн.т азотных удобрений. Следует думать, что урожаи к этому времени удвоятся и будут выносить из почвы до 200 млн. т азота. Следовательно, и тогда роль микробиологического фактора в азотном обеспечении сельскохозяйственных растений останется весьма значительной.

 

Выдающийся русский ученый, основатель советской агрохимии  Д. Н. Прянишников отметил, что, как  бы ни было высоко развито производство минеральных удобрений, никогда не следует забывать о целесообразности использования биологического азота.

 

В ряде районов черноземной  зоны, где почвы возделываются  уже более 300 лет, вполне удовлетворительные урожаи получают и без внесения минеральных  удобрений. По расчетам же, за это время  почвы должны были бы потерять весь находящийся в них азот. В том, что этого не происходит, заслуга  азотфиксаторов.

 

Существуют две группы фиксирующих атмосферный азот микроорганизмов. Одна из них находится в симбиозе с высшими растениями, образуя  клубеньки на корнях. К этой группе относятся клубеньковые бактерии. Микроорганизмы другой группы обитают в почве  независимо от растений. К ним относятся  азотобактер, клостридиум, бейеринкия и другие свободно-живущие микроорганизмы. Потенциальные возможности симбиотических азотфиксаторов значительно выше, чем свободноживущих.

 

Распространение клубеньковых бактерий в природе

 

 

Являясь симбиотическими  организмами, клубеньковые бактерии распространяются в почвах, сопутствуя определенным видам бобовых растений. После  разрушения клубеньков клетки клубеньковых бактерий попадают в почву и переходят  к существованию за счет различных  органических веществ подобно другим почвенным микроорганизмам. Почти  повсеместное распространение клубеньковых бактерий является доказательством  высокой степени их адаптируемости к различным почвенно-климатическим условиям, способности вести симбиотический и сапрофитный способ жизни.

 

Схематизируя имеющиеся  к настоящему времени данные по распространению  клубеньковых бактерий в природе, можно  сделать следующие обобщения.

 

В целинных и окультуренных  почвах присутствуют обычно в больших  количествах клубеньковые бактерии тех видов бобовых растений, которые  имеются в составе дикой флоры  или культивируются длительное время  в данной местности. Численность  клубеньковых бактерий всегда наивысшая  в ризосфере бобовых растений, несколько меньше их в ризосфере  других видов и мало в почве  вдали от корней.

 

В почвах встречаются как  эффективные, так и неэффективные  клубеньковые бактерии. Имеется много  данных о том, что длительное сапрофитное  существование клубеньковых бактерий, особенно в почвах с неблагоприятными свойствами (кислых, засоленных), ведет  к снижению и даже утрате активности бактерий.

 

Рис. 1 - Клубеньки на корнях ольхи (по Дж. Бекингу)

 

Перекрестная заражаемость разных видов бобовых растений нередко  приводит в природе и сельскохозяйственной практике к появлению на корнях клубеньков, недостаточно активно фиксирующих  молекулярный азот. Это, как правило, зависит от отсутствия в почве  соответствующих видов клубеньковых бактерий.

 

Особенно часто такое  явление наблюдается при использовании  новых видов бобовых растений, которые либо заражаются неэффективными видами бактерий Перекрестных групп, либо развиваются без клубеньков.

 

Рис. 2 - Клубеньки на корнях трибулюс (по О. Аллен)

 

История открытия азотфиксирующих  бактерий

 

 

Проблема биологического азота возникла с развитием земледельческой  культуры. Издавна из практической агрономической деятельности человека было известно, что бобовые растения повышают плодородие почвы. Еще в III - I вв. до н.э. об этом писали греческий  философ Теофраст и римляне Катон, Варрон, Плиний и Вергилий.

 

Первое научное объяснение способности бобовых растений накапливать  азот принадлежит французскому агрохимику Дж. Буссенго (1838). Он установил, что люцерна и клевер обогащают почву азотом, зерновые же и корнеплоды истощают. Эти факты он связал со способностью бобовых растений фиксировать азот из воздуха. Однако Буссенго ошибочно представлял, что агентом фиксации являются листья бобового растения. Именно это неправильное заключение через 15 лет привело Буссенго к отрицанию своего открытия.

