close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

221 bondarenko a.p. vedernikova a.a. vayshlya o.b. mikroorganizmi rizosferi

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
А.П.Бондаренко, А.А. Ведерникова, О.Б. Вайшля
Микроорганизмы ризосферы
Учебно-методическое пособие для студентов естественных
специальностей
Павлодар
УДК 504.53+631.461.71](075.8)
ББК 28.080.3
Б81
Рекомендовано заседанием кафедры «Экология» Биологохимического факультета ПГУ им. С. Торайгырова
Рецензент:
к.с-х..н. доцент Альмишев У.Х..
Б81 Бондаренко А.П., Ведерникова А.А., Вайшля О.Б.
Микроорганизмы ризосферы: учебно-методическое пособие. —
Павлодар, 2008. — 237 с.
В данном пособии показано симбиотическое взаимоотношение
микроорганизмов и растений. Отмечена роль микроорганизмов в
гипергенезе и их геологическая роль. Рассмотрено значение
микроорганизмов в азотфиксации и преобразовании материнских
пород. Особое внимание уделено участию микроорганизмов
круговороте веществ, и, в первую очередь, регулированию потоков
элементов минерального питания в почве, переводу их в состояние,
доступное для растений.
Учебно-методическое пособие рекомендуется студентам
естественных специальностей.
УДК 504.53+631.461.71](075.8)
ББК 28.080.3
Бондаренко А.П. 2008
Павлодарский государственный университет им С. Торайгырова,
2008
2
Введение
Взаимоотношения
высших
растений
и
почвенных
микроорганизмов являются одной из важных и сложных проблем
биологии. В фитоценозах за счет симбиоза с микроорганизмами
растения обеспечиваются минеральным питанием, защитой от
патогенов и растительноядных животных, а иногда регуляцией
развития. Эти функции выполняют различные внутриклеточные
симбионты (эндомикоризные грибы, клубеньковые бактерии),
эндофиты тканей надземных и подземных органов (азотфиксаторы
Acetobacter, Azoarcus или спорыньевые грибы), а также
эктосимбионты на поверхности растений.
Из всех типов симбиозов микроорганизмов с растениями
наиболее изучен симбиоз бобовых растений с клубеньковыми
бактериями (ризобиями). Это связано с практической ценностью
данного типа симбиоза и относительной легкостью исследования
клубеньковых бактерий. Так как ризобии при симбиозе с бобовыми
фиксируют молекулярный азот, то большое значение в
агроэкоценозах имеет биологическая фиксация азота – наиболее
дешевый и экологически обоснованный источник этого элемента для
земледелия.
Биологическая азотфиксация представляет собой глобальный
процесс, обеспечивающий существование жизни на Земле.
Способность к восстановлению N2 до NH4+ обнаружена у прокариот
(эубактерии, археобактерии, цианобактерии, актиномицеты), но не у
эукариот. Однако многие растения, животные и грибы способны
вступать в симбиоз с азотфиксирующими прокариотами.
Резкое, до 50%, сокращение возврата органического вещества и
химических элементов в почву обусловлено тем, что большая часть
массы, создаваемой ежегодно сельскохозяйственными культурами и
лесами, вывозится человеком. В среднем, за 100 лет использования
черноземы теряют около 30% гумуса. За счет внесения удобрений
потери азота компенсируются только на 30%, потери фосфора – на
40%, потери калия – на 12%, за счет известкования на 60%
компенсируется кальций.
Существует другой надежный и экологичный способ –
заселение в почву живых бактерий, то есть сокращение
геологического круговорота за счет ризосферных бактерий,
переводящих труднодоступные химические элементы в доступные
для растений формы.
3
1 Экология микроорганизмов
Микроорганизмы распространены повсеместно. По-видимому,
на Земле практически нет места, где бы их не было. Исключения
составляют лишь кратеры действующих вулканов, эпицентры взрывов
ядерных устройств и подобные им катаклизмы, да и то лишь в
краткое время после этого события. Низкие температуры Антарктики
и Арктики, кипящие струи гейзеров, насыщенные растворы солей в
соляных бассейнах, сильная инсоляция горных вершин, резкие
колебания кислотности среды, даже в таких экстремальных условиях
не только существуют, но и развиваются различные группы
микроорганизмов в природных и искусственных субстратах.
Все живые существа - растения, животные и люди - постоянно
взаимодействуют с микробами, являясь часто не только их
хранилищами,
но
и
распространителями,
зачастую
же
микроорганизмы не являются инертными. Горные породы, вода,
иловые осадки и почвы также довольно плотно заселены
микроорганизмами - типичными обитателями и аборигенами нашей
планеты. Более того, они являются ее первопоселенцами, активно
осваивающими самые неподатливые природные субстраты.
Изучение расселения, структуры и функций особей и сообществ
микроорганизмов в природной обстановке - предмет специальной
отрасли биологии – экологии микроорганизмов.
1.1 Среды обитания микроорганизмов
Среды обитания микроорганизмов разнообразны. Как уже
говорилось выше, они могут обитать в условиях, выходящих за
обыденное восприятие, более того, денатурация белка наступает при
температурах выше 40 0С, в то же время некоторые микроорганизмы
существуют при температурах выше 100 0С. Условно среды обитания
микроорганизмов можно разделить на две большие группы:
- биогенная среда обитания;
- абиогенная среда обитания.
Ниже
кратко
рассмотрены
условия
и
особенности
существования в этих различающихся средах.
1.1.1 Биогенная среда обитания
Среди природных сред обитания микробов - организмы
растений, животных и человека. Прежде всего, микробы заселяют
внешние покровы, составляя нормальную микрофлору поверхности.
Совершенно иным субстратом оказывается больной организм.
4
Некоторые или многие защитные механизмы и барьеры нарушены, и
ослабленный организм становится подобием питательной среды, где
развиваются патогенные микробы. Они поражают ткани и органы
растений, человека и животных.
Атака микробов - возбудителей болезней на многоклеточный
организм не всегда успешна и требует завоевания микроорганизмами
их среды обитания (многие облигатные паразиты не могут
существовать в иных условиях). Организмы и их органы активно
защищаются
от
инфекции.
Барьерами,
препятствующими
колонизации тканей высших организмов, оказываются разные
вещества и структуры:
- кожа защищается от поселения микробов жирными кислотами;
- слизистая оболочка носа и глаз - лизоцимом (ферментом,
разрушающим клеточные стенки бактерий);
- кровь - фагоцитами и антителами;
- ткани рыб - протаминами;
- корни растений -корковым слоем;
- фрукты - кутикулой и кислотами;
- деревья - смолами, танином;
- ткани растений - фенольными соединениями, гликозидами.
К такой ситуации оказывается приспособленным и микробный
мир. Микробы поселяются в организмах промежуточных хозяев.
Часто хозяевами являются многие насекомые, нематоды (черви),
животные (особенно опасны грызуны), птицы и даже человек
(бацилло- и вирусоносители, оставаясь здоровыми, опасны для
окружающих). Промежуточные хозяева составляют резервуар (очаг)
заболеваний, из которого часто развиваются эпидемии. То, что
характерно для человека и животных, свойственно и растениям. Здесь
также имеются мирные сожители - эпифиты - обитатели поверхности
организмов. Болезнетворные микробы (фитопатогенные) вызывают
заболевания растений, часто массовые (подобие эпидемий животных
и человека).
Противоположный описанному выше случай взаимоотношения
микробов
с
другими
организмами
представляют
собой
многочисленные примеры симбиоза микроорганизмов и других
организмов, стоящих на разных уровнях организации. Иногда сложно
определить, является высший организм субстратом и микробы
размножаются в нем либо, наоборот, высшие организмы
паразитируют на микробах. Так, например, клубеньковые бактерии
образуют на корнях (чаще бобовых) растений наросты, заселенные
бактериями (растение - среда для бактерий). С течением времени
5
бактерии разрушаются в клубеньках и растение использует вещества,
запасенные микробами (паразитизм растения на бактериях).
Подобных
примеров
можно
привести
много.
В
пищеварительном тракте насекомых (лучше изучены муравьи и
термиты) имеется свой неповторимый ценоз (ассоциация микробных
видов). Нормальное развитие некоторых высших организмов
невозможно без содружества с микробами. Известно, что жучкиточильщики (разрушают мебель, древесину) способны питаться
древесиной, благодаря тому, что целлюлоза перерабатывается в
кишечнике их сожителями - бактериями. Питание жвачных животных
теснейшим образом связано с активной деятельностью сообщества
строгих анаэробов - бактерий в рубце (отделе желудка), где они
участвуют в переработке растительных кормов.
Взаимоотношения между организмами не описываются этими
крайними формами, промежуточные типы отношений будут
рассмотрены ниже.
1.1. 2 Абиогенные субстраты
Главными средами обитания и резервуарами микроорганизмов в
природе являются, прежде всего почвы, придонные и прибрежные
илы водоемов, вода рек, озер и океанов. Наименьшая плотность
заселения микробами характерна для океанических вод. Сюда со
стоком рек постоянно вливаются струи, обогащенные микробами и
органическим веществом, которые переносятся и распыляются
течениями. Мировой океан, занимающий большую часть поверхности
планеты, является собирателем и хранителем огромной микробной
биомассы. Океанская толща воды играет роль скорее транспортного
субстрата, места переживания, чем места активной деятельности
микробов. Примером типичного транспортного субстрата может быть
воздух.
Вода мелких пресных водоемов (озер) имеет слоистую
структуру. Для озер характерны сезонные и периодические процессы.
Большое значение для формирования микробных ассоциаций имеют
придонные иловые отложения. В то же время прибрежные зоны
сходны с почвой. Содержание микроорганизмов в воде пресных
водоемов ниже, чем в почвах и илах, но достаточно высоко (1,4 млн.
клеток в 1 см3 воды и более).
