Азотобактери
Вищі рослини не здатні використовувати як азотну поживу атмосферний азот, оскільки вони не в змозі здолати сили зчеплення атомів в молекулі останнього. Тому вся величезна маса вільного азоту (8 т/м2 землі) рослині недоступна. Навіть у багатих на органічні речовини ґрунтах доступного рослині азоту 1–2 %, або приблизно 200 кг/га орного шару. В інших ґрунтах його утроє-четверо менше.
У 1901 р. М. Бейерінком був відкритий аеробний мікроорганізм, названий азотобактером. Азотобактери дуже важливі для фотосинтезу. Вони нагромаджують за рік від 10 до 40 кг зв'язаного азоту на 1 га.
У чорноземі азотобактерів до 40 млн/г грунту. Деякі препарати мають їх в 1 г сотні мільйонів. Антропогенний вплив і техногенне навантаження на грунт призвели його до такого стану, що майже вся біота знищена. У багатьох ґрунтах азотобактери відсутні, а без них грунт стає мертвим. Їх місце займають хвороботворні віруси і бактерії, небезпечні для нас.
Вивчення азотфіксації
В одній із доповідей П. І. Гайдуцький («Природне землеробство України — шлях до здоров'я і добробуту нації», 07.06.2012) цілком закономірно ставить риторичне запитання: чому в Україні упущені регуляторні механізми щодо структури посівів, системи внесення добрив тощо? Адже в країні склались катастрофічні структурні диспропорції, на усунення яких необхідно десятки років (рис. 1).
Рис. 1. Частка обстежених сільськогосподарських підприємств з площею понад 3000 га угідь,%
Зацікавлення проблемою мікробіологічної фіксації атмосферного азоту обумовлене не тільки важливістю цього процесу в азотному балансі біосфери Землі, але і його перспективою як джерелом зв'язаного азоту для забезпечення зростаючих потреб сільського господарства і промисловості. Основними аргументами при цьому виступають його повна нешкідливість для людини і навколишнього середовища та порівняно невеликі витрати енергії на активізацію мікроорганізмів-азотфіксаторів.
Дослідженнями встановлено, що додавання до грунту глюкози, цукру, крохмалю, зелених добрив та інших легкоасимілюючих сполук сильно і швидко стимулює азотфіксацію, причому цей ефект проявляється у всіх ґрунтах незалежно від їх властивостей. На основі цих спостережень можна зробити однозначний висновок, що азотфіксуючий генофонд усіх грунтів доволі багатий, а діяльність гетеротрофних азотфіксуючих бактерій у них лімітована недоліком легкодоступного енергетичного субстрату, наприклад вуглеводів.
Залежність інтенсивності фіксації атмосферного азоту асоціативними азотфіксаторами від видільної діяльності кореневої системи рослин, а в кінцевому результаті від фотосинтетичної активності, свідчить про тісну взаємозалежність двох унікальних біологічних процесів — азотфіксації і фотосинтезу. Підтвердженням цього є низький рівень несимбіотичної і асоціативної азотфіксації у районах низької продуктивності фотосинтезу і високий їх рівень в районах високої її продуктивності.
Рослини значною мірою впливають не тільки на азотфіксуючу активність грунту, але і є основним чинником, що визначає динаміку асоціативної азотфіксації.
Обсяги біологічної азотфіксації
За даними Є. П. Трапезнікова, конюшина лучна за врожайності сіна 115 ц/га, вмісті загального азоту 2,8 % і коефіцієнті азотфіксації 0,7 (або 70 % від загального) здатна за рік засвоїти 112,7 кг азоту атмосфери, а люцерна за врожайності 40 ц/га, вмісті загального азоту 30 % і при тому ж коефіцієнті азотфіксації — 147 кг. Крім того, високоврожайні багаторічні бобові трави залишають у грунті до 100–130 ц/га і більше сухих органічних речовин, що містять 200–250 кг/га азоту і набагато більше вуглецю. Цієї кількості достатньо для збільшення врожаю пшениці на 10–15 ц зерна з 1 га.
Включення до сівозміни бобових багаторічних трав, які здатні нагромаджувати у своїй біомасі 200–300 кг/га азоту, а також однорічні бобові культури, які спроможні нагромадити 60–100 кг/га біологічного азоту. Насичення сівозмін культурами-азотфіксаторами до 20–30 % дозволяє на 25–30 % зменшити норми внесення азотних добрив.