 

Стремясь более веско  доказать правоту своей мысли, Буссенго провел серию опытов. В отличие от проводимых им ранее экспериментов он на прокаленном песке выращивал теперь уже не проростки бобовых растений, пересаженных с поля, а тщательно промытые семена (люпин и бобы); сосуды с растениями помещались при этом под стеклянный колпак. В таких условиях обогащения растений «воздушным азотом» не произошло. Сейчас это понятно и легко объяснимо.

 

Именно тщательность постановки опыта, которая исключала возможность  заражения корневой системы проростков клубеньковыми бактериями, привела  Буссенго к результатам, опровергшим прежние его данные. Считая тем не менее последние опыты более достоверными и не предполагая даже о существовании клубеньковых бактерий, он признал результаты прежних опытов ошибочными и отрекся от них.

 

Понадобилось несколько  десятилетий, прежде чем удалось  установить, что молекулярный азот бобовые растения фиксируют только в симбиозе с микроорганизмами, вызывающими  образование клубеньков на их корнях.

 

Русские естествоиспытатели XIX в. М.С. Воронин, П.С. Коссович, К.А. Тимирязев  внесли большой вклад в раскрытие  причин, вызывающих обогащение почвы  азотом при выращивании бобовых  растений. Агрономические и микробиологические исследования, проведенные в те же годы рядом зарубежных авторов, также  способствовали установлению этой истины.

 

Огромный опыт, накопившийся к настоящему времени, свидетельствует  о большой роли бобовых растений в плодородии почв. Прянишников указывает, что после введения в Европе севооборотов с посевом клевера средняя  урожайность зерновых повысилась с 7 до 17 ц на 1 га. В Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева урожаи ржи  в шестипольном севообороте с  клевером однолетнего пользования  на протяжении 50 лет без внесения минеральных удобрений сохраняются  на уровне 14 га на 1 га, а без клевера  урожай достигает лишь 7 ц. На более  плодородных почвах при хорошей  агротехнической обработке бобовые  растения повышают урожайность еще  больше.

 

Около 80 лет назад С. Н. Виноградский выделил из почвы анаэробную бактерию Clostridium pasteurianum, фиксирующую газообразный азот. Несколько позднее голландский исследователь М. Бейеринк открыл аэробную азотфиксирующую бактерию Azotobacter.

 

Полноценное использование  в сельском хозяйстве как симбиотических, так и свободно-живущих азотфиксирующих микроорганизмов возможно только при всестороннем познании факторов, определяющих фиксацию молекулярного азота, и установлении путей интенсификации этого процесса. Возможны два пути интенсификации накопления биологического азота - расширение посевов бобовых культур и создание агротехнических условий, обеспечивающих максимальную азотфиксирующую активность симбиотических и свободноживущих азотфиксаторов.

 

 

Для успешного решения  проблемы интенсификации накопления биологического азота надо увеличивать посевные площади для бобовых культур, проводить углубленную исследовательскую  работу по изучению вопросов эффективной азотфиксации симбиотическими и свободноживущими микроорганизмами.

 

Клубеньковые бактерии бобовых  культур

 

 

Данные палеонтологии  свидетельствуют о том, что самыми древними бобовыми культурами, имевшими клубеньки, были некоторые растения, принадлежащие к группе Eucaesalpinioideae.

 

У современных видов бобовых  растений клубеньки обнаружены на корнях многих представителей семейства Рарilijоnасеае.

 

Филогенетически более примитивные  представители таких семейств, как  Caesalpiniaceae Mimosaceae, в большинстве случаев клубеньков не образуют.

 

Из 13 000 видов (550 родов) бобовых  растений наличие клубеньков выявлено пока только приблизительно у 1300 видов (243 рода). Сюда в первую очередь относятся  виды растений, использующиеся в сельском хозяйстве (более 200).

 

Сформировав клубеньки, бобовые  растения приобретают способность  усваивать атмосферный азот. Однако они способны питаться и связанными формами азота - солями аммония и  азотной кислоты. Лишь одно растение - копеечник (Hedysarum coronarium) - ассимилирует только молекулярный азот. Поэтому без клубеньков в природе это растение не встречается.