При анализе качественного состава микрофлоры обнаружены
представители
всех
основных
физиологических
групп
микроорганизмов, обеспечивающих круговорот азота, углерода,
фосфора и других элементов. В озерной воде отмечается четкое
вертикальное распределение бактерий. Максимальное количество
6
бактерий отмечается в летний период, причем в некоторых озерах на
значительной глубине (10 м), где было наибольшее количество
отмерших водорослей.
Более стабильны донные иловые отложения. Главный
отличительный их признак - микрослоистость сложения. Это явление
связано с тем, что в результате сезонных процессов распределение
микроорганизмов происходит неравномерно. Формирование ила при
участии микробов идет в тончайших слоях, измеряемых долями
миллиметра. В толще, равной всего 1-2 мм, можно обнаружить 6-8
слоев, различающихся составом микрофлоры и физико-химическими
условиями. Среди микробного населения илов преимущественное
развитие имеют гетеротрофные организмы, аккумулирующие железо
и марганец; микоплазмы, стебельковые и почкующиеся бактерии..
Субстратами, резко отличными от илов, где слои обитания
микробов по крупицам «лепятся» осадками из толщи воды, являются
горные породы, частично выветренные (рухляки), породы из шахт,
выброшенные при добыче руд, сами стенки штолен и естественные
разломы земной коры. Все это - своеобразная среда обитания
микрофлоры, арена деятельности преимущественно хемотрофных и
миксотрофных бактерий, добывающих энергию при окислении
неорганических веществ (соединений железа, марганца, серы).
Содержание сапрофитных бактерий в горных породах невелико,
около 2-3 тыс. клеток в 1 г субстрата. В нефтеносных породах даже на
глубине 500 и 700 м насчитывается 30-100 млн. клеток в 1 г породы.
Глубинные воды практически лишены микроорганизмов (3-300 клеток
на мл). Микрофлора горных пород активно участвует в их
выветривании (разрушении) за счет продуктов жизнедеятельности, в
том числе серной и других кислот. Каустобиолиты - торф, бурый и
каменный уголь, содержащие лигнин и гумусовые кислоты, также
являются пригодными для микробов субстратами, как и нефть и
другие углеводороды.
1.1.2.1 Почва как среда обитания микробов
Особое место среди природных сред обитания микроорганизмов
занимает почва. Это чрезвычайно гетерогенный (разнородный) по
структуре субстрат, имеющий микромозаичное строение. Почва
представляет собой совокупность множества очень мелких (от долей
миллиметра до 3-5 мм) агрегатов (шероховатых гранул, иногда
объединенных в группы), пронизанных порами, омываемых
почвенным раствором, протекающим по капиллярам. Эта структура
хорошо видна в световом микроскопе - рисунок 1; «микропещеры» и
туннели-капилляры - могут быть рассмотрены в сканирующем
7
электронном микроскопе рисунок 2 – оба рисунка взяты из книги
«Жизнь растений» под редакцией Н.Красильникова.
Фото в световом микроскопе 1 - увеличение в 20раз; 2 – увеличение в
60 раз.
Рисунок 1 -. Микроструктура почвы. Видны гранулы и очаги.
Фото в сканирующем электронном микроскопе. Увеличение в 1600
раз.
Рисунок 2 - Микроструктура микробных очагов
Остатки растений и животных, гумусовые вещества органический элемент почвы - распределены в ней не равномерно, а
сосредоточены в отдельных микроочагах, часто устилая пленкой
почвенные гранулы, создавая зоны, где протекает более интенсивная
деятельность микробных сообществ, заселяющих эти участки.
На
поверхности
почвенных
частиц
микроорганизмы
располагаются небольшими микроколониями (по 20—100 клеток в
каждой). Часто они развиваются в толще сгустков органического
8
вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких
капиллярах и внутри комочков.
Природные микроколонии микробов представляют собой
размножающиеся в естественной среде популяции, т. е. совокупности
родственных между собой особей (клеток) одного вида,
расположенных на ограниченном участке природного субстрата. Их
развитие начинается с формирования небольших групп клеток. Эти
агрегаты клеток (преимущественно бактерий) не бывают
хаотическими. Часто они соединены в розетки, спирали и иные
организованные группы, образуя первичные микроколонии. Со
временем эти первичные микроколонии, расположенные рядом либо
разрастающиеся и образующие новые микроскопления, приводят к
образованию популяционных колоний, заселяющих в отдельных
местах почвенные гранулы - рисунок 3 из книги: «Жизнь растений»
под редакцией Н.Красильникова.
Диаметр гранул составляет 300-500 мкм. Совокупность гранул
образует сложную микроструктуру, состоящую из пор и капилляров,
заполненных газами (состав их может быть разным) и почвенным
раствором. Такой агрегат является простейшим природным очагом
обитания микробов. Диаметры подобных агрегатов - 3 - 5 мм и более.
Если в очаге находится источник энергии (доступное для микробов
органическое вещество), то такая совокупность (система) может
служить примером простейшей микробной ценотической ячейки устойчивого в течении определенного времени сообщества
микроорганизмов.
В микроучастке, где находится органический материал
(концентрат энергии и строительного материала организма),
поселяются микробы, требующие для своего развития высокой
концентрации органического вещества, быстро размножающиеся и
минерализующие его. Они являются характерными представителями
экологической группы макрофитов - требовательных к пище
сапрофитов. Сюда относятся грибы, многие спорообразующие и
неспорообразующие бактерии и актиномицеты.
После того, как исчерпан источник пищи деятельность этой
группы гетеротрофов в очаге замирает и микробы переходят в
состояние длительного покоя, близкого к анабиозу, вплоть до нового
притока энергии и новой бурной вспышки их активности.
Значительная часть биомассы бурно развившихся популяций
микроорганизмов
лизируется.
Ареал
активной
жизни
микроорганизмов - гранулы почвы - оказываются усеянными спорами,
цистами и другими переживающими формами.
9
I - простейшая микроколония (микроагрегат 5-10 мкм), II популяционная микроколония бактерий (30-50 мкм); III - гранула
почвы, заселенная популяционными колониями (300-500 мкм); IV микроочаг (общий диаметр 0,5-5 мм): 1 - капилляр, заполненный
почвенным раствором; 2 - пленка гумусового вещества; 3 растительный материал; 4 - популяционные колонии микробов; 5 почвенная минеральная гранула; 6 - пора.
Рисунок 3 - Схема структуры простейшего микробного ценоза:
В период высокой активности от очага, обогащенного
органическим
материалом,
в
окружающие
микроучастки
диффундируют растворимые органические вещества (в том числе
микробные метаболиты). Это ведет к возникновению зоны,
содержащей небольшие (часто следовые) количества легко
мобилизуемых источников энергии. В этой сфере развивается
микрофлора, растущая при низком содержании пищи в среде. Эти
организмы представляют другую экологическую группу микрофитов сапрофитных микробов, растущих при минимальных концентрациях
органических веществ в почве и экономно использующих их. Сюда
относятся многие неспорообразующие бактерии, в том числе
10
стебельковые и почкующиеся бактерии, часто известные под
названием олиготрофов (организмов с умеренными потребностями в
пище). На богатых (лабораторных) средах они не растут и часто даже
погибают.
При последующем поступлении органического вещества в очаг ,
заселенный микроорганизмами, тормозится развитие олиготрофных
бактерий и нередко следует за этим лизис клеток. Часто популяции
выживают. Завоеванная олиготрофами территория утрачивается ими.
В обогащенном источниками пищи очаге вновь активно
размножаются требующие высокого уровня питания сапрофиты. Так
возникают изменения активности микроорганизмов, и совершается
длящаяся долгие годы смена микробных сообществ. Исследование
этих явлений наряду со многими другими: скоростью размножения
микроорганизмов, временем индивидуальной жизни и циклами
развития в природных условиях - представляют собой сложнейшие
проблемы современной экологии микроорганизмов.
Процессы смен активностей микроорганизмов состоят из фаз
различной длительности. Одни фазы длятся дольше (разложение
значительных масс органического вещества), имеют сезонный
характер (растительный опад осенью). Рядом соседствующие
микроочаги могут развиваться в противоположных направлениях
(обеднение и обогащение очага), что ведет к проявлению мозаичности
качественного состава и свойств почвы. Поэтому почва всегда
оказывается
насыщенной
разного
рода
микроорганизмами
(находящимися, как правило, в состоянии покоя), готовыми к росту и
использованию субстрата, при попадании в почву источников пищи и
энергии.
Исследования последних лет, проведенные с применением
прямых методов учета микроорганизмов в световом и электронном
микроскопах, позволили уточнить количество микроорганизмов в
почвах и рассчитать их биомассу. Как оказалось, в 1 см3 сравнительно
небогатой дерново-подзолистой почвы может содержаться до 20 млрд.
клеток. Это составляет около 1% от веса самой почвы. В 30сантиметровом слое на площади 1 га в почвах разных типов
содержится от 1,5 - 2 до 15-40 т биомассы.
По расчетным данным, приведенным в шеститомнике «Жизнь
растений», биомасса всех обитающих на суше нашей планеты живых
существ составляет от 1012 до 1013 т (поверхность суши равна 51*109
га), в том числе:
- суммарная биомасса животных организмов (сухой остаток) 0,55*109 т;
11
- суммарная биомасса растений (сухой остаток) – 55*109 т;
- суммарная биомасса микроорганизмов (сухой остаток);
а) тундровые и пустынные почвы - 3,06*109т;
б) другие почвы - 71,4*109т;
- всего - 74,46*109 т;
- биомасса простейших животных и почвенных водорослей
(сухой остаток) - 1,5*109 т.
