6. Денитрификация

Денитрификация является процессом разложения нитрата с получением азота. Это выполняется микроорганизмами (палочковидная бактерия, псевдомонас и другие бактерии), которые при усвоении переключаются от кислорода к нитрату, в особенности в недостаточно проветриваемых почвах. Процесс денитрификации может привести к нескольким промежуточным продуктам. Наиболее важный – закись азота.

Денитрификация является процессом анаэробного дыхания, то есть использования нитратов и продуктов их частичного восстановления вместо кислорода для окисления веществ в ходе метаболизма с выделением энергии. Поэтому денитрификация — процесс анаэробный и подавляется молекулярным кислородом при Eh более +300 мВ. Энергетическая эффективность процесса при восстановлении нитратов до молекулярного азота составляет около 70 % от аэробного дыхания с использованием кислорода.

Процесс протекает постадийно:

Катализируют реакции нитратредуктаза, NO-образующая нитритредуктаза,  редуктаза окиси азота и редуктаза закиси (гемиоксида) азота соответственно.

Проводить процесс полностью и получать энергию имеют возможность лишь прокариоты, причем все они факультативные анаэробы, при наличии кислорода переключающиеся на обычное дыхание. Многие денитрификаторы вместе с тем обладают способностью к азотфиксации (например,Azospirillum lipoferum). Способность к денитрификации обнаружена у представителей более чем 40 родов бактерий и только у одной группы архей. Среди бактерий способностью к денитрификации обладают грамотрицательные протеобактерии родов Psudomonas, Thauera, Alcaligenes, Paracoccus, а также представители грамположительных бактерий рода Bacillus.

В ряде случаев возможно выделение газообразных соединений азота и без участия микроорганизмов:

1. RNH₂ + HNO₃ → ROH + H₂O + N₂ (pH>5)

2. 6NH₄ + 8HNO₂ → 7N₂ + 16H₂O

3. 3HNO₂ + O₂ → HNO₃ + H₂O + 2NO

Хемоденитрификацией объясняется возрастание эмиссии закиси азота из почвы при её нагревании свыше 50 °C

Выделение закиси азота эукариотами

Грибы, в том числе дрожжи, и клетки печени животных способны к выделению N2O, в особенности на средах с нитритами. Этот процесс, однако, не сопряжён с получением энергии и осуществляется для детоксикации организма от нитритов. Диссимиляционная нитритредуктаза эукариот имеет ряд отличий от своего прокариотного аналога: содержит лишь 1 активный центр, не связана с мембраной, не ингибируется ацетиленом. Считается также, что выделение закиси азота актиномицетами не связано с анаэробным дыханием и также является следствием детоксикации, поскольку мицелиальная организация организма несовместима с адаптациями к анаэробным условиям существования.

Денитрификация, протекающая в основном в почве, дает до 70-80 % выбросов N2O (закись азота, парниковый газ) в атмосферу.

7. Симбиотическая фиксация азота, химизм фиксации

На то, что клевер и другие бобовые растения обогащают почву азотом, впервые указал Буссенго. Установление связи между фиксацией азота и корневыми клубеньками бобовых явилось заслугой Хелльригеля и Вильфарта (1886-1888). Бобовые могут расти в отсутствие связанного азота лишь в том случае, если их корни усеяны клубеньками, которые образуются в результате заражения корневых волосков бактериями из почвы.

Фиксация азота – процесс усвоения растениями соединений азота из воздуха (главным образом из молекулярного азота, N₂). Фиксация азота возможна многими бактериями и цианобактериями. Они живут или в почве, или в симбиозе с растениями, или с несколькими разновидностями животных. Продукты фиксации азота – аммиак, нитриты или нитраты. Наиболее распространенные симбиотические азотфиксирующие бактерии относятся к родам Rhizobium, Bradyrhizobium и Azorhizobium, входящих в α-подгруппу портеобактерий. Они формируют корневые клубеньки и стеблевые (Azorhizobium) клубеньки у бобовых растений. Из представителей β – подгруппы протеобактерий обнаружены в качестве азотфиксирующих симбионтов (тропического травянистого растения белокрыльник) бактерии рода Azoatcus. Относящиеся к группе актиномицетов грамположительные бактерии рода Frankia обитают в качестве эндосимбионтов на корнях деревьев, например ольхи (Alnus) и облепихи (Hippophae). Цианобактерии рода Anabaena azollae образует симиотическую ассоциацию с водным папоротником Azolla.

