Азотфиксация

Азотфиксация, фиксация молекулярного атмосферного азота, диазотрофия. Процесс восстановления молекулы азота и включения её в состав своей биомассы прокариотными микроорганизмами. Важнейший источник азота в биологическом круговороте. В наземных экосистемах азотфиксаторы локализуются в основном в почве.

Атомы в молекуле азота связаны прочной тройной ковалентной связью, из-за чего он практически не вступает в реакции окисления-восстановления в нормальных условиях без применения катализаторов и не может использоваться растениями и животными. Микроорганизмы для восстановления азота используют целую серию ферментов (ферредоксин, гидрогеназа), важнейшим из которых является нитрогеназа. За её синтез ответственны так называемые nif-гены, широко распространенные у прокариот (в том числе архебактерий), но не встречающиеся уэукариот. Процесс А. достаточно энергоёмкий, для ассимиляции 1 молекулы азота требуется не менее 12 молекул АТФ, то есть для использования 1 мг азота анаэробным микроорганизмам требуется около 500 мг сахарозы.

Нитрогеназа блокируется молекулярным кислородом, поэтому азотфиксация в основном анаэробный процесс. Однако ряд аэробных бактерий выработал механизмы защиты нитрогеназы от блокирования:

• Механизм повышенного уровня дыхания. Azotobacter chroococcum при А. окисляет часть органического вещества, не запасая выделившейся энергии, а только лишь удаляя этим кислород.

• Механизм локализации А.  в гетероцистах характерен для цианобактерий, способных к фотосинтезу с выделением кислорода. Для защиты нитрогеназы от кислорода они имеют особые, лишенные хлорофилла клетки - гетероцисты. Некоторые цианобактерии, не образующие гетероцисты, также способны к А. Нитчатая цианобактерия Plectonema boryanum фиксирует азот в микроаэробных условиях (1.5% содержания кислорода в темноте и 0.5% кислорода на свету), нитчатые цианобактерии Symploca и Lyngbya majuscula, а также одноклеточные цианобактерии родов Gloeothece и Cyanothece способны к азотфиксации при отсутствии освещения.

• Механизм симбиотической защиты характерен для клубеньковых бактерий. В корнях бобовых продуцируется легоглобин, выполняющий функции защиты от избытка кислорода.

Различают три типа А.:

• Свободноживущими бактериями самых разнообразных таксономических групп.

• Ассоциативная А. бактериями, находящимися в тесной связи с растениями (в прикорневой зоне или на поверхности листьев) и использующие их выделения (корневые выделения составляют до 30 % продукции фотосинтеза) как источник органического вещества. Азотфиксаторы живут в кишечнике многих животных (жвачные, грызуны, термиты) и человека (род Escherichia).

• Симбиотическая. Наиболее известен симбиоз клубеньковых бактерий (сем. Rhizobiaceae) с бобовыми растениями. Обычно происходит корневое заражение, но известны растения, образующие клубеньки на стеблях и листьях.

Созданы бактериальные удобрения (например, нитрагин) для инокуляции (заражения) штаммами клубеньковых бактерий семян бобовых культур, что увеличивает их урожайность. Также для стимулирования процессов А. полезно вносить в почву небольшие «стартовые» дозы азотных удобрений, в то время как большие их дозы подавляют процесс.

Первые диазотрофные бактерии были выделены С. Н. Виноградским в 1898 году и названы в честь Луи Пастера Clostridium pasterianum. В 1901 Бейеринк выделил первый аэробный азотфиксатор Azotobacter chroococcum. С. П. Костычев в 1926 на примере азотобактера и растений табака показал существование ассоциативной А.

Азотфиксация, процесс связывания молекулярного азота (N2) атмосферы и перевода его в азотистые соединения. А. осуществляется азотфиксирующими микроорганизмами, в том числе клубеньковыми бактериями, и др. микроорганизмами (бактерии, актиномицеты, дрожжи, грибы и сине-зелёные водоросли), обитающими в почвах, пресных водоёмах, морях и океанах. А. — важнейший биологический процесс, играющий большую роль в круговороте азота в природе и обогащающий почву и водоёмы связанным азотом. В атмосфере содержится над 1 га почвы более 70 000 т свободного азота, и только в результате А. часть этого азота становится доступной для использования высшими растениями. Свободноживущие азотфиксирующие бактерии связывают несколько десятков килограммов азота на 1 га в год. Сине-зелёные водоросли на рисовых полях фиксируют до 200 кг/га азота в год. Общая прибыль азота (в надземных органах и пожнивных остатках) при культивировании бобовых растений составляет от 57,5 до 335 кг/га в год. Количество азота, внесённого в почву бобовыми растениями за счёт деятельности клубеньковых бактерий, достигает 100 — 250 кг/га за сезон. Естественно, этот процесс имеет большое значение для улучшения почв и повышения урожайности с.-х. культур. С этой целью перед посевом семена бобовых смешивают с препаратами клубеньковых бактерий, делают бобовые предшественниками злаков в севообороте, сеют кукурузу с клевером, вику с овсом и пр. Исследование механизма А. очень важно. Ещё в 1894 С. Н. Виноградский предположил, что в результате А. образуется аммиак. Современными методами исследования, в том числе с применением тяжёлого изотопа азота (N15), это предположение подтверждено. А. Н. Бах полагал (1934), что А. — результат сопряжённого действия окислительно-восстановительных ферментов. Установлено, что восстановление молекулярного азота (N2) до аммиака (NH3) происходит при участии ферментной системы, содержащей железо, молибден, магний и функционирующей как переносчик электронов к N2. Азотфиксирующие ферментные системы катализируют восстановление N2 в присутствии источника энергии — аденозинтрифосфата (АТФ) и восстановителя, например молекулярного водорода (H2) или гидросульфита (Na2S2O4). Т. о., собственно А., осуществляемая при помощи ферментов, не нуждается в кислороде и является восстановительным процессом. 