Как видно из приведенных данных - суммарная биомасса
животных и высших растений, обитающих на суше, составляет около
56*109 т. В то же время суммарная биомасса микроорганизмов,
простейших и водорослей равна 76*109 т. Несмотря на
ориентировочность таких расчетов, все же становится очевидным, что
биомасса существ, составляющих мир микробов, равна биомассе всех
остальных обитателей суши и, возможно, превышает ее. Это
свидетельствует
о
роли микроорганизмов
в биосферных
превращениях, недаром именно этой группе живых организмов
приписывается геологическая роль.
Сообщества живых организмов, в том числе микроорганизмов,
представляют собой организованные объединения популяций,
обладающих коллективными функциями и взаимодействием. Такие
объединения обладают большой стабильностью и устойчивостью к
различным воздействиям, и многие влияния на среду обитания
(вспашка почв, внесение удобрений и др.) не разрушают типичных
для данного субстрата ценозов, а лишь изменяют соотношения видов.
Сообщества и популяции, их составляющие, обладают рядом
особенностей: плотностью (количество особей на единице
пространства), адаптивностью (способностью осваивать новые
субстраты за счет фонда форм, находящихся в стадии покоя,
физиологической адаптации активной микрофлоры и др.). Популяции
также обладают возрастом, стареют. Микробные ценозы могут быть
неполноценными по составу - не содержать некоторых
специализированных групп микробов. Важным свойством микробных
ассоциаций является их способность к авторегуляции состава и
деятельности. К числу регуляторных механизмов микробных
ассоциаций относится характер взаимоотношений между микробными
популяциями.
Он
бывает
различным
и
включает
все
взаимоотношения, наблюдаемые в живом мире. Разные авторы
выделяют несколько различающихся типов взаимоотношений среди
живых организмов разных видов, мы рассмотрим основные из них.
Как нам представляется развитие таких отношений, в процессе
эволюции, преимущественно направлено от выгоды, получаемой в
12
результате взаимодействия, одним видом – хищничество, паразитизм
– к такому взаимоотношению, в результате которого пользу, в той или
иной степени, получают оба представителя различных видов,
взаимодействующих между собой (мутуализм, симбиоз).
1.2 Взаимоотношения организмов
Взаимоотношения живых организмов разнообразны и
укладываются в практически непрерывный спектр от крайних форм:
антагонизм – симбиоз. Если в первом случае один из видов – хищник,
не может существовать без второго – жертвы, и для жертвы такое
взаимодействие заканчивается пиршеством хищника, то во втором
крайнем случае – оба вида не могут существовать раздельно, друг от
друга. Ниже рассмотрены некоторые формы такого взаимодействия.
По-видимому нужно особо выделить форму взаимоотношений, при
котором одни организмы используют энергетический и структурный
потенциал другого вида после его смерти – детритная группа
организмов.
1.2.1 Антагонизм
Антагонизм в экологии, выражается, прежде всего, в борьбе за
существование. Наиболее четко антагонистические отношения
прослеживаются между хищником и его добычей (хищничество),
хозяином и паразитом (паразитизм). К разряду антагонистических
относят и конкурентные взаимоотношения (конкуренцию), например
из-за света или минерального питания у растений, из-за одной и той
же пищи у животных.
Широко распространены в природе антагонистические
взаимоотношения и подавление продуцентами антибиотиков (в
первую очередь грибами и актиномицетами) других организмов и
изменение кислотности среды в зонах обитания организма при
разложении органического вещества.
1.2.1. 1 Хищничество
Хищничество – это такая форма взаимоотношений между
организмами разных видов, из которых один (хищник) поедает
другого (жертву, добычу), обычно предварительно убив его.
Например хищники – простейшие - выедают бактерии и водоросли в
значительных количествах. Взаимосвязь между хищниками и
жертвами оказывается очень прочной: при падении числа особей
жертв отмирает часть популяции хищника и, как следствие,
возрастает численность клеток жертв, а затем и хищника.
Устанавливается
своеобразный
пульсирующий
характер
взаимодействия.
13
1.2.1.2 Паразитизм
Паразитизм отличается от хищничества тем, что один вид –
паразит - использует представителя другого вида – хозяина - в
качестве среды обитания и источника пищи. При этом хозяин,
частично или полностью, частично или полностью регулирует свои
отношения с внешней средой. Паразитизм - преимущественно
экологическое понятие, аналогичное понятиям планктонного,
бентосного, почвенного и им подобного образа жизни организмов.
Качественная особенность паразитизма, по сравнению с
другими формами существования организмов, определяется
своеобразием среды обитания, которой для паразита является другой
живой организм (хозяин), активно реагирующий на присутствие
паразита. Внешняя среда паразита, как это показано многими
исследователями, имеет двойственный характер. Различают среду 1-го
порядка - окружающие паразита органы и ткани хозяина - и среду 2-го
порядка, окружающую хозяина. Взаимоотношения паразита со
средою 2-го порядка в основном регулируются через хозяина, хотя
имеет место (в различной степени для разных форм П.) и прямое
воздействие факторов внешней среды (например, температуры) на
паразита. Между паразитом и хозяином устанавливаются более или
менее глубокие метаболические связи.
В микромире живых организмов в роли паразитов выступают
внутриклеточные паразитические бактерии из рода Bdellovibrio и
вирусы бактерий - бактериофаги. Известны многочисленные примеры
паразитирования бактерий на мицелии грибов, хищных грибов,
активно захватывающих и лизирующих мелких почвенных червей
(нематод).
Различают
внешний
наружный
паразитизм,
или
эктопаразитизм (паразит живёт на поверхности тела хозяина), и
внутренний паразитизм, или эндопаразитизм (паразит живёт в теле
хозяина). В зависимости от продолжительности паразитирования
различают временный паразитизм и стационарный паразитизм,
включающий периодический и постоянный паразитизм.
Пути возникновения паразитизма в эволюции взаимоотношений
видов разнообразны. Источником его может быть квартирантство,
хищничество, комменсализм, симбиоз, случайное поселение одного
организма на теле другого, заглатывание и др. Паразиты часто (но не
всегда) приносят более или менее существенный вред хозяину и
вызывают различные заболевания человека, животных и растений.
Степень вредоносности паразита для хозяина различна. Обычно
паразитизм ведёт к заболеванию хозяина; иногда присутствие в теле
14
хозяина патогенного паразита не приводит к заболеванию, но хозяин
становится источником распространения паразита. Хозяевами
паразитов могут быть различные виды. Нередко хозяин бывает
заражен одновременно несколькими видами паразитов, которые
вступают в определённые взаимодействия не только с хозяином, но и
между собой. Вся совокупность паразитов одного хозяина составляет
паразитоценоз.
1.2.2 Комменсализм
Комменсализм,
сотрапезничество,
нахлебничество,
сожительство животных разных видов – это форма взаимодействия
различных видов, характеризующаяся тем, что один из них
(комменсал) постоянно или временно живёт за счёт другого, не
причиняя ему вреда, в отличии от аменсализма. При комменсализме
один из организмов может использовать другой для защиты, как
средство передвижения или питаться за его счёт. В зависимости от
характера взаимоотношений животных, которым свойствен
комменсализм, их делят на три группы:
- комменсал ограничивается использованием пищи организма
др. вида; например, в извивах раковины, занятой раком-отшельником,
обитает кольчатый червь из рода Nereis, поедающий остатки пищи
рака, в мире микроорганизмов органический субстрат часто
используется различными видами, одни из которых в качестве
источника энергии используют одну или несколько химических
связей, а другие продолжают деструкцию субстрата, разрывая другие
связи;
- комменсал прикрепляется (временно или постоянно) к
организму другого вида, который в этом случае называется хозяином;
например,
рыба-прилипала
своим
спинным
плавником,
превращенным в присоску, прикрепляется к коже акул и др. крупных
рыб, пользуясь ими для передвижения; морские гидроиды,
поселяющиеся на коже рыб и питающиеся их экскрементами;
некоторые ракообразные (например, морские жёлуди), живущие на
коже китов и на раковинах моллюсков. Микроорганизмы временно
или постоянно обитают на поверхности организмов различных видов,
вступая в самые различные взаимоотношения с хозяином, используя в
качестве источника энергии и строительного материала как остатки
пищи, так и различные экссудаты.
- комменсал поселяется во внутренних органах хозяина;
например, инфузории опалины, живущие в задней кишке лягушек;
некоторые жгутиконосцы, обитающие в кишечнике млекопитающих.
Микроорганизмы временно или постоянно обитают в организме
15
различных видов, чаще всего в различных разделах желудочнокишечного тракта, вступая в самые различные взаимоотношения с
хозяином, используя в качестве источника энергии и строительного
материала пищу хозяина или продукты ее переработки на различных
этапах.
Из
комменсализма,
характеризующегося
поселением
комменсала в органах хозяина, мог возникнуть паразитизм, также мог
выработаться и симбиоз. Однако комменсализм не является
обязательной переходной ступенью к паразитизму или симбиозу; эти
формы взаимоотношений организмов могли возникнуть в процессе
исторического развития организмов и независимо от комменсализма.
1.2.3 Нейтрализм
Многие организмы существуют
в различных временных,
пространственных, энергетических и иных условиях. Они живут, не
замечая друг друга, словно жители Марса, в «Марсианских хрониках»
Рэя Брэдбери. Такое взаимоотношение достаточно условно, однако
можно рассматривать как случаи совместного, рядом существования
организмов, не использующих вместе ограниченные ресурсы.
1.2.4 Мутуализм (симбиоз)
Мутуализм - длительное взаимно полезное сожительство двух
организмов разных видов; часто рассматривается как явление
тождественное симбиозу. Особым случаем взаимодействия
микроорганизмов - крайнее проявление симбиоза - являются
лишайники. Они представляют собой ассоциацию из водорослей и
грибов. Часто им сопутствуют бактерии. Эти ассоциации очень
устойчивы, рассматриваются в специальном разделе, но, по сути дела,
являются микробными.
Сложный характер взаимодействия двух и тем более многих
компонентов ассоциаций оказывает большое влияние на микробные
ценозы, особенно при усилении влияния отдельных групп и
последующей смены доминирующих организмов.
