Участие почвенных микроорганизмов

В органической форме углерод закреплен в виде залежей торфа, запасов нефти, газа и гумуса. За период геологической эпохи часть торфа превратилась в каменный уголь. Без вовлечения этого углерода в хозяйственную сферу деятельности человека он полностью оказался бы изъятым из круговорота. Добыча горючих ископаемых — каустобиолитов — привела к быстрой минерализации этих запасов в процессах сжигания. Нефть, газ и торф в аэробных условиях при извлечении их из геологических недр земли становятся доступными для микробного разложения. Гумус хотя и насчитывает тысячелетний возраст, все же медленно вовлекается в круговорот почвенными микроорганизмами.

Главный источник образования водорода — деятельность микроорганизмов в почвах и водоемах. Он образуется также в рубце жвачных и пищеварительном тракте других животных, включая человека. Способность выделять водород в процессах метаболизма присуща главным образом анаэробным бактериям, осуществляющим брожения. Образование водорода у них связано с получением энергии. Это клостридии. К облигатным анаэробам, образующим водород, относятся сульфатредуцирующие бактерии, к факультативным — в основном энтеробактерии и близкие формы. Помимо того, к настоящему времени стало известно, что некоторые простейшие — анаэробные симбионты животных — также выделяют водород. Из аэробных хемотрофов - водород образуют азотфиксирующие бактерии: клубеньковые, азотобактер и другие, из фототрофов — пурпурные, зеленые и синезеленые бактерии, а также некоторые водоросли. Учесть количество водорода, выделяемого почвенными микроорганизмами, весьма сложно из-за того, что его образование в природных ассоциациях сопряжено с параллельно идущими процессами потребления водорода. Цифры, характеризующие связывание водорода почвой, по разным расчетам колеблются от 16*10⁶ до 120*10³ т/год.

Потребление водорода микроорганизмами идет в аэробных и анаэробных условиях. Водород используют разными путями микроорганизмы многих таксономических, трофических и физиологических групп. Среди них есть строгие и факультативные анаэробы, хемотрофы и фототрофы, азотфиксаторы и метилотрофы. Во всех случаях использование водорода связано с участием ферментов — гидрогеназ, которые у разных микроорганизмов различаются. Субстратами, с которыми связывается водород, могут быть такие, как кислород, окислы азота, молекулярный азот, сульфаты, углекислота и органические соединения. Часть из образуемых продуктов в большом количестве может накапливаться в среде. Наибольшее значение имеют водородные бактерии, синтезирующие белок из С0₂ за счет энергии окисления водорода. Это хемолитоавтотрофные микроорганизмы, широко распространенные в почвах. Они представляют единую физиологическую группу, довольно разнообразную в отношении составляющих ее таксонов. Все водородные бактерии разделяются на грамотрицательные гидрогеномонады и грамположительные коринеподобные бактерии. Благодаря тому, что водородные бактерии «работают» на дешевом сырье, они перспективны для использования в качестве продуцентов белка и для биорегенерации воздуха в замкнутых системах, где водород можно получать электролизом воды. В почвенных средах водородные бактерии окисляют водород, поступающий от первичных анаэробов, сбраживающих органические вещества в анаэробной зоне. Таким образом, аэробные водородные бактерии удаляют водород, пользуясь кислородом как акцептором электронов, т. е. выполняя в аэробной зоне ту же функцию, что и вторичные анаэробы, которые переводят водород в сероводород и метан в анаэробной зоне. Образование метана из углекислоты и водорода — одно из важных звеньев круговорота углерода.

На основе межвидового переноса водорода за счет его образования и потребления в природных экосистемах складываются прочные микробные ассоциации, членов которых иногда трудно получить в виде чистых культур. Таковы многие ассоциации с участием метаногенных бактерий, целлюлозосбраживающих, азотфиксаторов. Деятельности такого рода ассоциаций обеспечивает активное протекание многих сложных процессов в природе, например, анаэробное разложение целлюлозы, пектина, ароматических соединений. Водород в этих процессах выступает как ключевой метаболит, связывающий в одну систему работу многих микроорганизмов.

КРУГОВОРОТ АЗОТА

Рис.7. Основные резервуары (10¹⁵ г) и глобальные потоки соединений азота (Заварзин, 1984, 10¹⁵ г./год)

Большие запасы азота на нашей планете представлены его восстановленными и окисленными газообразными формами (N₂, NH₂ N₂O, NO, NО₂), которые входят в состав атмосферы и содержатся в почвенном воздухе. Молекулярный азот составляет главную часть атмосферных газов: 78,09% по объему или 75,6% по массе.(рис.7)

В почве иммобилизовано азота в три раза больше, чем его содержится в биомассе растений и животных. И при этом азот в почве часто бывает в первом минимуме, так как он находится в недоступной для растений форме. Основная масса почвенного азота заключена в перегнойных соединениях, которые минерализуются очень медленно.

