Надходження і перетворення азоту в рослинах

Роль аміду, аспарагіну, глютамина і сечовини в рослині. При відновленні нітратів, а також при дезамінування амінокислот (тобто відщепленні від них аміаку) в рослинах може накопичуватися аміак, який отруйний для більшості з них. У рослині аміак знешкоджується, тому що він зв'язується аспарагінової або глутамінової кислотою, утворюючи відповідні аміди (аспарагін, глютамін). У багатьох нижчих рослин утворюється мочених:

Доведено та прямий синтез сечовини з вуглеводів і аміаку у багатьох грибів (дощовики, шампіньйони). Вміст сечовини у дощовиків доходить до 10,7% від сухої речовини. ₂ в растении для синтеза аминокислот. Таким чином, аспарагін, глютамін і сечовина відіграють велику фізіологічну роль, так як є сполуками, знешкоджувальними отруйна виробництво аміаку, а також представляють собою резерв аміногруп NH ₂ в рослині для синтезу амінокислот.

Підводячи підсумки, можна відзначити два типи синтезу білків: первинний і вторинний. В обох цих синтезах аміак відіграє велику роль, що й дало можливість Д.М. Прянишникову сказати, що аміак є альфа і омега (перша і остання літери грецького алфавіту), тобто початок і кінець, перетворення білків у рослинах. При первинному синтезі з аміаку і вуглеводів будується білок (ліва частина схеми). При розпаді білка утворюються амінокислоти, від яких при дезамінування відщеплюється аміак, що зв'язується в аспарагін або глютамін. При вторинному синтезі білків (права і нижня частини схеми) відбувається відщеплення аміаку від аспарагіну і утворення амінокислот з вуглеводів (вірніше, з продуктів їх перетворення) і аміаку. Всі ці уявлення можна об'єднати в наступну схему Прянишникова:

Засвоєння органічних форм азоту

Стерильні культури покритонасінних рослин

Довгий час залишався невирішеним питання про можливість засвоєння кореневою системою рослин органічних форм азоту. Питання це можна було вирішити тільки в стерильних культурах, так як в нестерильних умовах розвинулися б бактерії, які своїми ферментами розклали б органічний азот і перетворили б його в мінеральні форми. Коренева система вищих рослин перебувала в простерилізованою живильному розчині, що містить органічний азот. Насіння рослин стерилізувалися бромної водою або розчином сулеми.

Досліди показали, що хоча амінокислоти і можуть бути засвоєні зеленою рослиною, але це засвоєння йде вкрай повільно, і рослини, вирощені на цих з'єднаннях, завжди відстають у рості від рослин, які отримали мінеральні форми азоту.

Комахоїдні рослини. Великий інтерес представляють вищі рослини зі своєрідним типом азотистого харчування. Сюди відносяться деякі сапрофіти, паразити, напівпаразити і, нарешті, комахоїдні рослини. Своєрідність азотистого, а в деяких форм і вуглецевого живлення виникло в процесі еволюції під впливом умов існування і природного відбору. Таким чином, на відміну від грибів і бактерій, де гетеротрофне харчування азотом має первинний характер, у цих рослин воно виникло вдруге. Найбільш цікаву групу рослин, що харчуються органічним азотом, складають комахоїдні рослини.

До комахоїдних рослин належить приблизно 500 видів рослин. Всі вони мешканці боліт. Незважаючи на багатство болотних грунтів органічною речовиною, що знаходиться в цих грунтах органічний азот недоступний для рослин. Болотні грунти також дуже бідні і мінеральними солями (фосфор, калій та ін.) Всі комахоїдні рослини мають хлорофіл, тобто

Ознайомимося з деякими представниками комахоїдних рослин.