Другим источником воздействий на микрофлору почв является
сам субстрат. Хорошо известны явления токсичности почв за счет
кислой реакции, наличия токсических соединений алюминия и др.
Ученые исследуют также явление микробостазиса - свойства почвы
задерживать рост и развитие обитающих в ней микробов. Механизмы
этих процессов не изучены, но, по-видимому, связаны со
специфическим
влиянием
продуктов
жизнедеятельности
микроорганизмов и веществ, попадающих в почву при отмирании и
лизисе клеток. Почва как своеобразное «живое тело» сопротивляется
16
избыточному развитию микроорганизмов, поддерживая их в
дремлющем (латентном) состоянии и «разрешая» вспышки
фаворитных групп, обеспеченных в краткие промежутки времени
пищей и энергией.
2 Экология микроорганизмов почвы
Микроорганизмы почвы включены в общий педобиоценоз совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих
участок почвы и характеризующихся определёнными отношениями
как между собой, так и с абиотическими факторами среды.
Энергетические
взаимоотношения
почвенных
организмов
определяются преимущественно фотосинтетиками, однако имеются и
хемосинтетики, живущие за счет окисления самых различных
неорганических веществ: серы и ее соединений, железа, марганца,
водорода и т.д.
По участию в биогенном круговороте веществ в биоценозе
различают три группы организмов:
- продуценты (производители энергии и сложных органических
молекул) - автотрофные организмы, создающие органические
вещества из неорганических; основные продуценты во всех
биоценозах - зелёные растения. Деятельность продуцентов определяет
исходное накопление органических веществ и энергии в биоценозе;
- консументы (потребители энергии и сложных органических
молекул) - гетеротрофные организмы, использующие энергию и
органическое вещество, произведенное автотрофными организмами.
Консументы 1-го порядка - растительноядные животные, а также
паразитические бактерии, грибы и другие бесхлорофильные растения,
развивающиеся за счёт живых растений. Консументы 2-го порядка хищники и паразиты растительноядных организмов. Бывают
консументы 3-го и 4-го порядков (сверхпаразиты, суперпаразиты
и т.п.), но всего в цепях питания не более 5 звеньев. На каждом
последующем трофическом уровне количество биомассы резко
снижается. Деятельность консументов способствует превращениям и
перемещениям органических веществ и энергии в биоценозах,
частичной их минерализации, а также рассеянию энергии,
накопленной продуцентами;
- редуценты (восстановители) - животные, питающиеся
разлагающимися остатками организмов (сапрофаги), и особенно
непаразитирующие гетеротрофные микроорганизмы - способствуют
17
минерализации органических веществ, их переходу в усвояемое
продуцентами состояние.
Взаимосвязи организмов в педобиоценозе, как и в любом
другом большом ценозе многообразны. Кроме трофических связей,
определяющих цепи питания, существуют связи, основанные на том,
что одни организмы становятся субстратом для других (топические
связи), создают необходимый микроклимат и т.п. Часто можно
проследить в биоценозе группы видов, связанные с определённым
видом и целиком от него зависящие (консорции).
Для биоценоза характерно разделение на более мелкие
подчинённые единицы - мероценозы, т.е. закономерно слагающиеся
комплексы, зависящие от биоценоза в целом (например, комплекс
обитателей гниющих органических остатков). В биоценозе выделяют
и другие подчинённые группировки организмов, например синузии.
Для биоценоза также характерно разделение на группировки
организмов по вертикали (ярусы биоценоза). В годовом цикле в
биоценозе изменяются численность, стадии развития и активность
отдельных видов, создаются закономерные сезонные аспекты.
Педобиоценозы, как и другие ценозы – представляют собой
целостное развивающееся единство, меняющееся в результате
деятельности входящих в него компонентов, вследствие чего
происходят закономерные изменения и смена организмов - сукцессии,
которые могут приводить к восстановлению резко нарушенных
ценозов (например, почвы после нефтеразливов и т.п.).
Различают насыщенные и ненасыщенные биоценозы. В
насыщенном педоценозе все экологические ниши заняты и вселение
нового вида невозможно без уничтожения или последующего
вытеснения какого-либо биогенного компонента. Ненасыщенные
педоценозы характеризуются возможностью вселения в них новых
видов без уничтожения других компонентов. Можно различать
первичные педоценозы, сложившиеся без воздействия человека
(целинная степь), и вторичные, измененные деятельностью человека
(педоценозы на местах эродированных земель).
Особую категорию представляют агробиоценозы, где
комплексы основных компонентов ценоза сознательно регулируются
человеком. Между первичными биоценозами и агробиоценозами
имеется вся гамма переходов. Изучение биоценозов важно для
рационального освоения земель, т.к. только правильное понимание
регулятивных процессов в ценозе позволяет человеку изымать часть
продукции без его нарушения и уничтожения.
18
2.1 Сукцессия
Сукцессия (от лат. successio - преемственность, наследование) последовательная
смена
одних
фитоценозов
(биоценозов,
биогеоценозов) другими на определённом участке среды. Различают
первичные сукцессии (на первичносвободных от почвы грунтах) и
вторичные (на местах разрушенных сообществ, где почва и некоторые
живые организмы сохранились). Примеры сукцессии: постепенное
зарастание сыпучих песков, каменистых россыпей, отмелей
(первичная); заселение растительными. и животными организмами
заброшенных с.-х. земель - залежей, вырубок и др. (вторичная).
сукцессии обусловлены взаимодействием организмов друг с другом и
со средой (вытеснение одних видов другими вследствие их
биоэкологических преимуществ в данных условиях, поедание
определённых видов растений теми или иными животными,
различными вредителями, изменение физических и химических
свойств почвы под воздействием живых организмов), изменением
среды (климата, водного режима и т. п.), деятельностью человека
(вырубка лесов, распашка земель, выпас скота, осушение, орошение,
строительство городов).
В качестве примера микробной сукцессии можно привести
угнетение и последующее восстановление микробного сообщества
почвы углеводородами нефти. На рисунке 4, взятом из работы Гузева
В.С. с соавторами показано действие нефти на организацию и состав
амилолитического микробного сообщества почвы.
При восстановлении почвы, нарушенной нефтью происходит и
последовательная смена, как видов, так и их относительной
численности в направлении, противоположном представленном на
рисунке 4. Смены одного фитоценоза (биоценоза, биогеоценоза)
другими в ходе сукцессии образуют сукцессионный ряд, или серию.
Если естественное течение сукцессии не нарушается, она приводит к
формированию относительно стабильного (климаксного) сообщества,
которое характеризуется равновесием между фауной, флорой и
окружающей средой и без вмешательства извне может сохраняться
неопределенно долго.
В связи с этим, с нашей точки зрения более предпочтительно
использование для восстановления антропогенно нарушенных почв,
аборигенной микробиоты, так как при этом мы подталкиваем
сукцессионные процессы в направлении первоначального микробного
состояния почвы. Изучение сукцессии и факторов, их вызывающих,
имеет большое значение для рационального использования
природных ресурсов, создания культурных биогеоценозов и др.
19
А – доминирующие виды; Б – часто встречающиеся виды; В – редко
встречающиеся виды;
Рисунок 4 - Действие нефти на организацию и состав
амилолитического микробного сообщества дерново-подзолистой
почвы (по Гузеву В.С. с соавторами)
3 Свойства почвы, как среды обитания
Почва, особое природное образование, возникшее в результате
преобразования материнской породы и обладающее рядом свойств,
присущих как живой, так и неживой природе. Она состоит из
20
генетически связанных горизонтов (образуют почвенный профиль),
возникающих в результате преобразования поверхностных слоев
литосферы под совместным воздействием воды, воздуха и
организмов; а также характеризуется важнейшим свойством,
позволяющим человечеству производить необходимую, для его
существования продукцию - плодородием.
Представление о почве как о самостоятельном природном теле с
особыми свойствами, отличающими его от материнской
(почвообразующей)
породы,
развивающемся
в
результате
взаимодействия факторов почвообразования, было создано в
последней четверти 19 в. В. В. Докучаевым - основателем
современного почвоведения. До этого она обычно рассматривалась в
качестве одного из геологических образований.
Плодородие почвы, т. е. способность обеспечивать растения
водой и необходимыми элементами питания, позволяет ей
участвовать в воспроизведении биомассы. Природное плодородие
имеет различный уровень, зависящий от состава и свойств почвы и
факторов почвообразования. Под влиянием агротехнических,
агрохимических и мелиоративных воздействий почва, являющаяся в
сельском хозяйстве основным средством производства, приобретает
эффективное, или экономическое, плодородие, показателем которого
служит урожайность с.-х. культур.
3.1 Гипергенез
Гипергенез (выветривание) - включает в себя процессы
физического, химического, а с появлением жизни и биологического
преобразования минерального вещества в верхних частях земной
коры и на её поверхности под воздействием атмосферы, гидросферы и
живых организмов при сравнительно низких температурах.
Гипергенные
процессы,
обусловленные
физическими
факторами, обеспечивают ускорение химического разложения,
растворение, гидролиз, гидратацию, окисление, карбонатизацию и
другие явления. Под влиянием этих процессов происходит
образование коры выветривания и зоны окисления месторождений,
почвообразование, формирование состава подземных вод, рек, озёр,
морей и океана, хемогенное и биогенное осадкообразование, диагенез
и ранний эпигенез осадков.
Термин “гипергенный” предложил А. Е. Ферсман для
экзогенных образований, генетически связанных с процессами
выветривания, то есть сформировавшихся в обстановке низких
температур (+25о С) и давлений (1 атм) при активном участии воды,
21
насыщенной атмосферными газами, прежде всего кислородом. К
гипергенным, были отнесены продукты корообразования и окисления
месторождений полезных ископаемых, а также почвенные комплексы.