Рис.8. Круговорот азота
Круговорот азота в природе разбивается на несколько основных звеньев, в которых главными агентами выступают микроорганизмы (рис. 8, см в конце) В этом круговороте участвует как молекулярный азот, так и его разнообразные соединения — минеральные и органические.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФИКСАЦИЯ АЗОТА
Фиксация азота микроорганизмами — планетарный процесс, который сопряжен с фотосинтезом растений и равен ему по масштабам и значению. Общая продукция микробной фиксации азота составляет от 270 до 330 млн. т/год. Из них 160—170 млн. т/год дает суша и 70—160 млн. т/год — океан. Фиксация азота представляет собой процесс его восстановления или присоединения электронов.

Способность к биологическому связыванию молекулярного азота присуща только прокариотным микроорганизмам.

Азотфиксирующие микроорганизмы (диазотрофы) связывают молекулярный азот при атмосферном давлении и нормальной для жизни температуре. Главную роль в этом процессе играет фермент нитрогеназа, представляющий собой комбинацию из двух белков. Молекула одного из них содержит два атома молибдена и около 30 атомов железа, молекула другого — только железо. В активации молекулы азота участвует молибден или заменяющий его ванадий. Соединения железа используются как переносчики электронов. Процесс требует присутствия АТФ, энергия распада, которой используется для восстановления молибдена.

Образование нитрогеназы связано с наличием в клетке так называемой nif-плазмиды, регулирующей синтез этого белка. Передача nif-плазмиды от одного вида бактерий к другому может привести к появлению способности к азотфиксации у новых микроорганизмов.

В конце прошлого века француз Э.Маршель показал, что процесс аммонификации носит универсальный характер и осуществляется многими микроорганизмами в широком диапазоне условий, за исключением мест с очень жарким и сухим климатом.

Рис. 10. Аммонификация белков (Бабьева, Зенова, 1983)

При дезаминировании выделяется свободный аммиак. В аэробных условиях кроме аммиака при аммонификации образуется СО₂ и окислы серы, а в анаэробных — жирные и ароматические кислоты (бензойная, ферулиновая и др.), спирты, индол, скатол, метилмеркаптан.

Образующиеся в переувлажненных почвах при анаэробиозе некоторые продукты аммонификации обладают фитотоксическими свойствами и могут вызывать угнетение роста растений.

В процессе аммонификации помимо бактерий участвуют актиномицеты и грибы, но наиболее активные возбудители известны среди бактерий родов Pseudomonas и Bacillus, например, В. putrificus и B. sporogenes. Для процесса аммонификации большое значение имеет соотношение С : N в разлагаемом субстрате. Чем уже это соотношение, тем выше эффективность аммонификации, определяемая по количеству NH₂ от общего количества превращенного азота. Соотношение углерода и азота в биомассе бактерии C:N=25. При содержании в органическом веществе разлагающейся растительной массы азота менее 2%, он будет полностью иммобилизован в клетках микроорганизмов. При более высоком его содержании (C:N<25) будет выделяться аммиак. Это проявляется при использовании разных удобрений. Отношение С: N в навозе ниже 25 и его разложение поэтому сопровождается накоплением аммиака, а для соломы С: N высокое и внесение в почву соломы без минеральных азотных удобрений приводит к иммобилизации, т. е. закреплению, всего азота в микробных клетках и азотному голоданию растений.

почву с мочой млекопитающих, а также синтезируется почвенными грибами. Например, ее содержание в шампиньонах достигает 13% сухой биомассы. В год на Земле образуется около 30 млн. т мочевины. Это огромные ресурсы азота, так как мочевина содержит 46% азота. В сельском хозяйстве мочевина — одно из лучших 'концентрированных азотных удобрений. Разлагают мочевину микроорганизмы, обитающие в почве и в рубце жвачных животных. Поэтому мочевину добавляют и в корма, а в рубце микроорганизмы переводят ее в белок. Разлагающие мочевину микроорганизмы образуют ферменты уреазы. Среди уробактерий есть кокки — Micrococcus ureae, сарцины — Planosarcma ureae, бациллы — Bacillus probatus (Urobacillus pasfeurii). В химическом отношении мочевина — это полный амид угольной кислоты.

