Мінеральнае сілкаванне. Фіксацыя азоту

Вы знаходзіцеся: Мінеральнае сілкаванне

Адной з найважных задач біяхімікаў, зацікаўленых у павелічэнні прадуктыўнасці сельскай гаспадаркі, з'яўляецца падвышэнне эфектыўнасці азотфиксации, бо рост раслін часцей за ўсё лімітуе недастатковае забеспячэнне іх фіксаваным азотам. Азот у форме стабільнай малекулы N2 складае 80% атмасферы. Перад фіксацыяй (аднаўленнем азоту да аміяку) гэта малекула павінна нейкім чынам дэстабілізавацца і расшчапіцца. Які ўтвараецца пры фіксацыі аміяк (NH3) можа паглынацца каранямі раслін як такі ці пасля яго акіслення глебавымі мікраарганізмамі да нітратаў (N03-). У большасці глеб адукацыя NO3- з NH3 адбываецца настолькі хутка, што вялікая частка азоту паглынаецца каранямі ў выглядзе NO3-.

Фіксацыя азоту ажыццяўляецца галоўным чынам некаторымі вольна якія жывуць бактэрыямі, што спажываюць арганічнае рэчыва глебы. Да іх ставяцца, напрыклад, аэробная форма Azotobacter і анаэробная - Clostridium. Бактэрыі роду Rhizobium, якія таксама ўдзельнічаюць у фіксацыі азоту, жывуць у каранёвых пухлінах ці клубеньках вызначаных выглядаў раслін (мал. 7.3). Расліна-гаспадар прыналежыць звычайна да сямейства бабовых, які ўключае гарох, бабы, сою, люцэрну, канюшына і віку. Нядаўна праведзеныя даследаванні паказалі, што азотфиксирующие бактэрыі роду Spirillum атачаюць карані трапічнай травы Digitaria. Гэта слабая асацыяцыя каранёў травы і бактэрый у ризосфере, магчыма, уяўляе прамежкавую эвалюцыйную стадыю паміж свободноживущим азотабактарам і лакалізаваным у клубеньках ризобиумом. Расліна 'прыцягвае' бактэрыі з дапамогай арганічных каранёвых вылучэнняў. Мікраарганізмы ризосферы ў сваю чаргу забяспечваюць расліны фіксаваным азотам. Некаторае сіне-зялёнае багавінне (такія, як Апаьаепа і Nostoc) і фотосинтезирующие бактэрыі (Rhodospirillum) могуць фіксаваць атмасферны азот, энергетычна спалучаючы гэты працэс з фотасінтэзам. Паказаныя арганізмы з'яўляюцца найболей выяўленымі автотрофа-мі біялагічнага свету, хоць некаторыя штамы Апаьаепа жывуць і эфектыўна фіксуюць азот толькі ў асацыяцыі з адмысловымі 'кішэнькамі' вадзяной папараці Azolla. Чыннікі гэтай з'явы не высветлены.

Узаемавыгадная асацыяцыя двух арганізмаў завецца сімбіёзам. Бо ні Rhizobium, ні расліна-гаспадар у асобнасці не здольныя фіксаваць і аднаўляць атмасферны азот, біялагічны комплекс у клубеньке трэба разглядаць як симбиотическую асацыяцыю бактэрый і расліны-гаспадара. Кожны тып расліны-гаспадара мае свой уласны симбиотический Rhizobium. Узаемнае пазнаванне расліны-гаспадара і бактэрый ажыццяўляецца шляхам прымацавання адмысловага бялку (лектина), змешчанага на паверхні клетак каранёвай валасінкі, да спецыфічнай бактэрыі. Пасля прымацавання да гаспадара які ўрываецца арганізм пранікае ў клеткі незвычайна скрыўленых каранёвых валасінак, якія, відавочна, дэфармуюцца пад уплывам вылучаемых бактэрыямі роставых гармонаў групы аўксіну. Усярэдзіне клеткі-гаспадара бактэрыі падзяляюцца, і якое ўтварылася нашчадства змяняе сваю форму, ператвараючыся ў бактэроіды, што змяшчаюцца ў інфекцыйнай нітцы, якая праходзіць ад верхавіны клеткавай сценкі каранёвай валасінкі праз цэнтр клеткі (мал. 7.4).

Канчатковым вынікам такога пранікнення бактэрый з'яўляецца надзвычай моцнае разрастанне клетак кораня, якое прыводзіць да адукацыі барадавістых выпукласцяў, званых клубеньками. Ризобиум здольны эфектыўна фіксаваць азот, толькі знаходзячыся ў клубеньках такога тыпу.