 

Клубеньковые бактерии снабжают бобовое растение азотом, который  фиксируют из воздуха. Растения же, в свою очередь, поставляют бактериям  продукты углеводного обмена и минеральные  соли, необходимые им для роста  и развития.

 

В 1866 г. известный ботаник  и почвовед М.С. Воронин увидел в  клубеньках на корнях бобовых растений мельчайшие «тельца». Воронин выдвинул смелые для того времени предположения: он связал образование клубеньков с  деятельностью бактерий, а усиленное  деление клеток ткани корня с  реакцией растения на проникшие в  корень бактерии.

 

20 лет спустя голландский  ученый Бейеринк выделил из клубеньков гороха, вики, чины, фасоли, сераделлы и лядвенца бактерии и изучал их свойства, проверив способность заражать растения и вызывать образование клубеньков. Он назвал эти микроорганизмы Bacillus radicicola. Поскольку к роду Bacillus относятся бактерии, образующие споры, а клубеньковые бактерии лишены этой способности, А. Пражмовский переименовал их в Bacterium radicicola. Б. Франк предложил более удачное родовое название клубеньковых бактерий - Rhizobium (от греч. rhizo - корень, bio - жизнь; жизнь на корнях). Это название привилось и используется в литературе до сих пор.

 

Для обозначения вида клубеньковых бактерий принято к родовому названию Rhizobium добавлять термин, соответствующий латинскому названию того вида растения, из клубеньков которого они выделены и на котором могут образовывать клубеньки. Например, Rhizobium trifolii - клубеньковые бактерии клевера, Rhizobium lupini - клубеньковые бактерии люпина и т.д. В тех случаях, если клубеньковые бактерии способны образовывать клубеньки на корнях разных видов бобовых растений, т. е. вызывать так называемое перекрестное заражение, видовое название является как бы собирательным - в нем отражена именно эта «перекрестно заражающая» способность. Например, Rhizobium leguminosarum - клубеньковые бактерии гороха (Pisum), чечевицы (Lens), чины (Lathyrus).

 

Морфология и физиология клубеньковых бактерий-для клубеньковых бактерий характерно поразительное разнообразие форм - полиморфность. На это обращали внимание многие исследователи, изучая клубеньковые бактерии в чистой культуре в лабораторных условиях и почве. Клубеньковые бактерии могут быть палочковидными и овальными. Среди этих бактерий встречаются также фильтрующиеся формы, L-формы, кокковидные неподвижные и подвижные организмы.

 

Молодые клубеньковые бактерии в чистой культуре на питательных  средах обычно имеют палочковидную  форму, размер палочек примерно 0,5-0,9 X 1,2-3,0 мкм, подвижные, размножаются делением. У палочковидных клеток клубеньковых бактерий клевера наблюдается деление  перешнуровыванием. С возрастом палочковидные клетки могут переходить к почкованию. По Граму клетки окрашиваются отрицательно, ультратонкая структура их типична для грамотрицательных бактерий.

 

При старении клубеньковые бактерии теряют подвижность и переходят  в состояние так называемых опоясанных палочек. Такое название они получили вследствие чередования в клетках  плотных и неплотных участков протоплазмы. Полосатость клеток хорошо выявляется при просмотре в световом микроскопе после обработки клеток анилиновыми красителями. Плотные  участки протоплазмы (пояски) прокрашиваются хуже, чем промежутки между ними. В люминесцентном микроскопе пояски светло-зеленые, промежутки между ними не светятся и выглядят темными.Пояски могут располагаться в середине клетки или на концах. Опоясан-ность клеток видна и на электроннограммах, если препарат перед просмотром не обрабатывать контрастирующими веществами. Вероятно, с возрастом бактериальная клетка наполняется жировыми включениями, не воспринимающими окраску и вследствие этого обусловливающими исчерченность клетки. Стадия «опоясанных палочек» предшествует стадии формирования бактероидов - клеток неправильной формы: утолщенных, разветвленных, сферических, грушевидных и колбовидных.Термин «бактероиды» ввел в литературу Дж. Брунхорст в 1885 г., применив его к необычным по форме образованиям, значительно более крупным, чем палочковидные клетки бактерий, встречающимся в тканях клубеньков.