У корінні бобових рослин живуть азотфіксуючі бактерії які

0 Comments

Азотфіксуючі бактерії: середовище проживання, функції

Бактерії – поняття, добре знайоме кожному. Отримання сиру і йогурту, антибіотиків, очищення стічних вод – все це роблять можливим одноклітинні бактеріальні організми. Познайомимося з ними ближче.

  • Хто такі бактерії?
  • Класи бактерій
  • Способи харчування
  • Хемотрофи
  • Азотфіксуючі бактерії: середовище проживання
  • Будова
  • Продуктивність
  • Процеси життєдіяльності
  • Шляхи проникнення бактерій у корінь
  • Значення хемотрофів

Хто такі бактерії?

Представники цього царства живої природи є єдиною групою прокаріот – організмів, клітини яких позбавлені ядра. Але це не означає, що вони зовсім не містять спадкової інформації. Молекули ДНК вільно знаходяться в цитоплазмі клітини і не оточені оболонкою.

Оскільки розміри їх мікроскопічні – до 20 мкм, бактерії вивчає наука мікробіологія. Вчені з’ясували, що прокаріоти можуть бути одноклітинними або об’єднуватися в колонії. Вони мають досить примітивну будову. Крім ядра бактерії позбавлені всіх типів пластид, комплексу Гольджі, ЕПС, лізосом і мітохондрій. Але незважаючи на це, бактеріальна клітина здатна здійснювати найважливіші процеси життєдіяльності: анаеробне дихання без використання кисню, гетеротрофне та автотрофне харчування, безстатеве розмноження та утворення цисти під час переживання несприятливих умов.

Класи бактерій

В основу класифікації покладено різні ознаки. Один з них – форма клітин. Так, вібріони мають вигляд коми, кокки – округлу форму. Вигляд спіралі мають спірили, а паличкоподібну форму – бацили.

Крім того, бактерії об’єднують у групи залежно від особливостей будови клітини. Справжні здатні утворювати слизову капсулу навколо власної клітини і оснащені джгутиками.

Ціанобактерії, або синезелені водорості, здатні до фотосинтезу і разом з грибами входять до складу лишайників.

Багато видів бактерій здатні до симбіозу – взаємовигідного співжиття організмів. Азотфіксатори оселяються на коріннях бобових та інших рослин, утворюючи клубеньки. Яку функцію виконують клубенькові бактерії, легко здогадатися. Вони перетворюють атмосферний азот, який так необхідний рослинам для розвитку.

Способи харчування

Прокаріоти є групою організмів, яким доступні всі способи харчування. Так, зелені та пурпурові бактерії харчуються автотрофно, за рахунок сонячної енергії. За рахунок наявності пластид вони можуть бути пофарбовані в різні кольори, але обов’язково містять хлорофіл. Бактеріальний і рослинний фотосинтез суттєво відрізняються. У бактерій вода не є обов’язковим реагентом. Донором електронів може служити водень або сірководень, тому кисень під час цього процесу не виділяється.

Велика група бактерій харчується гетеротрофно, тобто готовими органічними речовинами. Такі організми використовують для харчування залишки відмерлих організмів і продукти їх життєдіяльності. Бактерії гниття і бродіння здатні розкладати всі відомі органічні речовини. Такі організми ще називають сапротрофами.

Деякі бактерії рослин можуть утворювати симбіоз з іншими організмами: разом з грибами входять до складу лишайників, взаємовигідно співіснують з корінням бобових азотфіксуючі клубенькові бактерії.

Хемотрофи

Ще однією групою за типом харчування є хемотрофи. Це різновид автотрофного харчування, в ході якого замість сонячної енергії використовується енергія хімічних зв’язків різних речовин. Азотфіксуючі бактерії належать до таких організмів. Вони окисляють деякі неорганічні сполуки, при цьому забезпечуючи себе необхідною кількістю енергії.

Азотфіксуючі бактерії: середовище проживання

Подібним чином харчуються і мікроорганізми, здатні перетворювати сполуки азоту. Їх називають азотфіксуючими бактерії. Незважаючи на те, що живуть бактерії повсюдно, середовище проживання саме цього виду – ґрунт. А точніше, коріння бобових рослин.

Будова

Яку функцію виконують клубенькові бактерії? Вона обумовлена їх будовою. Азотфіксуючі бактерії добре видно неозброєним оком. Поселяючись на коріннях бобових і злакових, вони проникають в рослину. При цьому утворюються утовщення, всередині яких відбувається обмін речовин.