Мочевая кислота — гетероциклическое соединение, производное пурина. Она образуется как конечный продукт белкового обмена

пресмыкающихся, насекомых и птиц. Экскременты змей содержат до 90% мочевой кислоты, а в гуано (помете птиц) она составляет 25%. В моче млекопитающих концентрация мочевой кислоты ничтожна. Выводится из организма мочевая кислота с минимальным количеством воды или даже в твердом виде. Аммонификация мочевой кислоты местах скопления гуано приводит в аридных областях к накоплен нитратов, так как образующийся аммиак окисляется нитрифицирующими бактериями, а при низкой влажности нитраты не вымываются. Таковы источники богатых залежей нитратов в Чили, Перу, Южной Африке и на островах Карибского моря. Гуано используется как ценное азотное и фосфорное удобрение, оно содержит около 9% азотной 13% фосфорной кислоты, калий и кальций.

Аммиак, образующийся при микробном разложении вышеуказанных соединений растительного и животного происхождения, претерпевает далее различные превращения: 1) частично адсорбируется в почве на глинисто-гумусовых комплексах или нейтрализует почвенные кислоты, 2) потребляется как источник азота в процессе метаболизма почвенных микроорганизмов (иммобилизуется); 3) выделяется в атмосферу; 4) окисляется в нитриты и нитраты. Последний процесс носит название нитрификации и является единственным в цикле азота, который ведет к образованию окисленных форм азотистых соединений.

В процессе всех превращений, которым подвергается азот с момента его ассимиляции растениями до его освобождения в виде аммиака, атом азота остается в восстановленной форме. Превращение аммиака в нитрат (нитрификация) осуществляется в природе двумя высокоспециализированными группами облигатно аэробных хемоавтотрофных бактерий, объединенных в одно семейство Nitrobacteriaceae. Нитрификация происходит в два этапа: на первом аммиак окисляется до нитрита, на втором нитрит окисляется до нитрата. В результате совместной деятельности этих бактерий аммиак, освобождающийся в процессе минерализации органического вещества, быстро окисляется в нитрат. Таким образом, нитрат—основное азотистое вещество почвы, используемое растениями в процессе роста.

Практика удобрения почвы навозом основана на микробной минерализации органического вещества, которая приводит к превращению органического азота в нитраты путем аммонификации и нитрификации. Еще более простым способом повышения содержания нитратов в почве служит орошение полей разбавленными растворами аммиака, что является одним из современных методов удобрения почв.

Аммиак, который можно синтезировать химическим путем из молекулярного азота,—это наиболее концентрированная форма доступного связанного азота, поскольку он содержит около 82% азота по весу.

Нитраты представляют собой весьма растворимые соединения, поэтому они легко выщелачиваются из почвы и уносятся водой; следовательно, определенное количество связанного азота постоянно удаляется с континентов и переносится в океаны. В некоторых местностях, особенно в полузасушливых районах Чили, в почве накапливаются отложения нитратов в результате выхода и испарения поверхностных вод. Такие отложения — ценный источник удобрения, хотя их значение существенно снизилось за последние 50 лет вследствие развития химических методов производства азотистых соединений из атмосферного азота.

ДЕНИТРИФИКАЦИЯ

В анаэробных условиях многие аэробные бактерии вместо кислорода могут использовать нитрат в качестве конечного акцептора электронов.

Таким образом, всякий раз, когда при разложении органического вещества в почве или воде кислород исчерпывается в результате дыхания аэробных микроорганизмов, некоторые из этих аэробов в присутствии нитрата продолжают дышать за счет органического вещества, т. е. переходят к анаэробному дыханию. При этом происходит восстановление нитратов. Некоторые бактерии (например, Escherichia coli) способны восстанавливать нитрат только до уровня нитрита, другие (например, Pseudomonas aeruginosa) могут восстановить его до газообразного азота. В ходе этого процесса, называемого денитрификацией, связанный азот удаляется из почвы и воды с освобождением газообразного N₂ в атмосферу.

Денитрификация—процесс, имеющий большое экологическое значение. Он лишает почву необходимого для растений азота, снижая за счет этого продуктивность сельского хозяйства. Особенно значительные потери происходят в удобренных почвах. Хотя точные цифры не известны, но при определенных условиях удобрения могут утрачивать в результате денитрификации до 50% связанного азота.

Тем не менее, денитрификация приводит не только к вредным последствиям. Благодаря денитрификации в почве всегда имеется определенное количество связанного азота. Хорошо растворимые ионы нитрата постоянно выщелачиваются из почвы и в конечном счете переносятся в океаны. При отсутствии денитрификации земной запас азота, включая N₂ атмосферы, в конце концов, сосредоточился бы в океанах, и жизнь стала бы невозможной на основной части суши, за исключением прибрежной полосы. Денитрификация делает пресную воду пригодной для питья, поскольку высокие концентрации ионов нитрата являются токсичными.