Росичка - багаторічна рослина, росте на сфагнових болотах. Кожен рік на поверхні моху утворюється нова розетка листя росички. Листя забезпечені численними залозистими волосками (їх часто називають щупальцями), що виділяють липку рідину, до якої і прилипають дрібні комахи - комарі і дрібні мухи. При прилипанні комахи платівка листа згортається. Особливо добре це згортання платівки видно у виду росички довголистої. Після того як комаха прилипне до листа, в рослині починається виділення гідролітичних ферментів - протеаз, що розкладають білки, і мурашиної кислоти. Кислота сприяє роботі ферменту протеази, і, крім того, вона діє як отрута на бактеріальну флору. Останнє дуже важливо, так як пишний розвиток флори гнильних бактерій могло б позначитися негативно на самому рослині.

Ботанік Френсіс Дарвін, син Чарльза Дарвіна, з'ясував сприятливий вплив харчування росички комахами. Він узяв шість судин з рослинами росички і розділив кожен з них перегородкою. По один бік перегородки росички отримували м'ясо, а по інший бік їм його не давали.

У кінці досліду з'ясувалося, що на 100 квіток у контрольної групи, які не отримували м'яса, доводиться 165 квіток у отримували м'ясо. Іншими словами, репродуктивна здатність рослин росички, що харчувалися м'ясом, сильно зростала.

Великий інтерес представляє що мешкає в болотистих водоймах пухирчатка. Крім розсічених листя, вона несе ще характерні пухирцевидній змінені листя. У такій пляшечку проникають дрібні рачки і вже не можуть вибратися назовні, так як стулка, крізь яку проник рачок, відкривається в одну сторону.

З інших комахоїдних рослин можна відзначити кувшіноноси (непентес) з тропіків Мадагаскару і Яви: австралійський цефалотус і американську сараценію, листя яких мають вигляд глечиків, куди і потрапляють комахи. Ці рослини також виділяють гідролізуються білки-ферменти і переварюють комах. У цефалотуса виділення ферментів не відбувається.

Багато комахоїдні рослини привертають до себе комах яскравим забарвленням листя, а деякі виділяють солодкий сік. Так, наприклад, у кувшіноноса у верхній частині кувшинчиков є залозки, що виділяють солодкий сік.

Особливо цікава венерина мухоловка, що росте на болотах штату Кароліна в Північній Америці. Це невелика рослина активно зачинив стулки листя, коли комаха зачепить чутливий волосок його листа.

Симбіоз і паразитизм. Особливу групу покритонасінних рослин становлять сапрофіти. Зустрічаються вони на багатій органічними речовинами грунту, у лісах, серед розкладається лісової підстилки. До них належать такі рослини, як под'ельнік і орхідея гніздівка. Обидва ці рослини безбарвні. Щоправда, в листі гніздівлі міститься невелика кількість хлорофілу а, хлорофілу б у неї зовсім не знайдено.

Под'ельнік - рослина-сапрофіт, позбавлене хлорофілу. Мабуть, гриб постачає под'ельнік вуглеводами і азотистими речовинами з малодоступних для рослини перегною, очевидно, отримуючи від рослини фізіологічно активні речовини (вітаміни), а також, можливо, і амінокислоти. Вирощуючи сосну в стерильних умовах і потім заражаючи її певним видом гриба (ектотрофная мікориза), вдалося експериментально довести наявність зв'язку між вищим рослиною і грибом. При спостереженнях за рослинами і грибами у природній обстановці виявилася тісний зв'язок між певними грибами та вищими рослинами. За влучним висловом одного вченого, гриб кортінаріус слід за березою, як "дельфін за кораблем". Більшість наших їстівних грибів утворюють ектотрофную мікоризу і тісно пов'язане з певними деревами. Це давно зазначено в назвах грибів.

В даний час показано, що насіння орхідеї містять дуже незначні кількості вітаміну РР (нікотинової кислоти). Грибок постачає насіння орхідеї нікотиновою кислотою, після чого вони й починають проростати. Крім того, синтез вітаміну Bi також декілька утруднений у орхідей, і постачання насіння цими речовинами сприяє їх проростання і росту коренів та надземної маси.

