Материал: Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

Основними джерелами метану мікробного походження є болотяні і перезволожені ґрунти, у тому числі рисовники, донні відкладення. Метан мікробного походження утворюється також у кишковику жуйних тварин і термітів. У табл. 7.1 наведено потоки метану до атмосфери з урахуван­ ням метану мікробного походження, які свідчать про вирішальну раль ґрунтових мікроорганізмів у продукції цього газу.

Проте значна частина метану, який утворюється метаногенами, не досягає атмосфери, оскільки на межі анаеробних і аеробних умов він окислюється метанотрофними бактеріями.

Окислення метану здійснюють облігатні метаноокиснювальні бак­ терії родів Uethytococcus, Methylomonas, Methytosinus, Methylocysb's, a також факультативні метилотрофні дріжджі і бактерії родів Hyphomicrobium, Pseudomonas, Methylobactenum. Першим етапом є окислення метану до метанолу за участю метанмонооксигенази:

СН4Ю 2+ ХНг -> СН3ОН + Н30+ К

де X - клітинний донор електрону.

Сумарний результат діяльності метаногенних і метанотрофних мік­ роорганізмів впливає на газовий оклад атмосфери. Систематичні спо­ стереження за змінами хімічного складу атмосфери у порівнянні зі скла­ дом газів, що містяться у газових бульбочках льоду Антарктиди і Грен­ ландії, показали, що за останні 300-400 років в атмосфері Землі збіль­ шується вміст С 02 І СН4, які створюють “парниковий” ефект, що може привести до глобального потепління клімату Землі.

101

7.2. Кругообіг азоту

Кругообіг азоту складається з процесу мікробної його фіксацПЇ з ат­ мосфери і включення зв’язаного азоту у малий біологічний кругообіг, у якому виділяють деструкцію азотвмісних органічних сполук до аміаку (амоніфікація), окиснення аміку до азотної кислоти (нітрифікація), на* ступного відновлення до вільного азоту (денітрифікація), який надхо­ дить у атмосферу. У цьому циклі перелічені тільки кінцеві продукти ос­ новних шляхів мікробної трансформації азоту у ґрунті, проте у кожному з них утворюються проміжні продукти. Схема кругообігу азоту наведена на рис. 7.2. У трансформації сполук азоту головна роль належить мікро­ організмам. Недостатня увага до мікробіологічного фактору трансфор­ мації азоту у ґрунті є однією з причин незбалансованоіо забезпечення рослин азотом, надмірного накопичення нітратів у рослинній продукції, низької ефективності використання азотних мінеральних добрив, масо­ вого забруднення біосфери окислами азоту.

7.2.1. Біологічна азот ф іксація

Запаси молекулярного азоту у повітрі є практично невичерпними. Над 1 кмг земної поверхні у атмосфері міститься близько 8 млн. тонн азоту. Але у молекулярній формі цей елемент не може бути засвоєним жодним організмом на Землі, окрім деяких прокаріот. Азот може засво­ юватись еукаріотними організмами тільки у формі неорганічних І органі­ чних сполук. Саме нестача зв'язаних форм азоту у ґрунті є одним із фа­ кторів, які лімітують розвиток рослин.

Зв'язування азоту у природі може відбуватись абіотичним шляхом - при електричних розрядах у атмосфері, виверженнях вулканів, пожежах та ін. Проте кількість азоту, який зв'язується за таких умов, є невеликою, а сам процес - неврегульованим.

Здатність до біологічного зв’язування молекулярного азоту повітря мають тільки деякі прокаріотичні організми завдяки наявності у них спе­ цифічного ферменту - нітрогенази.

Азотфіксацією називається відновлення молекулярного азоту (Ыг) бо аміаку ф ерментом нітрогеназою в клітинах азотфіксуючих бактерій.

Біологічна азотфіксація є головним джерелом засвоюваного азоту у біосфері.

Відкриття мікроорганізмів-азотфіксаторів почалося з виявлення

у1882 р. М. Жаданом факту збагачення азотом поживного середовища,

уякому розвивались мікроорганізми за присутності доступних вуглеце­ вих субстратів. Г. Гельрігель (1883 р.) вперше висловив ідею щодо мо­

102

жливості біологічного зв’язування азоту повітря. У балансових дослідах М. Бертло (1885 р.) було виявлено приріст вмісту азоту не тільки у ла­ бораторних поживних середовищах, а й безпосередньо у фунті.

