Особенности усвоения молекулярного азота

Процесс фиксации азота атмосферы имеет важное значение. Благодаря этому процессу азот переходит в формы, которые могут использовать все растительные, а через них и животные организмы. Организмы, способные к усвоению азота воздуха, можно разделить на: 1) симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, которые усваивают азот атмосферы, только находясь в симбиозе с высшим растением; 2) несимбиотические азотфиксаторы - микроорганизмы, свободно живущие в почве и усваивающие азот воздуха. Наибольшее значение имеют симбиотические азотфиксаторы, живущие
в клубеньках корней бобовых растений (клубеньковые бактерии),
относящиеся к роду Rhizobium. Связывание азота атмосферы возможно только при симбиотической ассоциации микроорганизмов этого вида и высшего растения в основном из семейства бобовых. Существует большое количество видов и рас клубеньковых бактерий, каждая из которых приспособлена к заражению одного или нескольких видов бобовых растений. Корневые системы бобовых растений обладают специфическими корневыми выделениями. Благодаря этому клубеньковые бактерии скапливаются вокруг корневых волосков, которые при этом скручиваются. Через корневой волосок бактерии в виде сплошного тяжа, состоящего из соединенных слизью бесчисленных бактерий, проникают в паренхиму корня. Клетки перицикла начинают усиленно делиться. Возможно, бактерии выделяют гормон ауксин и именно это является причиной разрастания тканей, образуются вздутия — клубеньки. Клетки клубеньков заполняются быстро размножающимися бактериями, но остаются живыми и сохраняют крупные ядра. Клубеньковые бактерии заражают только полиплоидные клетки корня. Ткань клубеньков, заполненная бактериями, приобретает розовую окраску, так как после заражения там образуется пигмент, сходный с гемоглобином, — леггемоглобин. Этот пигмент связывает кислород воздуха и принимает непосредственное участие в усвоении азота. Исследования показали прямую зависимость между содержанием леггемоглобина и скоростью фиксации азота. При отсутствии леггемоглобина азот не усваивается. Информация об образовании леггемоглобина содержится в ДНК ядра клетки высшего растения. Однако он образуется после их заражения.

Взаимоотношения между высшими растениями и клубеньковыми бактериями обычно характеризуют как симбиоз. Однако на первых этапах заражения бактерии питаются целиком за счет высшего растения, т. е. практически паразитируют на нем. В этот период рост зараженных растений даже несколько тормозится. В дальнейшем азотфиксирующая способность бактерий увеличивается и они начинают снабжать азотистыми веществами растение-хозяина, вместе с тем бактерии получают от высшего растения углеводы. По мере дальнейшего развития наступает этап, когда высшее растение паразитирует на клетках бактерий, потребляя все образующиеся там азотистые соединения. В этот период часто наблюдается растворение
(лизис) бактериальных клеток.

Благодаря деятельности клубеньковых бактерий часть азотистых соединений из корней бобовых растений диффундирует в почву, обогащая ее азотом. Высев бобовых растений ведет к повышению почвенного плодородия. Гектар бобовых растений в симбиозе с бактериями может перевести в связанное состояние от 100 до 200 кг азота за год. Значение этого трудно переоценить, если учесть, что азотные удобрения наиболее дорогие, а в почве соединения азота почти всегда в минимуме.

Существуют и другие виды высших растений, которые живут в симбиозе с бактериями, фиксирующими азот (ольха, лох и др.).

Большое значение имеют свободно живущие бактерии — азотфиксаторы. В 1893 г. русским микробиологом С. Н. Виноградским была выделена анаэробная азотфиксирующая бактерия Clostridium Pasteurianum. В 1901 г. голландский ученый М. Бейеринк выделил две аэробные азотфиксирующие бактерии — Azotobacter chroococum, Azotobacter agile. Сейчас известен ряд видов Azotobacter. Для того чтобы эти микроорганизмы осуществляли процесс фиксации азота, необходимо присутствие молибдена, железа и кальция. Особенно важно присутствие молибдена. Свободно живущие азотфиксаторы (Azotobacter) усваивают в среднем около 1 г азота на 1 м² в год. Усвоение атмосферного азота осуществляется также цианобактериями. В ряде стран их разведение практикуется на рисовых
полях.

Конечным продуктом фиксации азота является аммиак. В процессе восстановления азота до аммиака участвует мультиферментный комплекс — нитрогеназа. Нитрогеназа состоит из двух компонентов. Один из них содержит молибден и железо (белок I), а другой — железо (белок II). Источником водорода и электрона для восстановления азота служит дыхательная электронно-транспортная цепь. Это указывает на связь усвоения азота атмосферы с процессами дыхания, а также фотосинтеза (источника углеводов). По современным представлениям электроны переносятся на азот с участием Мо и Fe, входящих в состав фермента нитрогеназы. Для восстановления N₂ до NH₃ требуется шесть электронов, и они расходуются в три этапа согласно уравнению:

N Ξ N ^{2 e- + 2 H+} → HN =NH ^2e+2H+ → H₂N – NH₂ ^{2 e -+ 2 H +}→ 2 NH₃

Процесс требует АТФ как источника энергии: для восстановления одной молекулы N₂ требуется не менее 12 молекул АТФ. Роль леггемоглобина заключается в поддержании концентрации О₂ на определенном уровне. В клетках высшего растения кислород необходим для поддержания дыхания. Однако в клетках бактерий для восстановления азота, и работы нитрогеназы нужны анаэробные условия. Оба эти условия и создаются леггемоглобином. Для образования леггемоглобина необходимы Fe, Си и Со. Для нормального протекания процесса азотофиксации необходимы Мо и Fe, поскольку они входят в состав фермента нитрогеназы.

Кобальт необходим в связи с тем, что он входит в состав витамина В12, который вовлекается в процесс биосинтеза леггемоглобина. Образовавшийся аммиак здесь же в клетках корня реагирует с α – кетоглутаровой кислотой с образованием глутаминовой кислоты, которая и вовлекается в дальнейший обмен. В надземные органы растения-хозяина азотистые вещества передвигаются главным образом в виде амидов (аспарагина, глутамина).

Как уже отмечалось, фиксирование атмосферного азота может осуществляться и рядом свободноживущих фотосинтезирующих организмов (сине-зелеными водорослями, серными бактериями). В этом случае донором водорода и электронов может быть или вода, или сероводород.