Литогенные (осадочные) образования, характеризующиеся большой
спецификой
осаждения
и
диагенеза
осадков,
остались
представителями “негипергенного” экзогенеза.
Физические, химические и биологические изменения первичной
литосферы Земли привели к изменению ее тонкой верхней оболочки и
образованию земной коры - самой верхней из твёрдых оболочек.
Нижней границей земной коры считается поверхность раздела, при
прохождении которой сверху вниз продольные сейсмические волны
скачком увеличивают скорость с 6,7-7,6 км/с до 7,9-8,2 км/с, которая
носит название поверхность Мохоровичича. Это служит признаком
смены менее упругого материала более упругим и более плотным.
Земная кора различна на материках и под океаном. Материковая
земная кора обычно имеет толщину 35-45 км, в областях горных стран
- до 70 км. Верхнюю ее часть составляет прерывистый осадочный
слой,
состоящий из
разновозрастных
неизмененных
или
слабоизменённых осадочных и вулканических горных пород. Слои
нередко смяты в складки, разорваны и смещены по разрыву. В
некоторых местах (на щитах) осадочная оболочка отсутствует.
Вся остальная толща материковой земной коры разделяется по
скоростям сейсмических волн на 2 части с условными названиями:
для верхней части - «гранитный» слой (скорость продольных волн до
6,4 км/сек), для нижней - «базальтовый» слой (6,4-7,6 км/сек). Повидимому, «гранитный» слой сложен гранитами и гнейсами, а
«базальтовый» слой - базальтами, габбро и очень сильно
метаморфизованными
осадочными
породами
в
различных
соотношениях. Эти 2 слоя часто разделены поверхностью, при
переходе которой скорости сейсмических волн возрастают скачком.
По-видимому, в земной коре с глубиной уменьшается содержание
кремнезёма и возрастает содержание окислов железа и магния; ещё в
большей степени это имеет место при переходе от земной коры к
субстрату.
Океаническая земная кора имеет толщину 5-10 км (вместе с
толщей воды – 9-12 км). Она разделяется на 3 слоя: под тонким (менее
1 км) слоем морских осадков лежит слой со скоростями продольных
сейсмических волн 4-6 км/сек; его толщина 1-2,5 км. Вероятно, он
сложен серпентинитом и базальтом, быть может, с прослоями
осадков. Нижний, «океанический», слой толщиной в среднем около 5
км имеет скорости прохождения сейсмических волн 6,4-7,0 км/сек;
22
вероятно, он сложен из габбро. Толщина слоя осадков на дне океана
изменчива, местами их нет совсем. В переходной зоне от материка к
океану наблюдается земная кора промежуточного типа.
При гипергенезе происходит процесс разрушения и изменения
горных пород в условиях земной поверхности под влиянием
механического и химического воздействия атмосферы, грунтовых и
поверхностных вод и биологических организмов. По характеру среды,
в которой происходит преобразование первичного материала земной
коры, различают атмосферное и подводное. По роду воздействия
выветривания на горные породы различают:
- физическое выветривание, ведущее только к механическому
распаду породы на обломки;
- химическое выветривание, при котором изменяется
химический состав горной породы с образованием минералов, более
стойких в условиях земной поверхности;
- органическое (биологическое) выветривание, сводящееся к
механическому раздроблению или химическому изменению породы в
результате жизнедеятельности организмов.
Своеобразным типом выветривания является почвообразование,
при котором особенно активную роль играют биологические факторы.
Гипергенез горных пород совершается под влиянием воды
(атмосферные осадки и грунтовые воды), углекислоты и кислорода,
водяных паров, атмосферного и грунтового воздуха, сезонных и
суточных колебаний температуры, жизнедеятельности макро- и
микроорганизмов и продуктов их разложения. На скорость и степень
процессов выветривания, мощность его продуктов и на их состав,
кроме перечисленных агентов, влияют также рельеф, геологическое
строение местности, состав и структура материнских пород.
Подавляющая масса физических и химических процессов
гипергенеза (окисление, сорбция, гидратация, коагуляция) происходит
с выделением энергии. Обычно виды выветривания действуют
одновременно, но в зависимости от климата тот или иной из них
преобладает. Физическое выветривание происходит главным образом
в условиях сухого и жаркого климата и связано с резкими
колебаниями температуры горных пород при нагревании солнечными
лучами (инсоляция) и последующем ночном охлаждении; быстрое
изменение объёма поверхностных частей пород ведёт при этом к их
растрескиванию.
В областях с частыми колебаниями температуры около 0°С
механическое разрушение пород происходит под влиянием перехода
температур через точку замерзания; при замерзании воды, проникшей
23
в трещины, объём ее увеличивается и порода разрывается.
Химические и органические преобразования свойственны главным
образом пластам с влажным климатом. Основные факторы
химического выветривания - воздух и особенно вода, содержащая
соли, кислоты и щелочи. Водные растворы, циркулирующие в толще
пород, помимо простого растворения, способны производить также
сложные химические изменения первичного вещества.
Физические и химические процессы выветривания происходят в
тесной взаимосвязи с развитием и жизнедеятельностью животных и
растений и действием продуктов их распада после смерти. Наиболее
благоприятными для образования и сохранения продуктов
преобразования являются условия тропического или субтропического
климата и незначительное эрозионное расчленение рельефа. При этом
толще горных пород, подвергшихся гипергенезу, свойственна (в
направлении сверху вниз) геохимическая зональность, выраженная
характерным для каждой зоны комплексом минералов. Последние
образуются в результате следующих друг за другом процессов:
распада пород под влиянием физического выветривания,
выщелачивания оснований, гидратации, гидролиза и окисления.
В тех случаях, когда продукты выветривания не остаются на
месте
своего
образования,
а
уносятся
с
поверхности
выветривающихся пород водой или ветром, нередко возникают
своеобразные формы рельефа, зависящие как от характера
выветривания, так и от свойств горных пород, в которых
процесс как бы проявляет и подчеркивает особенности их строения.
В процессе перерождения остаточных продуктов гипергенеза
образуется много растворимых соединений, которые сносятся
грунтовой водой в водные бассейны и входят в состав растворённых
солей или выпадают в осадок. Процессы преобразования
минерального вещества приводят к образованию различных
осадочных пород и многих полезных ископаемых: каолинов, охр,
огнеупорных глин, песков, руд железа, алюминия, марганца, никеля,
кобальта, россыпей золота, платины и других, зон окисления
колчеданных месторождений с их полезными ископаемыми.
Если для эндогенных процессов главными факторами служат
температура и давление, то в гипергенных процессах ведущие
факторы - щёлочность или кислотность среды и окислительновосстановительный потенциал. Широко развиты коллоиднохимические процессы, в частности сорбция, а кроме того раскристаллизация гелей, переосаждение и явления ионного обмена,
большую роль играют биогеохимические процессы. Важнейшим
24
внешним фактором процессов гипергенеза является климат, а
закономерностью их размещения на поверхности Земли - зональность,
впервые установленная В. В. Докучаевым (зональность почв, коры
выветривания, континентальных отложений, грунтовых вод и т.д.).
В результате описанных явлений в зоне гипергенеза - в самой
поверхностной части земной коры, при низких значениях температур
и давлений возникают гипергенные минералы. Для них характерны
гидратация (вхождение в кристаллическую решётку молекулярной
воды или гидроксила), высокие степени окисления элементов (железа,
марганца, серы и других). К наиболее распространённым относятся
глинистые минералы, образующиеся при выветривании силикатных
пород. Среди гипергенных минералов много соединений типа
окислов, гидроокислов, солей кислородных кислот (карбонаты,
сульфаты, нитраты, фосфаты), хлоридов. Большое практическое
значение они имеют в зонах окисления рудных месторождений; это соединения железа, меди, свинца, цинка (малахит, церуссит, англезит
и другие).
Состав гипергенных минералов при одинаковых исходных
породах или рудах зависит от климатических условий, при которых
протекают гипергенные процессы. Например, при выветривании
силикатных горных пород в условиях умеренного климата возникают
глинистые минералы преимущественно гидрослюдистого типа, а при
выветривании в тропиках за счёт тех же пород образуются
каолиновые глины, гидраты глинозёма (бокситы).
3.1.1 Минералогический, механический и химический состав
почвообразующих пород
3.1.1.1 Характеристика первичных и вторичных минералов
Различные рыхлые почвообразующие породы состоят из
разнообразных первичных и вторичных минералов. К первичным
относят те минералы, которые входили в состав магматических пород
и перешли в рыхлые при механическом разрушении без химического
изменения.
Вторичными называют
минералы, которые образовались,
главным образом, в результате химического и биологического
выветривания магматических пород и первичных минералов. Часть
вторичных минералов образуется в результате химических процессов
из продуктов выветривания первичных минералов.
В большинстве случаев вторичные минералы образуют
основную массу рыхлых пород, исключая песчаные отложения,
состоящие, главным образом, из первичных материалов. В рыхлых
25
породах содержатся чаще всего следующие первичные минералы:
кварц - SiO2, полевые шпаты:
- ортоклаз – K2Al2Si6O16;
- микроклин – (K, Na)2,Al2Si6O16,;
- плагиоклазы – изоморфные смеси, образующие непрерывный
ряд между альбитом - Na2Al2Si6O16 и анортитом - CaAl2Si2O8;
- слюды:
- калиевая слюда, или мусковит - KAl2[AlSi3O10][OH]2, или
K2O3Al2O36SiO22H2O,
магнезиально-железистая
слюда,
или
биотит
–
K(Mg,Fe)3[AlSi3O10][OH,F]2, или K2O3Al2O36SiO22H2O;
- авгит (из группы пироксенов) – Ca(Mg, Fe, Al) [(Si,Al)2O6];
роговая
обманка
(из
группы
амфиболов)
–
+2
+3
Ca2Na(Mg,Fe )4(Al,Fe )[(Si,Al)4O11]2][OH]2;
- оливин (Mg, Fe)2SiO4; гематит, или красный железняк - Fe2O3;
- магнетит, или магнитный железняк, - Fe2O3 FeO;
- фтор и хлорапатит – Ca5(PO4)3F и Ca5(PO4)3Cl и др.
