ФИКСАЦИЯ АТМОСФЕРНОГО АЗОТА И ЕЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ СРЕДИ МАКРОТАКСОНОВ БАКТЕРИЙ

Изучение азотфиксирующих бактерий имеет место, так как они являются единственными микроорганизмами, способными в процессе своей жизнедеятельности усваивать атмосферный азот. Азотфиксация играет важную роль в природе, являясь основным источником усваиваемых форм азота (аммиак, нитриты) в почве. Также, одной из причин изучения метанобразующих бактерий является то, что процесс фиксации азота используется человеком для повышения плодородия почв, очистки сточных вод и биоремедиации.

Живые организмы нуждаются в азоте, поскольку он входит в состав аминокислот, образующих белки и нуклеиновые кислоты [2, с. 38]. Молекулярный азот является основным компонентом (приблизительно 80%) земной атмосферы, но большинство организмов не может использовать свободный азот, для синтеза веществ, необходимые для роста и репродукции.

Атмосферный азот усваивают (фиксируют) почвенные микроорганизмы. Биологическая фиксация производится определенными микроорганизмами – диазотрофами – в одиночку или в симбиозе с некоторыми растениями и животными. Существует три группы азотфиксирующих микроорганизмов:

1. Свободноживущие азотфиксирующие бактерии. К ним относятся аэробные, анаэробные бактерии и сине-зеленые водоросли. Данная группа состоит из 5 подгрупп:

• Свободноживущие нефотосинтезирующие облигатно анаэробные бактерии. Данные микроорганизмы проживают в почвах и разлагающихся веществах растительного происхождения (Clostridium), также некоторые метаногены способны фиксировать азот в кишечнике животных.
• Факультативные анаэробы. Фиксация азота происходит только в анаэробных условиях. К ним относятся: Klebsiella pneumonia, Paenibacillus Polymyxa, Bacillus macerans и Escherichia Intermedia.
• Свободноживущие нефотосинтезирующие аэробные бактерии: Azotobacter, Beijerinckia и Derxia.
• Свободноживущие фотосинтезирующие бактерии: Chromatium, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum. Сюда также относятся цианобактерии (Anabaena cylindrica и Nostoc communa).
• Свободноживущие хемосинтезирующие бактерии (Desulfovibrio.)

2. Ассоциативные азотфиксирующие бактерии. К ним относятся микроорганизмы, находящиеся в тесной связи с растениями и использующие их выделения как источник органического вещества, например Azotobacter и сахарный тростник.

3. Симбиотические диазотрофы. К ним относятся:

• Виды бактерий, вступающие в симбиоз с растениями семейства бобовых. Поступающий кислород связывается с белком леггемоглобином в корневых клубеньках и транспортируется в клетку в количестве, необходимого для дыхания. К таким микроорганизмам относятся представители рода Rhizobium.
• Виды бактерий, вступающих в симбиоз с двудольными растениями (Frankia).
• Симбиотические цианобактерии. Некоторые виды связываются с грибами, лишайниками и папоротниками (Anabaena) [7, с. 49].

Фиксация биологического азота осуществляется в результате процесса превращения азота в аммиак, катализируемого ферментом нитрогеназой. Нитрогеназа очень чувствительна к кислороду [4, с. 147].

В азотфиксирующей сине-зеленой водоросли Nostoc нитрогеназа локализована в гетероцистах, специальных не фотосинтезирующих анаэробных клетках. Эта структурная организация служит также для изоляции азотфиксирующей системы от кислорода, выделяющегося в процессе фотосинтеза.

Синтез нитрогеназы детерминируют nif-гены которые находятся в хромосоме (Klebsiella, Bradyrhizobium ) или мегаплазмиде (Rhizobium). Nif гены также кодируют регуляторные белки, участвующие в фиксации азота. Nif гены встречаются как у свободноживущих азотфиксирующих так и симбиотических бактерий. Экспрессия nif генов индуцируется в ответ на низкую концентрацию связанного азота и кислорода. У большинства бактерий, регулирование nif-генов транскрипции осуществляется азото-чувствительным nifA-белком. Если имеется достаточное количество восстановленного азота или кислорода, активируется другой белок: nifL. NifL ингибирует активность nifA в результате чего, подавляется формирование нитрогеназы [9, с. 65].

Азотофиксаторы имеются у архей. Наиболее большое представительство фиксирующих бактерий представлено у актинобактерий (род Frankia), протеобактерий (Rhizobium, Azotobacter) и цианобактерий.

Род Frankia фиксируют около 15% биологически фиксированного азота в мире. Frankia образует уникальные симбиотические комплексы, в состав которых также входит растение и микориза, или другие бактерии. В таких сообществах организмы защищают и поддерживают друг друга.

Cyanobacteria способны к дифференцировке с образованием специализированных клеток – гетероцист (содержат модифицированные тилакоиды, обычно лишены фикобилисом, не способны к автотрофии и выделению кислорода, имеют дополнительные слои клеточной стенки и осуществляют главным образом фиксацию азота) и акинет (обладающие толстой оболочкой устойчивые покоящиеся клетки). У некоторых известных видов цианобактерий обнаружена способность фиксировать азот, например у Anabaena cylindrica и Nostoc commune [1, с. 13].

Род Azotobacter являются аэробными, свободноживущими микроорганизмами, которые играют важную роль в круговороте азота в природе. Представители рода Azotobacter имеют комплекс ферментов, участвующих в азотфиксации: ферредоксины, гидрогеназы и нитрогеназу. Процесс азотфиксации энергозависим и требует АТФ. Процесс фиксации азота чувствителен к присутствию кислорода, поэтому у представителей рода Azotobacter выработался механизм защиты от действия кислорода — так называемая дыхательная защита и особый белок Shethna, защищающий нитрогеназу и участвующий в предотвращении гибели клетки, вызванной кислородом. Азотобактер – первый аэробный микроорганизм, для которого была показана способность фиксировать молекулярный азот [3, с. 205].