Асацыяцыя паміж Spirillum і яго раслінай-гаспадаром таксама ставіцца да симбиотической, але яна абмежавана паверхняй каранёў. Гэта меней трывалы тып асацыяцыі, бо Spirillum можна выгадоўваць асобна ад гаспадара пры наяўнасці дастатковай колькасці пажыўных рэчываў. Таму навукоўцы вывучаюць магчымасць буйнамаштабнага культывавання гэтых бактэрый у якасці крыніц фіксаванага азоту. Было таксама паказана, што часам дадзеныя бактэрыі жывуць у асацыяцыі з кукурузай. Гэта адкрывае магчымасць выводзін штамаў, здольных да фіксацыі азоту на тых выглядах раслін, якія звычайна не маюць азотфиксирующих бактэрый.

Фіксацыя азоту ажыццяўляецца Fe2+- і Мо_-утрымоўвалым ферментам нитрогеназой. Расліны, якія жывуць у асацыяцыі з азотфиксирующими бактэрыямі і што залежаць ад гэтага фермента, не рэагуюць на даданне азотазмяшчальных угнаенняў, бо аміяк (NH3), прысутны ў іх ці ўтвораны з занесенага азотазмяшчальнага матэрыялу, душыць актыўнасць генаў, кіраўнікоў сінтэзам нитрогеназы. Таму спробы павялічыць узровень азотфиксации уключаюць пошукі азотфиксирующих бактэрый, пазбаўленых здольнасці рэгуляваць сінтэз нитрогеназы па прынцыпе 'зваротнай сувязі'. У рэгулёўны механізм, відавочна, залучаны фермент глутаминсинтетаза, паколькі сінтэз нитрогеназы адбываецца толькі пры высокім утрыманні глутаминсинтетазы. Нядаўна былі знойдзены мутантавыя бактэрыі, якія змяшчаюць вялікая колькасць глутаминсинтетазы. Яны працягваюць сінтэзаваць нйтрогеназу нават у прысутнасці NH3. Такім чынам, пошук бактэрый з высокай эфектыўнасцю азотфиксации здаецца шматспадзеўным.

Акрамя нитрогеназы, якая злучаецца з малекулай N2 і дэстабілізуе яе, для аднаўлення N2 да NH3 неабходны моцны аднаўляльнік і АТР. Ферредоксин - пераносчык электронаў, які ўдзельнічае таксама і ў фотасінтэзе, - служыць галоўным аднаўлялым агентам. Пры симбиотической азотфиксации АТР пастаўляецца раслінай гаспадаром і колькасць фіксаванага азоту часта абмяжоўваецца хуткасцю фотасінтэзу. Таму 'угнойваючы' расліна, напрыклад сою, двухвокісам вугляроду, у прынцыпе можна павялічыць агульную фіксацыю азоту дзякуючы павелічэнню колькасці метабалітаў, якія ўтвараюцца пры фотасінтэзе. Аднак гэта цяжка ажыццявіць на практыку пры апрацоўцы палявых культур.

Усё азотфиксирующие сістэмы можна атруціць нават следовыми колькасцямі кіслароду. Гэта азначае, што фермент нитрогеназа нават у аэробных клетках павінен утрымоўвацца галоўным чынам у анаэробных умовах. У каранёвых клубеньках бабовых гэта дасягаецца з дапамогай леггемоглобина (LHb) - чырванаватага железосодержащего аналогу жывёльнага пігмента. Падобна гемаглабіну крыві і міяглабіну цягліц, леггемоглобин можа злучацца з кіслародам:

Такое злучэнне забяспечвае эфектыўнае выдаленне кіслароду, змешчанага паблізу ад нитрогеназы, і аптымальныя хуткасці азотфиксации. Кісларод, злучаны з леггемоглобином, можа быць таксама скарыстаны для адукацыі АТР падчас дыхання. Гэта мае вельмі вялікае значэнне, бо для фіксацыі азоту неабходны значныя колькасці АТР. Як правіла, чым чырваней клубенек, тым актыўней у ім ідуць працэсы азотфиксации. У- азотфиксирующей сіне-зялёнай водарасці Nostoc нитрогеназа, відавочна, лакалізавана ў гетероцистах, адмысловых нефотосинтезирующих анаэробных клетках (мал. 7.5). Гэта структурная арганізацыя служыць таксама для ізаляцыі азотфиксирующей сістэмы ад кіслароду, які вылучаецца падчас фотасінтэзу.

Некаторыя мікраарганізмы, якія насяляюць у глебе, могуць акісляць аміяк (NH3) да нітратаў (NO3-). Большасць раслін аддаюць перавагу паглынаць, і выкарыстоўваць азот, занесены ў выглядзе нітрату, хоць такі азот у выніку ўключаецца ў раслінны матэрыял у форме высока-адноўленых амінагруп (-NH2). Фермент нитратредуктаза аднаўляе нітраты зваротна да амонія з дапамогай адноўленых дыхальных пераносчыкаў, такіх, як NADPH. Нитратредуктаза, верагодна, утрымоўвае малібдэн у сваім актыўным цэнтры, і гэта, магчыма, з'яўляецца галоўнай метабалічнай роляй малібдэна ў раслінах. Аднаўленне N03~ да NH3 можа, відавочна, адбывацца праз такія прамежкавыя злучэнні, як азоцістая кіслата (HONO) і гідраксіламін (NH2OH).

