Азотфиксирующие бактерии¶

Азотфиксирующие бактерии (диазотрофы) — это группа бактерий и архей, обладающих способностью связывать молекулярный азот (N₂) из атмосферы и переводить его в форму, доступную для усвоения живыми организмами (аммоний, нитраты). Этот процесс, называемый азотфиксацией, является ключевым этапом круговорота азота в биосфере, так как большинство живых существ не способны напрямую использовать атмосферный азот. Азотфиксирующие бактерии играют фундаментальную роль в поддержании плодородия почв и продуктивности экосистем.

¶История открытия

Способность некоторых растений (бобовых) обогащать почву азотом была известна ещё в древности. В XVIII—XIX веках учёные, такие как Жан-Батист Буссенго, экспериментально подтвердили, что бобовые культуры усваивают азот из воздуха, а не из почвы. Однако механизм этого процесса оставался неясным.

В 1886 году немецкие ботаники Герман Гельригель и Герман Вильфарт доказали, что азотфиксация у бобовых происходит благодаря симбиозу с бактериями, обитающими в клубеньках на корнях. В 1888 году Мартин Бейеринк выделил чистую культуру таких бактерий, названных Rhizobium. В 1893 году Сергей Виноградский открыл свободноживущую азотфиксирующую бактерию Clostridium pasteurianum, а в 1901 году — аэробную Azotobacter chroococcum. Эти открытия заложили основу микробиологии почвы и агрохимии.

¶Механизм азотфиксации

Процесс азотфиксации катализируется ферментом нитрогеназой, который способен разрывать прочную тройную связь в молекуле N₂. Реакция протекает в строго анаэробных условиях (в отсутствие кислорода), так как нитрогеназа необратимо инактивируется кислородом. Общее уравнение реакции:

\[ \text{N}_2 + 8\text{H}^+ + 8\text{e}^- + 16\text{ATP} \rightarrow 2\text{NH}_3 + \text{H}_2 + 16\text{ADP} + 16\text{P}_i \]

Для защиты нитрогеназы от кислорода у разных групп бактерий выработаны различные адаптации:

• Аэробы (например, Azotobacter) используют механизмы дыхательной защиты, связывая избыточный кислород с помощью специальных белков (например, леггемоглобина в клубеньках бобовых).
• Анаэробы (например, Clostridium) фиксируют азот только в бескислородной среде.
• Цианобактерии (например, Anabaena) изолируют процесс в специализированных клетках — гетероцистах, имеющих толстые стенки, непроницаемые для кислорода.

¶Классификация азотфиксирующих бактерий

По образу жизни азотфиксирующие бактерии делятся на две основные группы: свободноживущие и симбиотические.

¶Свободноживущие азотфиксаторы

Эти бактерии обитают в почве, воде или на поверхности растений, не образуя с ними постоянных симбиотических связей. Они фиксируют азот для собственных нужд, а избыток аммония выделяется в среду, становясь доступным для других организмов.

• Аэробные: Azotobacter (обитает в нейтральных и щелочных почвах), Beijerinckia (предпочитает кислые почвы), Azomonas.
• Факультативно-анаэробные: Bacillus polymyxa, Klebsiella pneumoniae.
• Облигатные анаэробы: Clostridium pasteurianum (один из наиболее распространённых почвенных азотфиксаторов).
• Фототрофные: Rhodospirillum rubrum (пурпурные несерные бактерии), Chromatium (пурпурные серные бактерии). Эти бактерии используют энергию света для фиксации азота в анаэробных условиях.
• Цианобактерии: Anabaena, Nostoc, Gloeocapsa. Способны к фотосинтезу и азотфиксации, часто встречаются в водных экосистемах и на поверхности почв.

¶Симбиотические азотфиксаторы

Эти бактерии вступают в мутуалистический симбиоз с высшими растениями, образуя специализированные структуры — клубеньки. Растение обеспечивает бактерии органическими веществами (углеводами) и защитой от кислорода, а бактерии снабжают растение связанным азотом.