В рыхлых породах в большом разнообразии представлены
вторичные минералы. Вторичные минералы отличаются от исходных,
первичных, высокой степенью дисперсности; в большинстве случаев
масса вторичных минералов состоит из отдельных частиц
ультрамикроскопических, коллоидальных размеров. Как установлено
новейшими
методами
рентгенографического
и
электоронографического исследований, только немногие вторичные
минералы аморфны, большинство же из них, несмотря на высокую
степень коллоидального раздробления,
обладает отчетливо
выраженной кристаллической структурой.
Наиболее
распространенными
вторичными
минералами
являются «глинные», составляющие основную массу большинства
разнообразных глин. К ним относятся:
- каолинит – Al2O32SiO22H2O, или H2Al2Si2O8H2O;
- галлуазит - Al2O32SiO24H2O, или H2Al2Si2O83H2O;
- монтморрилонит – (Ca, Mg)O Fe2O3 4SiO2nH2O;
- нонтронит - (Ca, Mg)OFe2O3 4SiO2nH2O;
- серицит (вторичная калиевая слюда) - K2O3Al2O36SiO2nH2O.
Эти минералы имеют форму пластинок и, отличаясь высокой
степенью дисперсности, обладают способностью абсорбировать воду
и катионы. Поглотительная способность наиболее сильно выражена в
группе монтомориллонита. Вместе с тем глинные минералы
характеризуются хорошо выраженной
пластичностью
и
26
вязкостью,
низкой
водонепроницаемостью,
значительной
влагоемкостью и способностью к набуханию.
Некоторые глины содержат еще минерал аллофан Al2O3SiO25H2O. Среди вторичных минералов значительное
распространение в природе имеют гидраты окиси железа,
представляющие собой продукт выветривания разнообразных
первичных минералов, содержащих в своем составе железо: лимонит Fe2O3nH2O; гидрогетит - 3Fe2O34H2O; гетит - Fe2O3 H2O;
гидрогематит, или турьит -2Fe2O3H2O.
Кроме перечисленных минералов, в рыхлых породах широко
встречаются минералы группы кальцита (CaCO3), к которым
относятся: обыкновенный известняк и мел; гипс – CaSO42H2O;
мирабилит (глауберова соль) – Na2SO410H2O; фосфорит – Ca5F(PO4)3
с примесью CaCO3, глины и других веществ; двуокись марганца
(пиролюзит) – MnO2; гидриргиллит – Al(OH)3; бокситы – (AlOOH);
галит (каменная соль) – NaCl и др.
Как видно из таблицы.1, преобладающими элементами в
почвообразующих породах О, Si, Al и Fe, входящие в состав наиболее
распространенных в природе минералов – кварца, полевых шпатов,
слюд и группы глинных минералов. Наиболее богатыми являются
лессы, CaCO3, которые содержат много Cа (главным образом в форме
CaCO3), а также Mg, K, S и P. Все эти элементы играют
первостепенную роль в питании растений. Самыми бедными являются
пески, состоящие в основном из кварцевых зерен. Следует отметить,
что при валовом анализе содержание химических элементов обычно
выражают в форме окислов.
Таблица 1-10 элементов, составляющие 99,92% массы земной коры.
Элемент
Атомный номер
Содержание, % по массе
O
8
47,00
Si
14
29,50
Al
13
8,05
Fe
26
4,65
Ca
20
3,30
Na
11
2,50
K
19
2,50
Mg
12
1,87
Ti
22
0,45
Mn
25
0,10
27
По содержанию карбонатов, сульфатов, а также щелочноземельных и щелочных металлов и различных легко растворимых
солей все почвообразующие породы подразделяются на карбонатные,
бескарбонатные и засоленные. К карбонатным породам относятся
прежде всего лессы и другие различного рода рыхлые отложения,
заключающие в себе до 10-20% CaCO3 и MaCO3.
Бескарбонатные материнские породы характеризуются большой
обедненностью карбонатами, и количество окислов кальция, магния, а
также калия и натрия в них обычно не превышает 1-3%.
Бескарбонатные
отложения
широко
распространены
преимущественно в лесо-луговой зоне в виде разнообразных
моренных суглинков, супесей и песков.
К категории засоленных почвообразующих пород относятся
рыхлые образования, заключающие в себе наряду с карбонатами
кальция значительное количество сульфатов и хлоридов кальция,
магния
и натрия. Засоленные породы нередко встречаются в
Прикаспийской
низменности,
на
Приаральской
равнине.
Развивающиеся на этих породах почвы во многих случаях отличаются
высокой засоленностью.
3.1.1.2 Механический состав почвообразующих пород и почв
Первичные минералы (кварц, полевые шпаты, роговые обманки,
слюды и другие) вместе с обломками горных пород образуют крупные
фракции; вторичные минералы (гидрослюды, монтмориллонит,
каолинит и другие), формирующиеся в процессе гипергенеза - более
тонкие.
Рыхлость
сложения
почвы
обусловливается
полидисперсностью состава её твёрдой части, включающей частицы
разного размера (от коллоидов почвы, измеряемых сотыми долями
микрон, до обломков диаметром в несколько десятков сантиметров).
Основную массу почвы составляет обычно мелкозём - частицы
менее 1 мм. Гранулометрический состав почвы определяется
относительным содержанием в ней частиц различной величины,
объединяемых в группы - гранулометрические фракции. Принятая
классификация почвенных частиц по размерам приведена в таблице 2.
Относительное (в процентах) содержание в почве или материнской
породе минеральных частичек различной крупности называется
механическим
составом.
Механический
состав
оказывает
непосредственное влияние на самые различные свойства почв,
поэтому при исследовании и оценке почв определение их
28
механического
состава,
а
также
механического
состава
почвообразующей породы имеет большое практическое значение.
Таблица 2 - Классификация почвенных частиц по размерам
Размер частиц, мм
Наименование фракции
>3
Камни
3—1
Гравий
1—0,5
Песок крупный
0,5—0,25
Песок средний
0,25—0,05
Песок мелкий
0,05—0,01
Пыль крупная
0,01—0,005
Пыль средняя
0,005—0,001
Пыль мелкая
0,001—0,0005
Ил грубый
0,0005—0,0001
Ил тонкий
< 0,0001
Коллоиды
То или иное соотношение механических фракций сообщает
почвам различные свойства, имеющие первостепенное значение в их
плодородии. Для определения механического состава почв
необходимо знать относительное содержание в них частиц различной
крупности. Для этого производят механический анализ почвы при
помощи сит и путем отмучивания в воде. Ситовой метод применяют
для анализа частиц  0,25 мм, механические же фракции с частицами
 0,25 мм анализируют «отмучиванием» в сточной или проточной
воде. Наиболее распространенным способом механического анализа
почв является пипеточный метод, основанный на различной скорости
падения в воде частиц различной величины.
Отдельные механические фракции в результате этого анализа
собирают, высушивают, взвешивают и вычисляют процент их по
отношению ко всей взятой для анализа навеске почвы. Название
почвы по механическому составу устанавливают по процентному
содержанию отдельных фракций.
Подразделение, или классификацию, почв по механическому
составу обычно производят на основании соотношения трех
главнейших фракций: песчаной (1-0,05 мм), пылеватой (0,05-0,001 мм)
и илистой ( 0,001 мм). Однако в практике чаще пользуются так
называемой двучленной формулой, соотношением лишь двух
фракций: физической глины и физического песка. Наиболее
распространенная в настоящее время классификация почв по
механическому составу представлена в таблице 3
29
Таблица 3 - Классификация почв по механическому составу (по Н.А.
Качинскому)
Краткое название
Содержание физической глины – частиц
почвы по
 0,01 мм (процент)
механическому
В почвах
В почвах степного В солонцах
составу
подзолистог типа
и сильно
о типа
почвообразования солонцеват
почвообразо ,красноземах и
ых почвах
вания
желтоземах
Песчаная: рыхлая
0-5
0-5
0-5
связная
5-10
5-10
5-10
Супесчаная
10-20
10-20
10-15
Суглинистая: легкая
20-30
20-30
15-20
средняя
30-45
30-45
20-30
тяжелая
45-50
45-60
30-40
Глинистая: легкая
50-65
60-75
40-50
средняя
65-80
75-85
50-65
тяжелая
 80
 85
 65
Такой же принцип классификации по механическому составу
положен и в основу классификации почвообразующих пород. При
этом почвообразующие породы получают соответственно следующие
названия: рыхлый песок, связный песок, супесь, легкий суглинок,
средний суглинок, тяжелый суглинок, легкая глина, средняя глина и
тяжелая глина.
Всякая почва, обладающая тем или иным механическим
составом, характеризуется и определенными физическими и
химическими свойствами, имеющими самую непосредственную связь
с ее плодородием. При одном механическом составе почвы эти
свойства будут более благоприятными, при другом – менее
благоприятными. Точно же сказать, при каком механическом составе
почва будет обладать наиболее благоприятными свойствами или какое
соотношение отдельных механических фракций должно являться
одним из критериев высокого качества почвы, пока не представляется
возможным: этот вопрос до настоящего времени еще мало изучен.
Исходя из этого, лучшими в агрономическом смысле в
отношении механического состава в большинстве случаев являются
почвы легкосуглинистые и среднесуглинистые. Они характеризуются
таким сочетанием глинистых и песчаных фракций, при котором
создаются лучшие условия газообмена и водного режима почвы,
30
обеспечивающие интенсивное развитие химических и биологических
процессов. Обладая достаточным количеством глинистых частичек,
эти почвы являются вместе с тем сравнительно легкими для
обработки, что также весьма ценно в производственном отношении.