Варто сказати, що азотфіксуючі бактерії належать до групи мутуалістів. Їхнє співіснування з іншими організмами є взаємовигідним. Під час фотосинтезу рослина синтезує вуглевод глюкозу, необхідну для процесів життєдіяльності. Бактерії не здатні до такого процесу, тому готові цукру отримують від бобових.

Рослинам для життя необхідний азот. Цієї речовини в природі досить велика кількість. Наприклад, вміст азоту в повітрі становить 78%. Однак у такому стані рослини не здатні поглинати цю речовину. Азотфіксуючі бактерії засвоюють атмосферний азот і переводять його в форму, зручну для рослин.

Продуктивність

Яку функцію виконують азотфіксуючі бактерії, можна переконатися на прикладі хемотрофної бактерії азоспириллум. Живе цей організм на корінні злакових: ячменю або пшениці. Його по праву називають лідером серед продуцентів азоту. На гектар землі він здатний віддати до 60 кг цього елемента.

Азотфіксуючі бактерії бобових, такі як різобитуми, синоризобіуми та інші, також хороші «» трудівники «». Вони здатні збагатити гектар землі азотом масою до 390 кг. На багаторічних бобових рослинах мешкають переможці азотоутворення, продуктивність яких сягає до 560 кг у розрахунку на гектар орних земель.

Процеси життєдіяльності

Всі азотфіксуючі бактерії за особливостями процесів життєдіяльності можна об’єднати в дві групи. Перша група є нітрифікуючою. Суть обміну речовин у цьому випадку полягає в ланцюжку хімічних перетворень. Аммоній, або аміак, перетворюється на нітрити – солі азотної кислоти. Нітрити, своєю чергою, перетворюються на нітрати, які теж є солями цієї сполуки. У вигляді нітратів азот краще засвоюється кореневою системою рослин.

Друга група називається денітрифікаторами. Вони здійснюють зворотний процес: нітрати, що містяться в ґрунті, перетворюють на газоподібний азот. Таким чином відбувається кругообіг азоту в природі.

До процесів життєдіяльності також відносять і процес розмноження. Відбувається він шляхом ділення клітин надвоє. Набагато рідше – шляхом почкування. Характерний для бактерій і статевий процес, який називається кон’югація. При цьому відбувається обмін генетичною інформацією.

Оскільки коренева система виділяє багато цінних речовин, бактерій на ній поселяється дуже багато. Вони перетворюють рослинні залишки в речовини, які здатні увібрати рослини. У результаті шар ґрунту навколо набуває певних властивостей. Його називають різосферою.

Шляхи проникнення бактерій у корінь

Існує кілька способів впровадження бактеріальних клітин у тканині кореневої системи. Це може статися внаслідок пошкодження покровних тканин або в місцях, де клітини кореня молоді. Зона кореневого волосся також є шляхом проникнення хемотрофів всередину рослини. Далі кореневі волосини інфікуються і в результаті активного ділення бактеріальних клітин утворюються клубеньки. Клітини, що впровадилися, утворюють інфекційні нитки, які продовжують процес проникнення в рослинні тканини. За допомогою проведеної системи бактеріальні клубеньки пов’язані з коренем. З плином часу в них з’являється особлива речовина – легоглобін.

До моменту прояву оптимальної активності клубеньки набувають рожевого забарвлення (завдяки пігменту легоглобіну). Фіксувати азот здатні лише ті бактерії, які містять легоглобін.

Значення хемотрофів

Люди давно помітили, що, якщо перекопати бобові рослини з ґрунтом, урожай на цьому місці буде краще. Насправді суть не в процесі зораження. Такий ґрунт більше збагачується азотом, настільки необхідним для зростання і розвитку рослин.

Якщо лист називають фабрикою з виробництва кисню, то азотфіксуючі бактерії можуть по праву називатися фабрикою з виробництва нітратів.

Ще в 19 столітті вчені звернули увагу на дивовижні здібності бобових рослин. Через нестачу знань їх приписували тільки рослинам і не пов’язували з іншими організмами. Було висловлено припущення, що листя можуть фіксувати атмосферний азот. Під час експериментів було з’ясовано, що бобові, які виросли у воді, таку здатність втрачають. Понад 15 років це питання залишалося загадкою. Ніхто не здогадувався, що здійснюють все це азотфіксуючі бактерії, середовище проживання яких не було вивчене. Виявилося, що справа в симбіозі організмів. Тільки разом бобові та бактерії можуть виробляти нітрати для рослин.

Зараз вчені виявили понад 200 рослин, які не належать до сімейству бобових, але здатні утворити симбіоз з азотфіксуючими бактеріями. Картопля, сорго, пшениця також мають цінні властивості.