Більшість трав'янистих дикорослих і культурних рослин також містять ендотрофную мікоризу, що спричинюється нижчими грибами, що мають неподілений перегородками міцелій. Відзначено, що за несприятливих умов, наприклад при сильному зволоженні, гриб часто стає паразитом рослини. Мабуть, і в разі ендотрофной мікоризи гриб постачає рослину азотом, здобуваючи його з перегною, а від рослини отримує вуглеводи, а також фізіологічно активні речовини.

До останньої групи рослин, що відхиляються у своєму азотистом харчуванні, відносяться напівпаразити і паразити. Мабуть, шлях до паразитизму у вищих рослин лежав і лежить через полупаразітізм.

Багато напівпаразитів зустрічається в сімействі норічникових. Серед напівпаразитів з норичникових можна відзначити характерні рослини лугів: погремок, очанку та ін Рослини ці присмоктуються своїм корінням до коренів інших рослин. Одні з них зберігають більш-менш нормальну зелене забарвлення, а інші вже значно менше містять хлорофілу (як, наприклад, погремок). Основною причиною переходу цих рослин до паразитичного способу життя є слабкий розвиток кореневої системи, внаслідок чого вони не можуть звести свого водного балансу.

З повних паразитів можна згадати про види вовчка, яка уражує соняшник, гарбузові та ряд дикорослих рослин. Дрібні насіння вовчка проростають, стимульовані подкислением субстрату кореневими виділеннями. Основним заходом щодо боротьби з вовчка є створення несприйнятливих (імунних) сортів.

Паразит повитиця на відміну від вовчка, яка вражає коріння, обвиває рослина і присмоктується до його стебла. У березки є дуже незначна кількість хлорофілу. Проросток березки здійснює круговий рух, властиве всім рослинам, але у березки воно проявляється особливо різко. Якщо при цьому повитиця не зустріне рослини, навколо якого вона може оповитися, то вона гине.

Засвоєння молекулярного азоту мікроорганізмами

Бульбочкові бактерії. Здатність бобових рослин використовувати атмосферний азот була доведена дослідами німецьких вчених Г. Гельрігеля і Г. Вільфарта в 1886 р. Їм вдалося показати, що, посіяні в прогрітий пісок, в якому вбиті всі бактерії, бобові рослини, не створюючі в цьому випадку бульбочок, не засвоюють (не фіксують) атмосферний азот, а ростуть лише за наявності його у вигляді сортветственних солей в піску. Згодом бактерії були виділені в чисту культуру і названі бульбочкових бактерій. Виявилося, що, чудово розвиваючись на поживних середовищах, бульбочкові бактерії звичайно не фіксують у своїй атмосферного азоту. Засвоєння азоту повітря йде у них безперешкодно тільки в симбіозі (співжитті) з бобовими рослинами.

Характер симбіозу. Знаходяться в грунті бульбочкові бактерії проникають у корінь бобової рослини і тут починають розмножуватися, утворюючи суцільний тяж бактерій, що йде через ряд клітин. Бактерії інтенсивно діляться і заповнюють клітини кореня. Бобова рослина не залишається інертним по відношенню до проникла бактерії, а реагує посиленим поділом клітин, розростаються у вигляді бульбочок або жовен. Бульбочкові бактерії приносять рослині користь, постачаючи його азотом.

Специфічність бульбочкових бактерій. Бульбочкові бактерії, що поселяються на коренях конюшини, не заражають ніякий інший бобової культури. Бульбочкові бактерії, що розвиваються на горосі, можуть, крім гороху, заражати вику, сочевицю, чину й кінські боби. Іншими словами, бульбочкові бактерії утворюють специфічні раси, що заражають тільки певні види бобових рослин.

Вірулентність бульбочкових бактерій. Вірулентністю бактерій називається їх здатність заражати ця рослина. Дуже часто бульбочкові бактерії виявляються маловірулентних, тобто не заражають чи погано заражають бобові рослини.

Активність бульбочкових бактерій. Крім вірулентності, важливе значення має і активність даної раси бактерій. Раса бульбочкових бактерії може бути дуже вірулентної, але в той же час неактивною, тобто вона може давати багато бульбочок, але не засвоювати атмосферного азоту.