Фактори біологічної фіксації
Висока активність біологічної (симбіотичної) фіксації азоту атмосфери обумовлена низкою чинників.
Вологість грунту
Значення цього фактора добре вивчено і відображено в науковій літературі. Зазвичай бульби на коренях бобових культур утворюються у межах 40–80 % зволоження грунту від повної його вологоємності. Достатньою для цього процесу слід вважати вологість 60–70 % від повної вологоємності. За твердженням вчених, мінімальна вологість грунту, за якої починають розвиватися бульбочкові бактерії, у межах 16–18 % від повної вологоємності.
Температура грунту
У багатьох бобових рослин активна азотфіксація відбувається за температури 20–24?С. Збільшення або зменшення цієї температури гальмує симбіотичне засвоєння атмосферного азоту.
рН грунту
Найкраще розвиваються бульбочкові бактерії за рН 6–7. За межами рН 3,5–11,5 ріст їх зупиняється. Межі рН для росту бобових рослин зазвичай бувають ширшими, ніж для утворення бульбочок.
Нітрагінізація бобових
Найважливішим заходом збільшення симбіотичної азотфіксації і продуктивності бобових культур є застосування високоефективних препаратів бульбочкових бактерій (нітрагінізація). У багатьох країнах нітрагінізації піддають 70–80 % посівів бобових культур. Розроблено велику кількість різних форм препаратів — рідка, ґрунтова, суха, торф'яна, гранульована. Домінуючою формою є торф'яна, що отримала комерційну назву «ризоторфін» на нестерильному і гамма-стерильному торфі.
За існуючої порівняно невисокої на ряді культур ефективності нітрагіну унаслідок його застосування можна отримати додатково щорічно близько 3 млн т протеїну. Ефект може бути ще вагомішим за підвищення якості нітрагіну завдяки селекції нових високоякісних і конкурентоспроможних штамів бульбочкових бактерій в агроценозах і правильному підбору рослини-господаря.
Вплив макро- і мікроелементів. У системі застосування мінеральних і органічних добрив у сівозміні будь-якої ґрунтово-кліматичної зони необхідний систематичний контроль за рівнем забезпечення грунту рухомими формами мікро- і макроелементів і вмістом їх у рослинах. Це особливо стосується бобових культур, які для активної азотфіксації і формування біомаси потребують набагато більше мікроелементів.
Утворення бульбочок, поява в них фітоглобіну і активність азотфіксації перебувають у прямій залежності від інтенсивності росту рослин та забезпечення їх елементами мінерального живлення.
Польові культури краще забезпечені елементами мінерального живлення, ніж рослини природних кормових угідь. Площа листків і їх біомаса буває у 3–7 разів більшою, а також значно більша і кількість ексудатів, виділених кореневою системою.
Азотні добрива у підвищених дозах затримують синтез і активність структурного комплексу нітрогенази — ключового ферменту біологічної азотфіксації. Аміак, що утворився у процесі азотфіксації, взаємодіє із кетокислотами, утворює первинні амінокислоти і аміди, синтез яких відбувається за участі низки ферментів. Надлишок нітратів, що надійшли в рослину, порушує нормальний метаболізм цього процесу і збалансування азотного циклу.
Фосфор і калій
За низького вмісту фосфору в середовищі проявляється зменшення проникнення бактерій у кореневі волоски. Окремі культури бульбочкових бактерій одного і того ж виду рослин потребують різної кількості фосфору.
Винятково важливе значення калію у житті бобових рослин. Нестача його призводить до розладу як азотного, так і вуглеводневого обміну. Калійне голодування послаблює приєднання фосфору до органічних сполук. Бобові культури, особливо такі як люпин і конюшина, на відміну від небобових менш вимогливі до рівня рухомих фосфатів та обмінного калію в грунті. Для цієї групи культур необхідний інший критерій забезпечення грунтів фосфором і калієм та розрахунок доз фосфорних і калійних добрив на запланований врожай.
Кальцій і магній
Ріст коренів і надземних органів залежить від наявності кальцію у поживному середовищі. За нестачі кальцію клітинні стінки ослизнюються, особливо сильно страждають стінки кореневих волосків, що перешкоджає інфікуванню бобових бульбочкових бактерій.