Далее следует отметить группу супесчаных и затем
тяжелосуглинистых почв и, наконец, песчаных и тяжелых глинистых,
обладающих рядом неблагоприятных физических свойств. При
высокой агротехнике и правильном использовании почвы с любым
механическим составом способны коренным образом изменять свои
физические и химические свойства и становиться благоприятной
средой для выращивания разнообразных культурных растений.
3.1.1.3 Химический состав отдельных фракций почв
Обладая различными физическими свойствами, отдельные
механические фракции почв отличаются в то же время различным
минералогическим и химическим составом – таблица 4.
Таблица 4 - Химический состав механических элементов лесса (по
А.Н. Соколовскому)
Размер частичек
Содержание химических элементов (%)
(мм)
CO2
SiO2
Al2O3+ CaO
MgO
P2O3
Fe2O3
10,11 38,98
24,85
14,00 5,10
0,319
 0,001
5,29
62,21
17,34
7,65
2,03
0,226
0,005-0,01
3,12
77,42
10,68
4,81
1,01
0,121
0,01-0,25
Из таблицы видно, что химический состав в заметной степени
меняется в зависимости от величины минеральных частичек: чем
крупнее они, тем больше содержится в них таких инертных веществ,
как SiO2, тем беднее они соединениями, которые содержат в себе
железо, кальций, магний, фосфор и, наоборот, чем мельче частицы,
тем больше в их составе таких элементов, как P, Ca, Mg, Fe, Al.
Приведенные данные не являются типичными для всех
встречающихся в природе почвообразующих пород и почв, но они
характеризуют то общее положение, что именно мельчайшие
глинистые частички составляют наиболее ценную часть почвы, в
которой, главным образом, сосредоточены основные запасы многих
необходимых для растений питательных зольных элементов.
Это объясняется тем, что в грубых механических фракциях
преобладают преимущественно кварц и полевые шпаты с высоким
31
содержанием кремнезема, а в тонких – в основном глинные минералы
(каолинит, галлуазит, монтмориллонит, аллофан, бейделлит,
нонтронит и др.) с низким содержанием кремнезема и высоким
содержанием полуторных окислов калия, магния и химически
связанной воды.
Наиболее сложной в отношении химического состава является
иловатая фракция, в которую входят все коллоидные соединения
почвы. Вместе с тем, чем мельче минеральные частицы, тем больше
их удельная поверхность и тем сильнее у них выражена возможность
для активного взаимодействия с элементами окружающей среды.
В отличие от глинистых частичек каменисто-хрящеватые
элементы механического состава почвы представляют собой наименее
подвижную и наименее активную часть почвы. Как непосредственный
источник минеральной пищи для растений эти элементы имеют
ничтожное значение. Они оказывают некоторое влияние только на
характер физических процессов, совершающихся в почве, на степень
проникновения в почву влаги, воздуха и на другие физические
явления. Таким образом, механический состав характеризует в
известной степени не только физические свойства, но и химический
состав почвы и материнской породы.
3.2 Почвообразовательный процесс
Основные факторы почвообразования - климат, материнская
порода, растительный и животный мир, рельеф и геологический
возраст территории, а также хозяйственная деятельность человека.
Климат влияет на характер гипергенеза горных пород, воздействует
на тепловой и водный режимы почвы, обусловливая проходящие в
ней процессы и их интенсивность, и, в значительной степени,
определяет растительный покров и животный мир.
Материнская
порода
в
процессе
почвообразования
превращается в почву. От её гранулометрического (механического)
состава и структурных особенностей зависят физические свойства
почвы - водо- и воздухопроницаемость, водоудерживающая
способность и другие важные в агрономическом отношении
характеристики, а следовательно, и водный режим почвы, тепловой
режим почвы, воздушный режим, скорость передвижения веществ в
почве и другие свойства.
Минералогический состав материнской породы определяет
минералогический и химический состав почвы и первоначальное
содержание в ней элементов питания для растений. Растительность
непосредственно воздействует на почву: корни рыхлят и создают
32
структуру почвенной массы, а также извлекают из неё минеральные
элементы. В естественных условиях минеральные и органические
вещества поступают в почву и на её поверхность в виде корневого и
наземного опада. Годовое количество опада изменяется примерно от
5-6 ц/га в пустынях и 10 ц/га в арктических тундрах до 250 ц/га во
влажных тропических лесах. Различен и качественный состав опада:
его зольность изменяется от 1 до 15%. В почве опад подвергается
воздействию микрофлоры, минерализирующей до 80-90% его массы и
участвующей в синтезе гумусовых веществ, которые образуются из
продуктов распада и микробных метаболитов.
Представители
животного
мира
(главным
образом
беспозвоночные, живущие в верхних горизонтах почвы и в
растительных
остатках
на
поверхности)
в
процессе
жизнедеятельности значительно ускоряют разложение органических
веществ и способствуют формированию органо-минеральных
почвенных агрегатов, образуют структуру почвы.
Основное влияние рельефа заключается в перераспределении по
земной поверхности климатических (влаги, тепла и их соотношения) и
др. факторов формирования почвы. Время развития зрелого
почвенного профиля для разных условий - от нескольких сотен до
нескольких тысяч лет. Возраст территории вообще и почвы в
частности, а также изменения условий почвообразования в процессе
их развития оказывают существенное влияние на строение, свойства и
состав
почвы.
При
сходных
географических
условиях
почвообразования почвы, имеющие неодинаковые возраст и историю
развития, могут существенно различаться и принадлежать к разным
классификационным группам.
Хозяйственная деятельность человека влияет на некоторые
факторы почвообразования, например на растительность (вырубка
леса, замена его травянистыми фитоценозами и другие мероприятия),
и непосредственно на почву путём её механической обработки,
мелиорации, внесения минеральных и органических удобрений и т.п.
При соответствующем сочетании этих воздействий можно
направленно изменять почвообразовательный процесс и свойства
почвы. В связи с интенсификацией сельского хозяйства влияние
человека на почвенные процессы непрерывно возрастает.
3.2.1 Роль микроорганизмов в образовании почвы
Гипергенез готовит основу, субстрат, который в определенных
условиях может быть преобразован в почву. Важными факторами
образования почвы являются живые организмы, в первую очередь это
33
система: микроорганизмы почвы – растения, обеспечивающие опад,
преобразуемый в гумус.
Почвенные микроорганизмы - совокупность разных групп
микроорганизмов, для которых естественной средой обитания служит
почва. Они играют важную роль в круговороте веществ в природе,
почвообразовании и формировании плодородия почв, могут
развиваться не только непосредственно в почве, но и в разлагающихся
остатках растительного и животного происхождения. В почве
встречаются также некоторые болезнетворные микробы, водные
микроорганизмы и другие, случайно попавшие в почву (при
разложении трупов, из желудочно-кишечного тракта животных и
человека, с поливной водой или другими путями) и, как правило,
быстро в ней погибают. Однако некоторые из них сохраняются в
почве длительное время (например, сибиреязвенные бациллы,
возбудители столбняка) и могут служить источником инфекции для
человека, животных, растений.
По общей массе микроорганизмы почвы составляют большую
часть микроорганизмов нашей планеты: в 1 г чернозема содержится
до 109 (иногда и более) живых микроорганизмов, что в переводе на
биомассу составляет до 10 т/га. Они представлены как прокариотами
(бактерии, актиномицеты, синезелёные водоросли), так и эукариотами
(грибы, микроскопические водоросли, простейшие). Благодаря
использованию современных методов (электронная и капиллярная
микроскопия и другие) ежегодно открывают много новых
представителей микробиоты почвы.
Свойства
и
функции
почвенных
микроорганизмов
разнообразны. Среди них есть гетеротрофы и автотрофы, аэробы и
анаэробы; резко различаются микроорганизмы почвы по оптимуму
pH, отношению к температуре, осмотическому давлению,
используемым источникам органических и неорганических веществ.
Многие из них, несмотря на различные, а иногда прямо
противоположные потребности, развиваются в одной и той же почве,
состоящей из множества резко различающихся микросред. Изменение
их числа зависит и от времени года: весной и осенью
микроорганизмов больше, зимой и летом меньше. Биота верхних
слоев почвы богаче по сравнению с нижележащими; особое обилие
микроорганизмов характерно для прикорневой зоны растений ризосферы.
Обработка
почвы,
внесение
удобрений,
создание
благоприятного водного режима почвы и другие мероприятия,
окультуривающие почву, способствуют увеличению количества
34
организмов в почве и повышению их активности. Важнейшая
планетарная функция микробиоты почвы - их участие в круговороте
веществ, в том числе в процессах превращения важнейших биогенных
элементов - О, С, N, Р, S, Fe и др.
Почвенная микробиота способна разрушать все природные
органические соединения, а также ряд искусственных органических
соединений. В целом она выполняет важную роль в очистке биосферы
от загрязнений (разложение пестицидов, окисление угарного газа).
Особенности почв разных типов и различия в их плодородии во
многом определяются спецификой биоты и микробиологических
процессов в почве.
В почвах наряду с уже указанными специфическими
биоценозами и трофическими взаимодействиями макро- и
микроорганизмов в преобразовании минерального вещества активно
участвуют многие хемолитоавтотрофные бактерии. Прежде всего, это
серные (тионовые), окисляющие сульфидные частицы и серу,
сульфатредуцирующие (восстанавливающие до H2S серные воды),
нитрифицирующие, преобразующие в ядовитые для животных и
человека нитриты и нитраты содержащийся в почвах аммоний
(аммиак) и участвующие в круговороте азота, наконец, водородные
бактерии, ведущие брожение органических соединений и синтез
белка. Для участков с болотистыми почвами характерны также
железобактерии и фотосинтезирующие гетеротрофы.