Бактеріальне добриво нітрагін. Фактично дуже часто навіть на землях, де десятиліттями культивувалися метеликові рослини, на коренях утворюється дуже невелике число бульбочок або навіть їх зовсім не утворюється. Для того щоб забезпечити наявність активних бульбочок, метеликові рослини перед посівом можна заразити бактеріальним препаратом, що складається зазвичай з декількох рас бульбочкових бактерій. Такий бактеріальний препарат отримав назву нітрагін.

Інші азотфіксуючі симбіотичні організми. Крім бульбочкових бактерій, у природі зустрічаються й інші аналогічні симбіози. На коренях вільхи утворюються великі дерев'янисті здуття (бульби), в яких знаходяться актиноміцети, що фіксують атмосферний азот.

Свободноживущие азотфіксаторів. Крім бульбочкових бактерій, у грунті зустрічаються ще й інші види, здатні засвоювати атмосферний азот. Виділити подібну бактерію вдалося С.М. Виноградському в 1893 р. на спеціальному середовищі для азотфіксуючих бактерій. Для цієї мети він взяв середу, що містить глюкозу і деякі солі, але абсолютно не містить пов'язаного азоту ні в органічній, ні в мінеральній формі. Таким чином, в цьому середовищі могли розвиватися тільки ті бактерії, які засвоюють азот з повітря. Крім того, досвід був поставлений в анаеробних умовах, тобто без доступу кисню. У цих умовах вдалося виділити бактерію, що викликає масляно-кисле бродіння, добре фіксуючу атмосферний азот, - клострідіум пастеріанум.

Своє видову назву бактерія отримала на честь Пастера, а родове - від латинського слова "клострум" - веретено. Клострідіум є порівняно великою паличкою, в 3 - 4 мкм довжини, що дає суперечки. Під час спороутворення клітина клострідіума роздувається у вигляді веретена. Клострідіум має джгутики, розташовані по всій поверхні тіла, і може порівняно швидко переміщатися. У лабораторних умовах клострідіум фіксує атмосферний азот, хоча і в невеликих, але помітних кількостях від 1 до 5 мг азоту на 1 г використаного цукру. Клострідіум - дуже широко поширена бактерія, яка трапляється в найрізноманітніших грунтах - кислих, нейтральних і лужних.

Азотобактер. Інший азотфиксирующей бактерією є азотобактер, відкритий в 1901 р. азотобактер на відміну від клострідіума - форма аеробна, що розвивається при широкому доступі кисню. Азотобактер має характерну форму подовженого кока, що ділиться не шляхом появи поперечної перегородки, а перетяжкою (Ріс.60). Клітини азотобактера досить великі. Розмір їх коливається від 1 до 10 мкм. Клітини оточує слизова капсула. Форма азотобактера не залишається без зміни. У молодому віці він має форму дуже товстої палички, потім еліптичну, а часто і зовсім округлу форму. Фіксація азоту азотобактера більш інтенсивна, ніж у клострідіума, а саме від 2 до 12 і навіть до 20 мг азоту на 1 г цукру. Азотобактер дуже чутливий до реакції середовища. Оптимум для його розвитку буде при рН = 7,0 або 7,2, максимум - при рН = 9,0. У грунтах, що мають рН нижче 5,6, він зазвичай не зустрічається.

Механізм фіксації азоту не може вважатися до цього часу повністю з'ясованим. Найбільш імовірне припущення полягає в тому, що водень при бродінні у клострідіума і при диханні у азотобактера виділяється не в молекулярному (Нг) вигляді, а у формі атомного водню (2Н). Ось цей-то активний атомний водень і здатний зв'язувати молекулярний азот атмосфери у вигляді аміаку. 5 N 2), удалось показать значительную достоверность этой точки зрения. Останнім часом, застосовуючи важкий азот ^{(l 5} N 2), вдалося показати значну достовірність цієї точки зору.

Встановлено, що багато синьо-зелені водорості також фіксують атмосферний азот.