За достатньої кількості кальцію і магнію у середовищі клітини бульбочкових бактерій тривалий час зберігаються в активному стані. За активної участі магнію відбувається активізація ферментативного комплексу нітрогенази. Дефіцит магнію порушує розмноження бактерій і зменшує їх життєдіяльність.
Вапнування кислих грунтів, оптимізація режиму мінерального живлення рослин на природних кормових угіддях, збільшення частки бобових трав у фітоценозі уможливлює вірогідно збільшити вплив біологічного азоту на продуктивність цих угідь.
Молібден
У цих процесах важливе значення має молібден, що є серцевиною нітрогеназного комплексу.
Кобальт здатний утворювати комплекси, які активізують молекулу азоту. Специфічна функція кобальту в підсиленні симбіотичної азотфіксації проявляється через входження цього елемента до складу вітаміну В12.
Бор позитивно впливає на фотосинтез, вуглеводневий, білковий і нуклеїновий обмін, на запліднення, плодоношення і врожай насіння бобових культур. Збільшення урожайності насіння, очевидно, пов'язано з тим, що бор підсилює ріст пилкових трубок, проростання пилку, збільшує кількість квіток і плодів.
Окрім зазначених вище елементів, необхідні й інші мікроелементи, такі як Cu, Zn, Mn. Вони беруть участь в окисно-відновних процесах, вуглеводневому і азотному обмінах, підвищують стійкість рослин до хвороб і несприятливих умов навколишнього природного середовища. Мідь, цинк, марганець сприяють нагромадженню у рослинах органічних сполук фосфору і надходженню магнію. Марганець підсилює процеси пересування фосфору від старіючих листків до молодих.
Групи бактерій азотфіксаторів
Біологічна фіксація азоту — одна з кардинальних проблем сучасного землеробства. Про важливість цієї проблеми свідчить створення Міжнародної біологічної програми та національних програм, а також періодичні Міжнародні симпозіуми. Все розмаїття бактерій-азотфіксаторів в агрономічному плані можна розділити на три великі групи:
1. Бульбочкові (симбіотичні) бактерії бобових рослин роду Rhizobium, які інфікують коріння бобових з утворенням на них бульбочок і живуть у симбіозі з вищими рослинами.
Найбільш відчутне джерело біологічного азоту — бобові культури. Цінність їх полягає у тому, що вони дають продукцію, багату білками і дефіцитними амінокислотами. Вартість білка бобових культур значно нижча за вартість білка зернових культур.
Тривалий час бобово-ризобіальний симбіоз розглядали як особливість бульбочкових бактерій проникати в коріння бобових, утворювати бульбочки і покращувати зростання бобових рослин унаслідок симбіотичної азотфіксації. Тепер встановлено, що у процесі формування та функціонування бобово-ризобіального симбіозу рослина-господар відіграє не менш важливу роль, а швидше провідну, ніж клітини бактерій. Це дуже важливе положення, яке зобов'язує створити сприятливі умови для розвитку бобових рослин, що гарантує ефективний бобово-бактеріальний симбіоз та активну фіксацію молекулярного азоту.
Природні (якісні) властивості усіх бульбочкових бактерій — це специфічність, вірулентність, активність, конкурентна спроможність. Саме ці властивості визначають практичну цінність препаратів бульбочкових бактерій, їх взаємини з бобовими рослинами.
2. Несимбіотичні (вільноживучі) бактерії, що знаходяться у грунті (аеробні та анаеробні фіксатори азоту), і азотфіксатори, що заселяють поверхню грунту — синьо-зелені водорості (ціанобактерії).
Всі вільноживучі у грунті азотфіксатори — гетеротрофи, їх активність значною мірою визначається наявністю у грунті певних форм органічних речовин. Угруповання мікроорганізмів-азотфіксаторів, що живуть на поверхні грунту (синьо-зелені водорості та ін.) — фототрофи. Всі гетеротрофні і фототрофні (автотрофні) азотфіксуючі мікроорганізми становлять одну загальну групу несимбіотичних азотфіксаторів. Вони, так само як і симбіотичні (бульбочкові) бактерії, чутливо реагують на стан ґрунтового середовища і рослин, умови погоди і внесення мікро- і макродобрив.
