Уникальный подарок для земледельцев и феномен для ученых – азотфиксирующие клубеньковые бактерии

Среди микроорганизмов, известных своими полезными свойствами, выделяются азотфиксирующие бактерии. Они успешно производят две трети всего азота в почве, необходимого для нормального развития растений. Поскольку среди организмов, имеющих такие полезные для растений способности, есть бактерии различного происхождения, формы и способа питания, вначале нужно определить, как классифицируют бактерии, опираясь на их свойства.

Почвенные бактерии

Классификация

Размеры бактерий можно сопоставить с величиной частичек глины. В чайной ложке почвы можно обнаружить от ста миллионов до миллиарда различных микроорганизмов, основным местом жительства которых являются тонкие пленки, обволакивающие почвенные частицы и корни растений. Простота строения позволила ученым назвать эти бактерии «мешком ферментов».

Существующие классификации основаны на характерных особенностях этих микроорганизмов – их форме, поведении при окрашивании препаратов, способу питания, а также генетическом родстве.

Форма клеток

Такое примитивное деление было разработано тогда, когда о генетическом анализе никто даже не догадывался. Различают микроорганизмы округлой формы (кокки), продолговатые или стержневые (их называют бациллами), спиральные (спириллы) и имеющие разветвленную структуру (актиномицеты). Кроме того, существуют промежуточные формы, или агрегаты, состоящие из пар, цепочек или гроздьев.

Поведение при окраске по Граму

Было разработано после начала изучения бактерий при помощи их окрашенных препаратов. Грамположительные организмы имеют большие размеры, толстые клеточные стенки и высокую устойчивость к водному стрессу. Их внешняя стенка несет отрицательный электрический заряд. Грамотрицательные же мельче, и быстрее гибнут при отсутствии воды.

Аэробные и анаэробные

Первые не могут жить без кислорода, вторые же отлично обходятся без него, перерабатывая, например, соединения серы или углеводороды.

Аутотрофы и гетеротрофы

Первые способны самостоятельно перерабатывать углекислый газ, превращая его в необходимые для них органические вещества с использованием солнечного света. Ко вторым относятся те, что получают питание, разлагая готовую органику.

Наиболее современная классификация основана на генетическом родстве, выявляемом при секвенировании генома бактерий, а также необходимых условиях для их жизни.

Функции почвенных организмов в экосистеме

Азотфиксирующие клубеньковые бактерии

Почва – среда обитания разнообразных бактерий, которые могут быть как полезными, так и вредными для растений. В зависимости от того, какие функции возложены на данный вид азотфиксирующих бактерий, их классифицируют на 4 класса.

  1. Сапрофиты, или деструкторы. Живут за счет разложения органических остатков, а также выделений корней. Потребляют простые сахара и другие углеродистые соединения. Их основная функция – переработка сложных органических соединений и приведение их в доступную для растений форму. Они также разрушают различные вредные вещества, попадающие в почву, и позволяют сохранить питательные вещества (например, прикорневой азот), обеспечивают круговорот веществ в природе.
  2. Хемоавтотрофы. Живут, используя в качестве источника энергии не кислород, а серу, водород, железо, азот.
  3. Вступающие в симбиоз. Симбиотические формируют взаимовыгодные союзы с растениями (как, например, клубеньковые бактерии). Наиболее известны из них грамотрицательные ризобии, которые обитают на корнях бобовых растений.
  4. Болезнетворные. Это бактерии-патогены, живущие за счет растений, вызывающие различные болезни и постепенно убивающие их.

Фиксация азота: разнообразие форм

Азотфиксирующие бактерии выполняют огромную работу, помогая растениям усваивать атмосферный азот. Их работа на несколько порядков производительнее всех фабрик по производству минеральных удобрений, вместе взятых.

К числу таких азотфиксирующих бактерий относятся клубеньковые симбиотические, поселяющиеся на корнях растений семейства бобовых, и свободноживущие нитрифицирующие. Особняком держатся микроорганизмы-денитрификаторы.

  1. Клубеньковые азотфиксирующие бактерии отлично видны на корнях бобовых – их проникновение внутрь корня сопровождается образованием утолщений, внутри которых создается подходящая среда обитания для анаэробных одноклеточных симбионтов. Растение делится с клубеньковыми азотфиксирующими бактериями синтезируемыми сахарами, они же усваивают атмосферный азот, переводя его в удобные для корней аммонийную и нитратную формы. Разложение бобовых растений существенно увеличивает количество азота в почве. Это свойство широко используется при выращивании сидератов – зеленых удобрений, которые после кратковременного культивирования срезаются и запахиваются в землю.
  2. Нитрифицирующие бактерии. Их характерной особенностью является последовательное превращение аммония сначала в нитрит, а затем в более удобный для растений нитрат. Эти бактерии незаменимы для почв, содержащих большое количество воздуха. Почвенный нитрат способен быстро выщелачиваться и, чтобы избежать этого, земледельцы применяют специальные ингибиторы нитрификации.
  3. Денитрификаторы. Эти бактерии осуществляют обратное превращение почвенных нитратов в азот или его закись. Они также относятся к анаэробным.

Нитрифицирующие бактерии

Азотфиксирующие бактерии встречаются среди различных родов прокариот (Клостридиум, Азотобактер, Азоспириллум, Псевдомонас, Ацетобактер, Агробактериум, Эрвиния, Клебсиелла, Бациллюс, Алкалигенес), а также среди сине-зеленых водорослей.

Многие из этих азотфиксирующих бактерий длительное время считались свободноживущими, пока не было обнаружено, что их количество в прикорневой зоне злаковых растений существенно превышает обычную численность в земле без растений. Доказан факт их функциональных и пространственных связей с корнями растений, что делает эти микроорганизмы похожими на клубеньковые бактерии, являющиеся признанными симбионтами растений.

Производительность

К наиболее полезным продуцентам азотистых соединений для злаковых культур относится азоспириллум. Производительность этой азотфиксирующей бактерии на различных грунтах колеблется от 34 до 60 кг на гектар пахотной земли. Интересно: как и клубеньковые бактерии, азоспириллум чувствителен к сортности растений, с которым он вступает в симбиоз. И если для разных сортов ячменя производительность микроорганизмов отличается в 3-3,5 раза, то разница между сортами пшеницы составляет от 250 до 450 раз.

Бобовые растения являются симбионтами различных видов клубеньковых азотфиксирующих бактерий. Это:

  • 6 видов ризобиумов,
  • брадиризобиумы типа С,
  • 5 видов синоризобиумов,
  • один вид азоризобиума.

Их связи с растениями весьма избирательны и часто не только видоспецифичны, но и сортоспецифичны. Клубеньковые симбионты способны отдавать в почву от 130 до 390 кг/га. Рекордсменами в продуктивности являются клубеньковые микроорганизмы, поселяющиеся на корнях многолетних бобовых. Их производительность колеблется от 220 до 560 кг/га. Корневая среда, обогащенная такими симбионтами, на 90% обеспечивает потребности бобовых в азоте.

Похожие статьи:
Загрузка...

__________________________

Остались вопросы? Задайте их в комментариях к статье, мы обязательно ответим

  • Ашихмина

    В детстве садоводство казалось мне чем-то простым и не интересным. Закопал
    зернышко и все. Дождь его полил, солнце согрело. И жалко вырывать сорняки – они
    ведь были такие красивые и разные. А уж тем более было непонятно, с какими
    пакетиками возится отец, зачем растворяет их в воде и поливает растения. Что же,
    если когда-нибудь решусь на дачу, теперь буду в курсе удачных симбиотов.