Азотобактерин. Існує препарат азотобактера для зараження насіння, названий Азотобактерин. Азотобактерин готується на аграрній середовищі в пляшках. Для зараження порції насіння на 1 га потрібно цього препарату всього 10 - 15 р. Численні досліди дали дуже нестійкі результати при застосуванні Азотобактерин. Краще всього на азотобактерин реагують деякі овочеві культури.

Величини фіксації азоту бактеріями. Фіксація азоту азотфіксуючими бактеріями досягає значних величин. Конюшина за рахунок бактерій накопичує щорічно в середньому 150-160 кг азоту на 1 га, люцерна - близько 300 кг, люпин - до 160 кг. Однорічні бобові фіксують значно менші кількості азоту. Так, наприклад, соя фіксує з повітря в рік близько 100, вика - 80, горох - близько 60, квасоля - близько 70 кг.

Бактерії в грунті та їх роль у кругообігу речовин у природі

Число бактерій в грунті. У грунті міститься величезна кількість бактерій. Раніше їх число вимірювалося сотнями тисяч на один грам грунту. С.Н. Виноградський (1924) розробив метод безпосереднього мікроскопічного підрахунку бактерій у грунті шляхом їх забарвлення. 500 миллионов, в слабоподзолистых почвах - до одного миллиарда, а в богатых органическим веществом (чернозем) - до двух миллиардов и выше. Після цього стало ясно, що число бактерій вимірюється сотнями мільйонів в 1 р. У бідних тундрових або піщаних грунтах пустелі їх налічується до J 500 мільйонів, в слабопідзолисті грунтах - до одного мільярда, а в багатих органічною речовиною (чорнозем) - до двох мільярдів і вище.

Два мільярди бактерій в 1 г грунту становлять близько 3% сухої маси грунту. Така велика кількість бактерій дозволяє вважати, що більшість процесів, що відбуваються в грунті, носить біологічний характер, тобто пов'язано з життєдіяльністю бактерій.

Якби процес нагромадження азоту, так само як і вуглецю, йшов тільки в одну сторону, то життя стало б скоро на Землі неможливим через велику кількість неразложившихся органічних залишків. Ми вже знаємо, що життєдіяльність бактерій є причиною розкладання білкових речовин.

Розкладання білків бактеріями. Бактерії, що розкладають білкові речовини на більш прості складові частини, називаються гнильними бактеріями або аммонификаторов, тому що в результаті розкладання білків в середовищі накопичується аміак. Розкладаючи складні білкові речовини на прості мінеральні сполуки, бактерії самі харчуються продуктами розкладання і розмножуються. Однак утворена ними маса тіл становить лише незначну частку від розклалася речовини. У цій минерализующих діяльності і полягає та величезна корисна роль гнильних бактерій, яку вони відіграють у природі.

Процес гниття протікає як у анаеробних, так і в аеробних умовах. Особливо швидко він проходить в аеробних умовах.

У факультативно-анаеробних умовах гниття білків здійснюється цілим рядом бактерій. З них можна відзначити кишкову паличку і протея.

В аеробних умовах розкладання білків виробляє сінна паличка та інші спороутворюючі форми. З неспоро-утворюючих форм можна згадати невелику паличку (1-2 мкм) - псевдомонас.

₃ SH ). При гнитті утворюються вода, вуглекислий газ, аміак, сірководень, метилмеркаптан (CH ₃ SH). Дуже характерними продуктами анаеробного розщеплення білків є погано пахнуть продукти індол і скатол, що виникають в результаті часткового руйнування амінокислоти триптофану в анаеробних умовах.

Висушені білкова речовина не розкладається бактеріями і може зберігатися дуже довго. Сушене або прокопчені м'ясо, сухий яєчний порошок не псуються, якщо їх зберігати в сухому місці.

Розкладання сечовини. Однією із спеціальних груп аммонификаторов є бактерії, які розкладають сечовину. Сечовина - головна складова частина сечі людини і більшості тварин. Людина виділяє бактерії, які розкладають на день від 30 до 50 г сечовини. Під впливом бактерій сечовина розкладається, утворюється карбонат амонію. Останній швидко розпадається на воду, аміак і вуглекислий газ.