Зависимость бобовых от бактерий

Несмотря на то, что атмосфера Земли почти на 78% состоит из азота, для большинства растений он недоступен. К примеру, если вы находитесь на открытом пространстве, на вас будет давить столб воздуха с содержанием 6 т азота.

Воздух, который находится над одним гектаром поверхности поля, содержит 80 тыс. т азота. Однако доступным для растений он становится лишь при симбиотической азотфиксации, осуществляемой клубеньковыми бактериями, которые находятся в тесной симбиотической связи с бобовыми растениями.

Принудительное вакцинирование семян бобовых бактериальными препаратами (инокулянт) называется инокуляцией. После высева инокулированных семян клубеньковые бактерии (ризобии) прорастают в виде тонких волосков и инфицируют молодые корни растения. После проникновения в корневой волосок бактерии вызывают интенсивное деление клеток корня, в результате чего появляется клубенек. Сами бактерии развиваются в этих клубеньках на корнях, участвуя в ассимиляции азота.

Проверить эффективность азотфиксации позволяет цвет корневых образований: азот способны фиксировать только клубеньки розового цвета, в которых локализован красный пигментный белок — леггемоглобин.

Клубеньковые бактерии живут на корнях у 10% растений из семейства бобовых, однако решающее значение для сельскохозяйственного производства они имеют на таких культурах как соя и горох. Например, с урожайностью 35 ц/га соя выносит из почвы около 280 кг азота, однако эта потребность на 65-70% покрывается за счет биологической фиксации. Итак, действие качественного инокулянта эквивалентно внесению более 500 кг аммиачной селитры на 1 га. При стоимости данного азотсодержащего удобрения (34 кг д.в. азота) более 8000 грн/т экономия только на удобрениях составит 4000 грн/га, при стоимости гектарной нормы качественного инокулянта около 250 грн/га.

Как правильно выбрать эффективный инокулянт

Однако хозяину нужно очень тщательно выбирать инокулянты среди многообразия препаратов, представленных на рынке. Поскольку некачественный продукт будет иметь ряд проблем:

— нестерильный инокулянт будет вызывать быстрое уменьшение концентрации бактерий;

— загрязнение семян вредными бактериями;

— дешевые препараты будут иметь как низкую концентрацию бактерий, так и их слабую жизнеспособность;

— просроченные продукты будут с низкой концентрацией бактерий и нулевой эффективностью.

Прежде всего доверять необходимо брендам, признанным как в Европе, так и США, Канаде. И одним из таких производителей является британская компания Legume Technology Ltd, которая осуществляет поставки своей продукции в более чем 30 ведущих стран мира. В Украине продукты данной компании поставляются под брендами Premium Inoculant (сухой инокулянт на стерильной торфяной основе) и Premium Inoculant Forte (жидкий инокулянт).

Инновационная составляющая

Благодаря инновационной составляющей в исследованиях микроорганизмов Legume Technology Ltd придерживается принципов производства стерильных высококачественных продуктов, которые имеют отличный срок хранения и обеспечивают эффективную дозу клеток-специфических бактерий для фиксации азота. Полевые испытания данных инокулянтов показали значительное увеличение урожая сои в Канаде — более 70%. Испытания на горохе в Великобритании показали увеличение урожая на 20%, даже на почвах со значительной концентрацией природных ризобий (результаты 2016 года).

Что важно, для стерилизации питательной среды продукта компания Legume Technology применяет гамма-облучение с целью исключения содержания вредных бактерий.

Результаты выращивания бактерий из препаратов конкурентов (верхний ряд) и Премиум Инокулянт при различных концентрациях (нижний ряд) на питательной среде

Проведенные исследования подтвердили длительное эффективное действие жидкого инокулянта Премиум Инокулянт Форте по сравнению с конкурентными препаратами.

Кроме того, Премиум Инокулянт Форте имеет и ряд других неоспоримых преимуществ. В частности, в своем составе содержит два штамма эффективных бактерий (Bradyrhizobium japonicum USDA442, Bradyrhizobium diazoefficiens SEIMA 5079 и SEIMA 5080) для лучшей фиксации атмосферного азота в различных грунтовых условиях. Содержит экстендр, что дает возможность сохранять жизнеспособность бактерий на обработанных семенах в течение 14 дней. Имеет ПАВ с эффектом активного покрытия для обеспечения более равномерного нанесения по сравнению с сухими инокулянтами.

Николай Сучек, кандидат сельскохозяйственных наук, начальник отдела семеноводства, старший научный консультант АХК «Витагро»