В род Rhizobium (клубеньковые бактерии) объединены бактерии, вызывающие образование клубеньков на корнях бобовых растений и способные фиксировать азот в условиях симбиоза с ними. Существует большое количество разновидностей клубеньковых бактерий, каждая из которых приспособлена к заражению одного или нескольких видов бобовых растений. Это отражается в их названиях: Rhizobium lupini – клубеньковые бактерии люпина и Rhizobium trifolii – клубеньковые бактерии клевера и т. д [5, с. 45].

В осуществлении контактного взаимодействия микроорганизмов с растением важное значение имеет лектин-углеводное узнавание растения микроорганизмом. Суть этого в том, что лектин корневых волосков растений связывается с углеводом бактерий. Бактерии, внедрившиеся в корневой волосок, в виде сплошного тяжа, состоящего из соединенных слизью бесчисленных бактерий, проникают в паренхиму корня. Клетки перицикла начинают усиленно делиться. Бактерии выделяют ауксины и именно это является причиной разрастания тканей, образуются вздутия — клубеньки.

Недавний прогресс в области секвенирования микробных последовательностей генома дал возможность пересмотреть частоту и распространенность способности фиксации азота у макротаксонов бактерий. До недавнего времени, для предсказания наличия у вида фиксации азота требовалось присутствие у него nifH или nifD гена. В 2012 году был предложен новый критерий для прогнозирования фиксации азота у известных видов: наличие минимального набора из шести генов, кодирующих структурные и биосинтетические компоненты, а именно nifHDK и nifENB.

Используя этот критерий, в поисках потенциальных диазотрофов, были изучены геномные последовательности более 1000 видов. В результате 174 – содержали nifH или nifD, 67 – шесть искомых генов. На основании наличия данных генов, было сделано предположения, что эти виды способны фиксировать азот [6].

Азотфиксирющие бактерии играют важную роль в круговороте азота в природе. Цикл азота в природе складывается из трех основных процессов:

1) фиксации азота атмосферы;

2) окисления азота – нитрификации;

3) восстановления азота, включающего процессы аммонификации, или гниения, и денитрификаций.

Фототрофные азотфиксирующие бактерии представляют интерес также в связи с возможностью их использования в биотехнологии: получения аммиака, биотоплива, биологически активных соединений, очистки сточных вод и почв [8, с. 48]. Например Bacillus рolymyxa используют для повышения биологической очистки загрязненной почвы от сырой нефти.

Открытие азотфиксаторов привело к созданию бактериальных удобрений (нитрагин, ризотрофин, азотобактер и др.). Эти удобрения содержат естественные почвенные организмы и позволяют увеличить накопление биомассы высшими растениями.

На основании данной работы можно сделать следующие выводы:

Азотфиксирующие бактерии подразделяются на свободноживущих и симбитотических. Жизнь многих симбиотических бактерий тесно связана с высшими растениями.

Азотфиксаторы играют жизненно важную роль в круговороте азота в природе.

Большое значение азотфиксаторы играют в почвообразовании и повышении её плодородия, фиксируя молекулярный атмосферный азот и преобразуя его в усваиваемые растениями формы.

В научном мире ведутся поиски новых видов азотфиксаторов, а также попытки создания новых трансгенных симбиотических растений.

Азотфиксаторы добавляют в удобрения с целью повышения их качества и питательности.

По самым оптимистичным прогнозам, использование азотфиксирующих бактерий в сельском хозяйстве поспособствует отказу от производства нитратных удобрений.

Список литература:

1. Грабович, М. Ю. Современная систематика прокариот / Чурикова В.В., Черноусова Е.Ю. – Воронеж: Федеральное агенство по образованию Воронежский Государственный Университет, 2005. – C.13–30.
2. Умаров, М. Микробиологическая трансформация азота в почве / М. Умаров, А. Кураков , А. Степанов. – М.: ГЕОС, 2007. – С.38–39.
3. Bogachev, A.V. Respiratory Protection nitrogenase complex in Azotobacter vinelandii" (PDF). – USA: Success Biological Chemistry (Sat) 45, 2005. – P.205 –234.
4. Chung, С. Chapter ,Cleaving the N,N Triple Bond: The Transformation of Dinitrogen to Ammonia by Nitrogenases / C. Chung, L. Markus, W. Ribbe . – New York: Springer, 2004. – P.147–174.
5. Fox, J. E. Pesticides reduce symbiotic efficiency of nitrogen-fixing rhizobia and host plants / J. Gulledge, E. Engelhaupt, M. E. Burow and J. A. McLachlan. – London: Lance, 2007. – P.45.
6. Patricia, D. S. Distribution of nitrogen fixation and nitrogenase-like sequences amongst microbial genomes. – ln: Research article.
7. Postgate, J. Nitrogen Fixation, 3rd Ed. / J. Postgate. – Cambridge: University Press, 1998. – P.49–54.
8. Slade, A.H. Nitrogen fixation in the activated sludge treatment of thermomechanical pulping wastewater / S.M. Anderson, B.G. Evans. – London: effect of dissolved oxygen Water Sci Technol, 2003. – P.48–50.
9. Spaink, H.P. The Rhizobiaceae: Molecular Biology of Model Plant-Associated Bacteria. – New York: Springer, 1998. – P.65–70.