Рис. 7.2. Схема кругообігуазотуу природі

С.М. Виноградський у 1883 р. вперше виділив чисту культуру анае­ робної бактерії, названу ним С/о$<т/гш) разівигіапит, і довів її здатність фіксувати атмосферний азот. М. Бейєрінк у 1901 р. виділив чисту куль­ туру азотфіксуючої аеробної бактерії - АтіоЬааег сЬгоососсит.

Вивчення біологічної фіксації азоту атмосфери значною мірою за­ лежало від аналітичних можливостей методів, які застосовувалися до­ слідниками. Протягом тривалого часу (До початку 50-х років XX ст.) про­ водились активні пошуки мікроорганізмів-азотфіксаторів шляхом висіву на безазотових середовищах. Здатність до азотфіксації виявляли у ба­ лансових підрахунках за приростом вмісту загального азоту, який ви­ значали хімічним методом за К’епьдалем. Цей метод є малочутливим, тому імовірність виявлення азотфіксаторів була низькою.

103

З середини XX ст. почали використовувати стабільний ізотоп азоту 1SN. Було встановлено, що стабільний ізотоп ,SN засвоюється мікроор­ ганізмами майже з такою швидкістю, як азот повітря 14іч. Тобто за кількі­ стю засвоєного клітинами 1SN можна характеризувати активність азотфік­ сації бактеріальними клітинами. Застосування ізотопного методу дало можливість істотно підвищити чутливість визначення зв’язаного азоту - до КҐ* М. Підсумовуючи результати застосування цього методу, М.В. Федоров зробив висновок, що фіксувати азот можуть мікроорганіз­ ми таких родів: вільноіснуючі Clostridium, Azotobacter та бактерії, які зда­ тні фіксувати азот у симбіозі з бобовими рослинами - це бульбочкові бактерії роду Rhizobium.

Наступний етап вивчення біологічної азотфіксації почався з від­ криття ацетилен-етиленового методу визначення активності нітрогеназ. Метод базується на здатності нїгрогенази відновлювати ацетилен (СгНг) до етилену (СгН4) у кількості, пропорційній вмісту азоту, який мо­ же бути фіксований за таких умов. Ацетилен-етиленовий метод з вико­ ристанням газової хроматографії дозволив підвищити точність вимірю­ вання азотфіксації до Ю 'в М. Завдяки використанню цього методу здат­ ність до фіксації азоту була виявлена у широкого кола бактерій, які від­ носяться до різних таксономічних груп. Було достовірно доказано, що атмосферний азот не здатні фіксувати гриби, рослини і тварини.

Крім азотфіксаторів вільноіснуючих {азотобактер, анаеробні бакте­ рії) та симбіотичних (бульбочкові бактерії'), були також виявлені асоціа­ тивні й ендофітні діазотрофи. Асоціативні діазотрофи існують на коре­ нях і стеблах рослин, живляться фотосинтетичними продуктами, що екскретуються назовні. Ендофітні діазотрофи існують у міжклітинних просторах рослинних тканин і використовують продукти фотосинтезу, що містяться у рослині. Виявлені також води, які можуть Існувати як у ризосфері, так і ендофітно.

Використання ацетилен-етиленового методу дозволило більш точ­ но оцінити внесок асоціативної мікробної азотфіксації у азотний баланс наземних екосистем: він складає не менш як 20-40 кг/га і сягає до 100кг/га у тропічній зоні. Нині здатність до фіксування азоту (за ознакою нгтрогеназної активності) виявлена у багатьох мікроорганізмів (табл. 7.2).

Азотфіксуючі мікроорганізми за способом існування розподіляють на вільноіснуючі (Azotobacter, Clostridium, Klebsiella}, асоціативні, що живуть на коренях рослин (Azospirillum, Flavobacterium), ендофітні

(Acetobacter і Azoarcus, Anabaena, Nostoc), внутрішньоклітинні симбіон­ ти (Rhizobiaceae з бобовими рослинами, Nostoc з Gunnera).

104

Таблиця 7.2

Основні представники азотфіксуючих мікроорганізмів

Рід ВасШив Види ВяиЬШ, В.роіутуха

105