Азот, фіксований мікроорганізмами, швидко надходить до складу гумусу грунту, переважно до гумінових кислот. Доступність цього азоту для рослин визначають при вирощуванні їх у грунті, збагаченому 15N унаслідок азотфіксуючої діяльності бактерій. За 30–60 днів вегетації овес засвоював 11,4 % несимбіотичного азоту в грунті, пшениця — 12,7, кукурудза — від 6,4 до 10,4 %.
Необхідно мати на увазі, що асимільований бактеріями азот атмосфери, піддаючись швидкій мінералізації, не тільки засвоюється рослинами, але й втрачається у процесі денітрифікації. Тому фактичні обсяги несимбіотичної азотфіксації, мабуть, будуть вищі, ніж засвоєні рослинами. Активна несимбіотична азотфіксація у грунті відбувається не тільки в горизонті А, а й в інших генетичних горизонтах (АВ і ВС). Діазотрофи становлять численну групу мікроорганізмів. Вони перевищують за чисельністю представників таких фізіологічних груп, як амоніфікатори, нітрифікатори і особливо целюлозоруйнівні мікроорганізми.
Азотфіксуючі ціанобактерії. Ця група бактерій (ґрунтової альгофлори), що раніше називали синьо-зелені водорості, останнім часом привертає пильну увагу через здатність до масового розмноження на поверхні ріллі. Вони займають чільне місце серед несимбіотичних фіксаторів азоту і характерні тим, що не потребують наявності в середовищі існування готових органічних речовин як джерела енергії. Вони — автотрофи, засвоюють вуглець і азот з повітря, представлені одноклітинними колоніальними і нітратними організмами.
Звернено увагу на те, що в окремі періоди бактерії зумовлюють зміну забарвлення самого верхнього шару, і за аналогією з «цвітінням води» це явище отримало назву «цвітіння грунту», оскільки на його поверхні утворюються темно-зелений, іноді майже чорний наліт, дрібні гроноподібні бульбашки, слизова плівка і щільна кірка. Вивчення фіксації азоту водоростями в природних умовах розгорнулося лише в останні три десятиріччя.
3. Асоціативні азотфіксатори роду Azospirillum та ін., що живляться переважно продуктами кореневих виділень. Ця група азотфіксаторів наразі ще малозначуща і перебуває на стадії наукових пошуків.
Визначення кількості азоту, яка надходить до грунту під різними сільськогосподарськими культурами унаслідок діяльності діазотрофних ґрунтових бактерій, є одним з основних завдань екології асоціативної азотфіксації. Відомості про рівень асоціативної азотфіксації в окультурених ґрунтах різних зон нечисленні і часто суперечливі.
На думку Е. Н. Мішустіна, гетеротрофні ґрунтові азотфіксатори можуть постачати до орного грунту в зоні помірного клімату 6,8–53 кг/га азоту за рік (залежно від типу грунту). Активність азотфіксації у ґрунтах зростає при переході від північних грунтів до південних. В інтразональних ґрунтах надмірного зволоження (заплавних, болотних) активність найбільш висока і становить від 16,5 кг/га до 67,5 кг/га азоту за місяць.
Дослідженнями М. М. Умарова встановлено, що в дерново-підзолистому грунті під сільськогосподарськими культурами сумарна продуктивність асоціативної і несимбіотичної азотфіксації не нижча 30–40 кг/га азоту за рік. Основна частина азоту (близько 2/3) зв'язується у процесі асоціативної азотфіксації, що має важливе значення для азотного живлення рослин.
Гербіциди та інсектициди, рекомендовані для застосування на посівах бобових культур, у виробничих умовах не мають істотного впливу на життєдіяльність бульбочкових бактерій. Зазвичай гербіциди та інсектициди вносять безпосередньо у грунт або по вегетуючих рослинах. Тому контакт їх з бульбочковими бактеріями обмежений.
Негативний вплив гербіцидів на бобово-ризобіальний симбіоз тісно пов'язаний з реакцією рослини-господаря на внесення пестицидів. Під впливом гербіцидів істотно змінюються фізіолого-біохімічні показники рослини — змінюється вуглеводневий обмін, зокрема, зменшується вміст цукрів у тканинах рослин, порушуються метаболічні реакції азотного циклу. Це впливає на ефективність симбіотичної азотфіксації.