  Лит.: Кретович В. Л., Любимов В. И., Биохимия фиксации азота, «Природа», 1964, № 12, с. 14—21; Мишустин Е. Н., Шильников а В. К., Биологическая фиксация атмосферного азота, М., 1968.

АЗОТФИКСАЦИЯ — процесс перевода молеку­лярного атмосферного азота в связанные азотистые соединения. А. имеет важнейшее значение для с. х-ва. За счёт этого процесса каждый гектар ночвы ежегодно обогащается по крайней мере 20—30 кг азота. При пересчёте па посевные площади СССР, имеющие в составе своей микрофлоры азотфикси-рующие бактерии, получается величина, прибли­жающаяся к 3 млн. т азота. Главными возбудителями А. являются, с одной стороны, клубеньковые бакте­рии,фиксирующне атмосферный азот в симбио­зе с бобовыми растениями, с другой стороны — азотобактер и клостридиум, осуществляющие этот процесс независимо от растений.

Чистую культуру клубеньковых бактерий удалось получить в 1888, а клостридиум и азотобактер были выделены позже (в 1893 и 1901). Клостридиум был открыт русским микробиологом С. Н. Виноград-ским, к-рый начал изучение этой группы почвенных бактерий. В этом изучении деятельное участие при­нял П. А. Костычев и др. русские учёные. Так как азо­тобактер весьма продуктивно связывает атмосферный азот и очень легко культивируется в лабораторных условиях, то наибольшее количество исследований и было осуществлено с этим организмом. Лучше всего он развивается в аэробных условиях и при наличии в среде доступных источников углерода, фосфора и калия. В качестве источника углерода он может использовать различные углеводы, соли органических кислот и нек-рые спирты.

С теоретической и практической точек зрения наибольший интерес представляет вопрос о меха­низме фиксации атмосферного азота. Этому было посвящено очень много исследований. Вначале пред­полагали, что фиксация происходит за счёт гидроли­за азота и сопровождается образованием или азо-тистокислого аммония или гидроксиламина. Одна­ко скоро удалось установить, что для гидролиза азота требуются огромные давления (1061 атмосфер), совершенно невозможные в системе протоплазмы азотобактера. Поэтому гидролитическое связывание азота было признано не отвечающим действитель­ности. Затем было выдвинуто предположение, что в культурах азотобактера происходит восстанов­ление азота активным водородом до аммиака. Одна­ко многочисленные эксперименты показали, что восстановительная теория также мало обосно­вана. В 1940—44 исследованиями М. В. Фёдорова было доказано, что в системе протоплазмы азото­бактера имеется особый катализатор (фермент), содержащий в своём составе активные карбониль­ные группы (кетогрунпы), по месту которых и присоединяется азот, давая сначала кислородные соединения. В дальнейшем эти соединения подвер­гаются восстановлению водородом окисляемого органического вещества до гидразинов, азот к-рых идёт на образование аминокислот и белковых ве­ществ. Новая теория А. не только объясняет на­копленные наукой факты, по и в значительной мере позволяет управлять процессом, в частности повы­шать продуктивность фиксации.

В почвенных условиях свободноживущие азот-фиксирующие бактерии в качестве источника угле^ рода пользуются корневыми выделениями растений и различными продуктами разложения клетчатки и других органических остатков. Первый источник даёт сравнительно немного органического вещества (ок. 5% веса урожая). Второй источник даёт его гораздо больше, особенно при культуре многолет­них трав или внесении навоза. Поэтому на почвах, хорошо обеспеченных органическим веществом, А. достигает больших размеров. В почвах рисовых полей, на табачных плантациях, а также в прериях и в тропич. лесах объём А. столь значителен, что высокие урожаи получаются в продолжение многих лет без внесения азотистых удобрений.

Для установления более тесного контакта азотфиксирующих бактерий с корневой системой расте­ний полезно заражать высеваемые семена злаков и овощных культур чистой культурой азотобактера. На многих почвах, достаточно обеспеченных фосфо­ром и калием и имеющих реакцию, близкую к ней­тральной, такое заражение даёт прибавку в урожае на 10% и более. С этой целью применяется специаль­ный зомлеудобрительный препарат, содержащий культуру азотобактера, — азотоген, или азотобак­терин. Для усиленного образования клубень­ков на корнях бобовых растений, высеваемых на данной почве впервые или же после некоторого пе­рерыва, применяется второй бактериальный земле-удобрительный препарат — нитрагин (см. Бакте­риальные удобрения). От его применения урожаи бобовых растений возрастают на 20—50%.

А. относится к числу важнейших процессов в поч­ве, обогащающих её азотом за счёт воздуха, где за­пасы азота совершенно неисчерпаемы (над каждым гектаром почвы подпимается слой воздуха, содер­жащий 80.000 т азота).

Лит.: Ф ё д о р о в М. В., Биологическая фиксация азо­та атмосферы, М., 1948.