Процес нітрифікації. Утворився в результаті амоніфікація аміак або використовується вищими рослинами, або нитрифицирующие. Процес нітрифікації полягає в окисленні аміаку до азотної кислоти. Перша фаза нітрифікації викликається мікробом, окислюючими аміак до азотистої кислоти. Він отримав назву нітрозомонас. Друга фаза викликається бактерією нітробактерій, окислювальної азотисту кислоту до азотної. У грунті азотистая кислота не накопичується, тому що обидві ці бактерії зустрічаються завжди разом, перебуваючи у своєрідному симбіозі.

Нітрозомонас представляє собою забезпечену джгутиком кулясту бактерію, а нітробактерій нерухомий і є маленькою паличкою. На першому етапі нітрифікації виділяється більше енер гії, ніж на другому.

У першій фазі нітрифікації виділяється 663,6 Дж (або 158 кал):

У другій фазі нітрифікації енергії звільняється значно менше:

Нитрификаторов синтезують органічну речовину шляхом хемосинтезу за рахунок енергії окислення аміаку в азотисту кислоту, а азотної кислоти в азотну. Нитрификаторов, так само як і зелені рослини, використовують для живлення вуглекислий газ.

С.Н. Виноградський виявив дуже високу чутливість нитрификаторов до органічного речовини, яка діє на них як отрута, причому нітрозомонас більш чутливий до органічного речовини, ніж нітробактерій. Малі концентрації органічної речовини затримують ріст бактерій, а дещо більші остаточно його зупиняють.

Нітрифікація в грунті. Нітрифікація в грунті йде трохи відмінно від нітрифікації в лабораторній обстановці. У першу чергу це стосується впливу на цей процес органічної речовини. Якщо в лабораторній обстановці нитрификаторов проявляють дуже високу чутливість до органічного речовини і в його присутності не ростуть, то в природній обстановці спостерігається якраз протилежна картина. Наявність органічної речовини сприяє процесу нітрифікації, так як є джерелом утворення аміаку.

Процес денітрифікації. З кругообігом азоту в природі пов'язаний також і процес денітрифікації, зворотний за своєю суттю процесу азотфіксації. Денітрифікацією називається процес відновлення нітратів до вільного азоту.

Процес денітрифікації, на відміну від нітрифікації і азотфіксації, викликається цілим поряд малоспеціфіческіх мікроорганізмів, що відносяться до неспороносних паличок. Денітрифікуючі бактерії є факультативними анаеробами. В умовах широкого доступу кисню вони денітрифікації не виробляють. Варто їм, проте, потрапити в анаеробні умови, як за наявності нітратів і доступної їм органічної речовини починається процес денітрифікації. При нестачі кисню мікроорганізми починають забирати його від нітратів, відновлюючи їх. Одночасно при цьому окислюється усвояемое ними органічна речовина - цукру чи солі органічних кислот. Найкращими умовами для протікання процесу денітрифікації є анаеробні умови, наявність нітратів та підходящого для мікроорганізмів органічної речовини.

Кругообіг азоту в природі. Підведемо підсумки по круговороту азоту в природі. Вища рослина синтезує білок у своєму тілі із зв'язаного мінерального азоту і вуглеводів. Рослини поїдаються тваринами, які самі не в змозі синтезувати білки з вуглеводів і мінерального азоту. Відмираючи, тварини і рослини стають їжею гнильних бактерій, що розкладають білки до аміаку, ці ж бактерії розкладають і білки, що знаходяться в гною. Аміак засвоюється рослиною або нитрифицирующие. Азотфіксаторів пов'язують атмосферний азот і переводять знову в білковий, який надалі може розкладатися гнильними бактеріями. Тут слід ще згадати про зв'язуванні азоту електричними розрядами в атмосфері, який у вигляді азотної кислоти з дощем потрапляє в грунт. Так відбувається круговорот азоту в природі, він переходить з однієї форми в іншу, підтверджуючи великий закон природи - закон збереження речовини, відкритий М.В. Ломоносовим.