Фосфор составляет 0,12% массы земной коры, распределен в ней неравномерно и энергично мигрирует в биосфере. Он подвержен биогенному накоплению и миграции. Содержание Р₂О₅ в зональных почвах РФ выражается следующими показателями:

серые лесные и выщелоченные черноземы 0,13

обыкновенные и мощные черноземы 0,18

южные черноземы и каштановые почвы 0,15

сероземы 0,12

В 1 га пахотного слоя почвы содержится до 1—2 т валового фосфора, т. е. значительно больше, чем выносится с хорошим урожаем. Однако в некоторых южных районах фосфор находится в первом минимуме

и, как писал Д. Н. Прянишников, нужно добавить только один элемент — фосфор, чтобы оживить чернозем, истощенный многовековой культурой без удобрения. Дело в том, что фосфор в почве находится в труднодоступной для растений форме. Известно около 180 минералов фосфора, из которых

наиболее распространены фосфаты кальция. Основным источником фосфора в почвах служат нерастворимые и слаборастворимые фосфорсодержащие минералы группы апатита, главным образом фторапатит.

Рис 11 Превращения фосфора (Бабьева, Зенова, 1983)

Фосфор входит в состав многих органических соединений, которые содержатся в почве в живых телах, в остатках растений и животных, а также в гумусе. Фосфорорганические соединения составляют 10—50, а иногда до 80% всего запаса фосфора в почве. Коэффициент использования растениями фосфора из минеральных удобрений чрезвычайно низкий — всего 15—20% (ср. азота — 50% и калия 60—70%). У растений разных видов сильно различается реакция на обеспеченность почвы доступными соединениями фосфора. Очень сильное влияние на фосфорное питание растений оказывают микоризные грибы — симбионты корневых систем. Микосимбиотрофия распространена чрезвычайно широко. В настоящее время установлено наличие микоризы у 80% растений: у всех голосеменных и у 78% покрытосеменных. Она есть у растений разных жизненных форм — деревьев и кустарников, кустарничков и трав. Растения с микоризой встречаются во всех природных зонах, за исключением полярных пустынь и высокогорий.
Однако значение микроорганизмов в питании растений фосфором не сводится только к микосимбиотрофии. Свободноживущие микроорганизмы участвуют в процессах минерализации фосфорорганических соединений и способствуют переводу нерастворимых форм фосфора в растворимые. Эти процессы составляют основу превращения фосфора в природе (рис. 11).

Рис.12. Основные резервуары (10¹² г) и глобальные потоки соединений фосфора (Заварзин, 1984, 10¹² г./год)

МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Органические фосфорсодержащие соединения в почве входят в состав гумуса, торфа, навоза, растительных и животных остатков. Фосфор содержится в них, в противоположность азоту и сере, в окисленной форме, в виде остатка фосфорной кислоты. Наибольшая пропорция фосфорорганических соединений от общего запаса фосфора в почве содержится в черноземе (до 80%), а наименьшая — в сероземе (не более 10%). Большая их часть находится в форме фитина и фитатов, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и гексозофосфатов. Живые клетки не способны поглощать большинство фосфорорганических соединений. Последние должны быть разложены до свободных фосфатных ионов, из которых затем вновь синтезируются внутриклеточно новые фосфорорганические вещества. Рассмотрим для примера разложение некоторых органических соединений, содержащих фосфор.

Фитин (соль инозитфосфорной кислоты) в кислых почвах закрепляется в виде солей Fe и Аl, а в щелочных и нейтральных — солей Са и Mg. Под действием микробных ферментов — фитаз — от фитина отщепляется 6 молекул Н₃Р0₄. Лецитин и другие фосфолипиды — сложные эфиры глицерина и фосфорной кислоты — входят в состав цитоплазматических мембран. Расщепляются с участием внеклеточных микробных ферментов — фосфолипаз. Фосфорные эфиры сахаров гидролизуются неспецифическими фосфатазами. Фосфатазной активностью в той или иной степени обладают все почвенные микроорганизмы.

Нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК) также содержат остатки фосфорной кислоты, которые освобождаются под действием микробных нуклеаз, выделяемых многими почвенными микроорганизмами.
МОБИЛИЗАЦИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА
Фосфор в составе неорганических соединений входит в структуру первичных минералов или содержится в почве в виде нерастворимых солей Са, Fe и Аl. В качестве фосфорных удобрений применяют фосфориты и апатиты. Мобилизация из них фосфора происходит под действием кислот — органических и неорганических. Сильные неорганические кислоты образуют нитрификаторы (азотную) и тионовые бактерии (серную). Органические кислоты накапливаются в процессе анаэробных брожений и аэробных неполных окислении органических веществ грибами. Специфические органические кислоты продуцируют лишайники. Роль микоризных грибов в снабжении растений фосфором также определяется их способностью растворять фосфорсодержащие минералы путем выделения органических кислот.