Аміяк таксічны для раслінных клетак, таму ён не павінен назапашвацца ў іх у вялікіх колькасцях. Аміяк звычайна ператвараецца ў амінакіслоты, уступаючы ў рэакцыю з а-кетоглутаровой кіслатой (метабаліт цыклу Кребса), у выніку чаго ўтворыцца глютамінавая кіслата, а пры далейшым даданні аміяку - глютамін, амидглутаминовой кіслоты (мал. 7.6).

Іншыя амінакіслоты сінтэзуюцца падчас ферментатыўнага працэсу переаминирования, пры якім глютамінавая кіслата ўзаемадзейнічае з іншымі кетокислотами, папярэднікамі новых амінакіслот, пераносячы на іх сваю амінагрупу і ператвараючыся зноў у а-кетоглутаровую кіслату. Аспарагиновая кіслата з'яўляецца адным з першых прадуктаў рэакцыі переаминирования. У гэтым выпадку рэцэптарам амінагрупы служыць щавелевоуксусная кіслата. Пры дадатковым злучэнні аміяку з аспарагиновой кіслатой утворыцца аспарагін - амід аспарагиновой кіслоты. Пераважна ў форме гэтых чатырох кампанентаў - глютамінавай кіслаты, глютаміна, аспарагиновой кіслоты і аспарагіну - і транспартуецца фіксаваны азот ад клетак седзячы круком па ўсёй расліне. Некаторыя амінакіслоты ўтворацца шляхам мадыфікацыі вугляродных драб предсуществующей амінакіслоты.

Такім чынам, агульны кругазварот азоту ў прыродзе ўяўляе сабою зварачальны пераход яго вольнай газападобнай формы ў атмасферы ў фіксаваную форму ў глебе ці біялагічнай сістэме. У раслінных клетках паглынутыя нітраты зноў аднаўляюцца да аміяку, які затым злучаецца з вызначанымі арганічнымі кіслотамі, у выніку чаго ўтворацца амінакіслоты, а затым вавёркі. Гэтыя рэчывы пераварваюцца жывёламі і ператвараюцца ў жывёльныя бялкі і азоцістыя прадукты абмену - мачавіну і мачавую кіслату. У канчатковым рахунку ўсе жывёлы і расліны адміраюць і раскладаюцца ў глебе з адукацыяй простых азоцістых рэчываў, такіх, як аміяк. Гэтыя рэчывы ўвесь час рециркулируют праз біялагічныя сістэмы, ствараючы кругазварот азоту (мал. 7.7).

Дзякуючы дзеянню денитрифицирующих бактэрый фіксаваны азот у выглядзе вольнага малекулярнага азоту вяртаецца ў атмасферу, адкуль ён ізноў можа фіксавацца бактэрыямі. Денитрификация - даволі марнатраўны працэс. Яго можна зараз замарудзіць у глебе з дапамогай хімічных злучэнняў, адмыслова прызначаных для гэтай мэты. Іх ужыванне павінна аказаць істотную дапамогу сельскай гаспадарцы.

Фермент нитрогеназа, які злучаецца з малекулай. N2(N=N) і аднаўляе яе да аміяку (NH3), можа таксама далучаць ацэтылен (НС=СН) і аднаўляць яго да этылену (НС=СН). Выяўленне гэтай актыўнасці ляжыць у аснове метаду, з дапамогай якога азотфиксирующую актыўнасць расліны можна вызначыць непасрэдна ў поле. Вызначаная колькасць ацэтылену ў выглядзе газу ўносіцца ў корані заселенае асяроддзе расліны і праз некаторы час выдаляецца' Колькасць ацэтылену, пераўтворанае ў этылен, служыць паказчыкам азотфиксирующей здольнасці каранёў дадзенай расліны. Паколькі як ацэтылен, так і этылен з'яўляюцца газамі, нават малаважныя іх колькасці можна аналізаваць метадам газавай хроматографии, якія дазваляюць без вялікіх выдаткаў хутка атрымліваць дакладныя дадзеныя. Выкарыстоўваючы гэты метад, фізіёлагі раслін даследавалі азотфиксирующую здольнасць раслін соі ў антагенезе і вывучылі фізіялагічныя фактары, якія ўплываюць на эфектыўнасць працэсу. Гэта важна для выяўлення шляхоў далейшага падвышэння прадуктыўнасці раслін.