Наибольший вклад в биологическую азотфиксацию вносят клубеньковыми бактериями (ризо­бии). Ризобии (Rhizobium) представляют собой грамотрицательные бактерии, образующие клубеньки с расте­ниями семейства бобовых. Клубеньковые бактерии теперь делят на пять родов: Azorhizobium, Rhizobium, Mesorhizobium, Sinorhizobium (быстрорастущие) и Bradyrhizobium (медленнорастущие).

На первом этапе происходит приближение микробной клетки к растению за счет ее способности передвигаться в ответ на узнавание химических продуктов, выделяемых из корней растения (хе­мотаксис). В этом процессе важное место отводится так называемому лектин-углеводному узнаванию растения микроорга­низмом. Лектин корневых волосков растений (углеводузнающий белок) узнает углевод поверхно­сти бактерий и прочно связывается с ним. Происходит взаимное узнавание партнеров и подго­товка к формированию симбиотической системы. Растение в нано- или пикомолярных концентра­циях начинает продуцировать специфичные флавиноиды, которые активируют гены вирулентно­сти (Nod-гены – гены клубе6ньковых бактерий, ответственные за образование специфических факторв популяции) ризобий. Nod-гены кодируют синтез Nod-факторов (липоолигосахаридов), вызы­вающих у растения-хозяина скручивание корневых волосков и образование клубеньковой мери­стемы. В месте резкого сгиба волоска пекатолитические ферменты растения разрушают клеточную стенку, через которую бактерии и проникают внутрь.

В случае Ghizobium и Bradyrhizobium индукторами nod- генов выступают различные флавоноиды и изофлаваноиды соответственно. Для активации nod – генов, опосредованной растительными индукторами, необходим белок NodD, выполняющий функцию регулятора транскрипции.

Далее происходит эндоцитоз ризобий из инфекционной нити внутрь клеток растения-хозяина. В цитоплазме растительной клетки бактерии окружаются специальными перибактероидными мем­бранами (ПБМ), синтезируемыми в основном растительной клеткой и частично ризобиями. Коли­чество ризобиальных клеток внутри ПБМ зависит от вида растений и обычно составляет от 1 до 10 клеток. Бактериальные клетки, окруженные общей ПБМ, называются симбиосомой и являются основной структурно-функциональной единицей симбиоза.

Вскоре ризобии в ПБМ преобразуются в особые симбиотические формы – бактероиды, имею­щие в три-пять раз большие размеры, чем свободноживущие бактерии. Все это способствует фор­мированию на поверхности корней клубеньков. Азотфиксирующий клубенек состоит из следую­щих частей: а) инфицированная бактериями ткань, б) проводящая ткань, поставляющая углеводы и выносящая продукты азотфиксации, в) меристема, за счет которой идет рост клубенька.

Клубеньковые бактерии более экономно используют энергию, необходимую для фиксации азота, затрагивая 3-4 г углеводов на 1 г азота, в то время как свободноживущие азотфиксирующие бактерии затрачивают 50 - 100 и более граммов на фиксацию 1 г азота. Это связано с тем, что у свободноживущих азотфиксаторов фиксация азота происходит в процессе их роста, и потому большое количество энергии потребляется на этот рост. Кроме того, в целях создания благоприятных условий для активности нитрогеназы - фермента, участвующего в фиксации азота, для снижения парциального давления кислорода усиливается дыхание, что связано с затратой энергии. Эти расходы энергии отсутствуют у клубеньковых бактерий

. Очень существенно то, что фиксируемый клубеньковыми бактериями азот на 90 - 95% передается бобовым растениям. Бобовые, получая связанный азот от клубеньковых бактерий, не зависят или мало зависят от обеспечения минеральным азотом почвы и потому могут успешно произрастать совместно с другими растениями на почвах, бедных доступными формами азота.

Микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот, называются диазотрофами. Основным эле­ментом симбиоза является нитрогеназа – многомерный фермент, состоящий из комплекса двух белков: MoFe-белка и Fe-белка.