• Клубеньковые бактерии бобовых: Роды Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium. Это наиболее изученная группа. Они инфицируют корни бобовых растений (горох, клевер, соя, люцерна), вызывая образование клубеньков. Внутри клубеньков бактерии дифференцируются в бактероиды, которые активно фиксируют азот.
• **Актинобактерии рода Frankia:** Вступают в симбиоз с небобовыми древесными растениями (ольха, облепиха, лох, мирика). Образуют клубеньки на корнях.
• Цианобактерии: Nostoc и Anabaena способны к симбиозу с некоторыми папоротниками (например, Azolla), голосеменными (саговники) и антоцеротовыми мхами. Папоротник Azolla используется в рисоводстве как зелёное удобрение.
• Ассоциативные азотфиксаторы: Бактерии, обитающие на поверхности корней (ризоплане) или в прикорневой зоне (ризосфере) небобовых растений, например, злаков. Они не образуют клубеньков, но получают от растений органические вещества и фиксируют азот, частично доступный растению. Примеры: Azospirillum, Herbaspirillum, Gluconacetobacter diazotrophicus.

¶Значение в природе и сельском хозяйстве

Азотфиксирующие бактерии являются основным источником связанного азота в биосфере. Ежегодно они фиксируют от 100 до 200 миллионов тонн азота, что сопоставимо с промышленным производством азотных удобрений (процесс Габера — Боша).

• Поддержание плодородия почв: Свободноживущие бактерии обогащают почву доступным азотом, что особенно важно для экосистем, где нет бобовых растений.
• Симбиотическая азотфиксация: Бобовые культуры (соя, горох, клевер) широко используются в севооборотах для естественного обогащения почвы азотом, что снижает потребность в минеральных удобрениях. Применение бактериальных удобрений (инокулянтов) на основе Rhizobium позволяет повысить урожайность бобовых на 10–30%.
• Ассоциативная азотфиксация: Исследования показывают, что некоторые штаммы Azospirillum могут стимулировать рост злаковых культур (пшеница, кукуруза, рис) за счёт фиксации азота и выработки фитогормонов.
• Экологическая роль: Цианобактерии являются важными азотфиксаторами в водных экосистемах, особенно в олиготрофных (бедных питательными веществами) озёрах и океанах. Симбиоз Azolla с цианобактериями используется в рисоводстве для биологической фиксации азота, что позволяет сократить использование химических удобрений.

¶Интересные факты

• Нитрогеназа — один из немногих ферментов, способных восстанавливать ацетилен (C₂H₂) до этилена (C₂H₄), что используется в лабораторных методах измерения азотфиксирующей активности (ацетилен-редуктазный тест).
• Некоторые азотфиксирующие бактерии, например Klebsiella pneumoniae, могут быть условно-патогенными для человека, но их азотфиксирующая способность проявляется только в анаэробных условиях, например, в кишечнике.
• В 1970-х годах были обнаружены азотфиксирующие бактерии в кишечнике термитов, что позволяет этим насекомым усваивать азот из древесины, бедной этим элементом.
• Генетическая инженерия пытается перенести гены нитрогеназы в злаковые культуры (пшеницу, рис), чтобы создать растения, способные самостоятельно фиксировать азот. Однако эта задача остаётся крайне сложной из-за высокой чувствительности фермента к кислороду и сложности регуляции процесса.

¶Источники

• Виноградский С. Н. Микробиология почвы. — М.: Изд-во АН СССР, 1952.
• Емцев В. Т., Мишустин Е. Н. Микробиология: Учебник для вузов. — 7-е изд., перераб. и доп. — М.: Дрофа, 2005.
• Заварзин Г. А., Колотилова Н. Н. Введение в природоведческую микробиологию. — М.: Книжный дом «Университет», 2001.
• Шлегель Г. Общая микробиология. — М.: Мир, 1987.
• Postgate J. R. The Fundamentals of Nitrogen Fixation. — Cambridge University Press, 1982.