Нитрогеназа синтезируется в бактероидах и является ката­лизатором фиксации азота: N2 + 8[H] + 2  2 + H2

Микроаэрофильные условия в клу­беньке обеспечиваются диффузным барьером (слой плотно прилегающих друг к другу клеток во внутреннем кортексе) и синтезом леггемоглобина (гемоглобинподобный белок, синтезируемый растительными клетками, обладающий высоким сродством к кислороду). Леггемоглобин связывает O2, транспортирует его к симбиосомам, обеспечивая дыхательную активность клубеньков. Он составляет 30 % белка в клубеньках и при­дает им ярко-розовый цвет. Нитрогеназный комплекс, образующий аммиак из воздуха, действует по очень экономно. Если в среде обитания достаточно ионов аммо­ния или нитратов, он прекращает работу.

Потребление растениями аммиака, образовавшегося при азотфиксации или восстановлении нитратов почвы, осуществляется ферментами, связанными с биосинтезом так называемых первич­ных аминокислот, прежде всего глутаминовой, аспарагиновой кислот и их амидов. Одним из ак­тивно изучаемых ферментов является, например, глютаминсинтетаза. Этот фермент катализирует реакцию

глутаминовая кислота + NH3 + АТР  глутамин + ADP + Pi

Близким по механизму действия яв­ляется и аспарагинсинтетаза:

аспарагиновая кислота + + NH3 + АТР  аспарагин + ADP + Pi

Синтез аминокислот и амидов происходит с участием и других ферментов: глутаматдегидроге­назы, аспартазы и т.д. В конечном итоге азот в виде аминогрупп вовлекается в серию биосинтети­ческих реакций организма, поддерживая его жизненные функции.

Актиномицеты рода Hrankiaобразуют внутриклеточные азотфиксирующие симбиозы с омногими покрытосеменными. Наиболее изучена ассоциация с ольхой. В этом случае образуются многолетние клубеньки коралловидной структуры, называемой актинориза. Клетки Frankia проникают в корни ольхи через корневые волоски и индуцируют в гиподерме и кортексе деление клеток, образующих зачаток клубенька. При фиксации азота возникают специализированные структуры – везикулы. Они характеризуются структурированной слоистой оболочкой, которая отделяет эндосимбионт от цитоплазмы растения – хозяина. Оболочка соедржит необычные соединения – гопаноидные липиды. Нитрогеназный комплекс Hrankia идентичен описанному у Rhizobium.

Хозяевами актиномицетов-симбионтов могут быть как древесные, так и травянистые растения. Они распространены по всему свету и первыми появляются в местах, где почва бедна азотом. Накопление азота в почве при участии таких растений может достигать 150-300 кг на 1 га в год и имеет поэтому большое хозяйственное значение. К рас тениям, наиболее эффективно связывающим азот, относятся Casuarinaequisetifolia, ольха (Alnus), облепиха (Hippophae) и Ceanothus; менее эф фективны в этом отношении восковница (Myrica), куропаточья трава (Dryas), лох (Elaeagnus) и Shepherdia.

Симбиозы с азотфиксирующими цианобактериями. Цианобактерии то же могут быть фиксирующими азот партнерами в симбиозе с высшими растениями. У водного папоротника Azolla, растущего на поверхности стоячих тропических водоемов, цианобактерии содержатся в полостях листьев. Симбиотический партнер этого растения - Апа'оаепа azollae. В то время как свободкоживущие виды Anabaena содержат лишь немного (5%) гетероцист, в трихомах симбиотических видов 15-20% клеток со ставляют гетероцисты. Такое соотношение само по себе указывает на активное связывание азота. Измерения активности нитрогеназы под тверждают это предположение. Azolla растет на поверхности зато пленных рисовых полей и может при надлежащей агротехнике пол ностью удовлетворить потребность риса в азоте. Накопление азота в почве в результате симбиоза Anabaena с Azolla составляет около 300 кг/га в год. Сходный симбиоз наблюдается между печеночниками (Blasia pusilla, Anthoceros punctatus, Peltigera) и Nostoc.

Заключение

Роль азота для растений и всего живого трудно переоценить. Ведь Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16—18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2 %, по массовой доле — около 2,5 % (четвёртое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры.

Список литературы

1. Современная микробиология. Прокариоты. Том 1, 2. Под редакцией Й. ленгелера.

2. Умаров М. М., Кураков А. В., Степанов А. Л. Микробиологическая трансформация азота в почве. 

3. http://www.xumuk.ru/biologhim/213.html

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B7%D0%BE%D1%82%D1%84%D0%B8%D0%BA%D1%81%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F