3.3 Состав и свойства почвы
Почва состоит из минеральной и органической частей, которые
находятся в твёрдом, жидком, газообразном состоянии и
биологической составляющей, которая оказывает активное влияние на
ее качество. Соотношение их неодинаково не только в разных почвах,
но и в различных горизонтах одной и той же почвы. Закономерно
уменьшение содержания органических веществ и живых организмов
от верхних ее горизонтов к нижним и увеличение интенсивности
преобразования компонентов материнской породы от нижних
горизонтов к верхним, на рисунке 5 видно изменение этих
параметров, проявляющееся в изменении окраски и других
характеристик горизонтов.
Совокупности
процессов
формирования
определённых
почвенных горизонтов получили наименование элементарных
почвенных процессов:
- образование степного войлока, лесной подстилки, торфа
(накопление органических остатков на поверхности почвы.);
35
- гумусово-аккумулятивный процесс (накопление органоминеральных соединений и зольных элементов в верхних горизонтах);
- засоление почвы (передвижение солей в растворённом
состоянии с последующим выпадением из раствора);
- рассоление (вынос растворённых солей в нижние горизонты
или за пределы почвы.);
- оглинивание, т. е. превращение первичных минералов во
вторичные глинистые минералы (разложение первичных минералов и
синтез вторичных);
- иллювиальные процессы (растворение различных веществ в
верхних горизонтах почвы, перемещение растворов в более глубокие
горизонты с осаждением некоторых веществ и их аккумуляцией);
- лессиваж - передвижение под влиянием силы тяжести
мельчайших твёрдых частиц в составе суспензии;
- оглеение (восстановление элементов с переменной
валентностью, в первую очередь железа и марганца, и связанное с
этим обесструктуривание почвенной массы);
- осолонцевание, осолодение, оподзоливание, ожелезнение,
ферралитизация, педокриогенез и др.
Рисунок 5 - Горизонты почвы
В твёрдой части преобладают минеральные вещества. В состав
твёрдой части также входит органическое вещество - 80-90% которого
представлена гумусом,
а также соединениями растительного,
животного и микробного происхождения, содержащими клетчатку,
лигнин, белки, сахара, смолы, жиры, дубильные вещества и т.п. и
промежуточные продукты их разложения.
36
При разложении органических веществ в почве, содержащийся в
них азот переходит в формы, доступные растениям. В естественных
условиях они являются основным источником азотного питания
растительных организмов. Многие органические вещества участвуют
в создании органо-минеральных структурных отдельностей
(комочков). Возникающая т. о. структура почвы во многом определяет
её физические свойства, а также водный, воздушный и тепловой
режимы. Органо-минеральные соединения представлены солями,
глинисто-гумусовыми
комплексами,
комплексными
и
внутрикомплексными (хелаты) соединениями гумусовых кислот с
рядом элементов (в их числе Al и Fe). Именно в этих формах
последние перемещаются в почве.
Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов
(бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли и др.) и представителей
многих групп беспозвоночных животных - простейших, червей,
моллюсков, насекомых и их личинок, роющих позвоночных и др.
Активная роль живых организмов в формировании почвы. определяет
принадлежность её к биокосным природным телам - важнейшим
компонентам биосферы.
В зависимости от соотношения физической глины (частиц
мельче 0,01 мм) и физического песка (крупнее 0,01 мм) почву по
гранулометрическому составу разделяют на группы (разновидности):
песок рыхлый и связный, супесь, суглинок лёгкий и средний, глина
лёгкая, средняя и тяжёлая. Более подробное деление проводят по
преобладанию среди частиц гравия, песка, крупной пыли, пыли и ила.
Твёрдые частицы в естественном залегании заполняют не весь
объём почвенной массы, а лишь некоторую его часть; другую часть
составляют поры - промежутки различного размера и формы между
частицами и их агрегатами. Суммарный объём пор называется
пористостью почвы. Для большинства минеральных почв эта
величина варьирует в пределах от 40 до 60%. В органогенных
(торфяных) почвах она возрастает до 90%, в заболоченных,
оглеенных, минеральных - уменьшается до 27%.
От
пористости
зависят
водные
свойства
почвы
(водопроницаемость, водоподъёмная способность, влагоёмкость) и
плотность почвы. Пористость почвы играет важную роль для
жизнедеятельности
микроорганизмов.
Развитая
поверхность
способствует увеличению точек их прикрепления, притоку субстрата,
необходимого для жизнедеятельности и оттоку продуктов
жизнедеятельности.
37
В порах находятся почвенный раствор и почвенный воздух.
Соотношение их непрерывно меняется вследствие поступления в
почву атмосферных осадков, иногда оросительных и грунтовых вод, а
также расхода влаги - почвенного стока, испарения, десукции
(отсасывание корнями растений). Освобождающееся от воды поровое
пространство заполняется воздухом. Этими явлениями определяется
воздушный и водный режимы почвы.
Чем больше поры заполнены влагой, тем труднее газовый обмен
(особенно О2 и СО2) между почвой и атмосферой, тем медленнее
протекают в почвенной массе процессы окисления и быстрее процессы восстановления. В порах также обитают почвенные
микроорганизмы. Плотность почвы (или объёмная масса) в
ненарушенном сложении определяется пористостью и средней
плотностью твёрдой фазы. Плотность минеральных почв от 1 до 1, 6
г/см3, реже 1,8 г/см3, заболоченных оглеенных - до 2 г/см3, торфяных 0,1- 0,2 г/см2.
С дисперсностью сопряжена большая суммарная поверхность
твёрдых частиц: 3-5 м2/г у песчаных почв, 30-150 м2/г у супесчаных и
суглинистых, до 300-400 м2/г у глинистых. Благодаря этому
почвенные частицы, особенно коллоидная и илистая фракции,
обладают поверхностной энергией, которая проявляется в
поглотительной способности почвы.
Минералогический состав твёрдой части почвы во многом
определяет её плодородие. Органических частиц (растительные
остатки) содержится немного, и только торфяные почвы почти
полностью состоят из них. В состав минеральных веществ входят: Si,
Al, Fe, К, N, Mg, Ca, Р, S; значительно меньше содержится
микроэлементов: Cu, Mo, I, В, F, и др.
Подавляющее большинство элементов находится в окисленной
форме. Во многих почвах, преимущественно в почвах недостаточно
увлажняемых территорий, содержится существенное количество
CaCO3 (особенно если они образовались на карбонатной породе), в
почвах засушливых областей - CaSO4 и другие более растворимые
соли. Почвы влажных тропических областей обогащены Fe и Al.
Однако реализация этих общих закономерностей зависит от состава
почвообразующих пород, возраста почв, особенностей рельефа,
климата и т.д. Например, на основных изверженных породах
формируются почвы более богатые Al, Fe, щёлочноземельными и
щелочными металлами, а на породах кислого состава - Si. Во влажных
тропиках на молодых корах выветривания почвы значительно беднее
38
окислами железа и алюминия, чем на более древних, и по содержанию
сходны с почвами умеренных широт.
На крутых склонах, где эрозионные процессы весьма активны,
состав твёрдой части почвы незначительно отличается от состава
почвообразующих пород. В засоленных почвах содержится много
хлоридов и сульфатов (реже нитратов и бикарбонатов) кальция,
магния, натрия, что связано с исходной засоленностью материнской
породы, с поступлением этих солей из грунтовых вод или в результате
почвообразования.
В состав твёрдой части почвы входит органическое вещество,
основная (80 - 90%) часть которого представлена сложным
комплексом из гумусовых веществ, или гумуса. Органическое
вещество состоит также из соединений растительного, животного и
микробного происхождения, содержащих клетчатку, лигнин, белки,
сахара, смолы, жиры, дубильные вещества и промежуточные
продукты их разложения
Жидкая часть почвы, почвенный раствор, - активный компонент
почвы, осуществляющий перенос веществ внутри неё, вынос из почвы
и снабжение растений водой и растворёнными элементами питания.
Обычно содержит ионы, молекулы, коллоиды и более крупные
частицы, превращаясь иногда в суспензию.
Газообразная часть, или почвенный воздух, заполняет поры, не
занятые водой. Количество и состав почвенного воздуха, в который
входят N2, O2, CO2, летучие органические соединения и другие
газообразные вещества, не постоянны и определяются характером
множества протекающих в почве химических, биохимических,
биологических процессов. Например, количество CO2 в почвенном
воздухе существенно меняется в годовом и суточном циклах
вследствие
различной
интенсивности
выделения
газа
микроорганизмами и корнями растений. Газообмен между почвенным
воздухом и атмосферой происходит преимущественно в результате
диффузии CO2 из почвы в атмосферу и O2 из атмосферы в почву.
В процессе почвообразования материнская порода расчленяется
на почвенные горизонты, которые образуют почвенный профиль. В
поверхностных горизонтах накапливаются органическое вещество,
азот и фосфор, обменные соединения алюминия, кальция, магния,
калия, натрия; во многих случаях происходит потеря силикатных
соединений (за исключением кремнезёма в форме кварца).
Под влиянием факторов почвообразования в почве протекают
разнообразные процессы, которые можно объединить в следующие
основные группы:
39
- обмен веществами и энергией между почвой и др. природными
телами;
- процессы превращения веществ и энергии, происходящие в
самом почвенном теле без перемещения веществ;
- процессы передвижения веществ и энергии в почве.
К первой группе относят:
- многосторонний обмен газами, влагой и твёрдыми частицами в
системе атмосфера - почва - растительность (надземные органы);
- двусторонний обмен газами и влагой с растворёнными в ней
веществами в системе почва - грунт (породы, залегающие под почвой,
включая почвообразующую и подстилающую);
- обмен коротко- и длинноволновой радиацией в системе солнце
- растительность - почва - атмосфера - космическое пространство;
- многосторонний обмен тепловой энергией в системе
атмосфера - растительность - почва - грунт;
- двусторонний обмен зольными веществами, соединениями
азота, CO2 и O2 в системе почва - высшая растительность;
- преимущественно одностороннее поступление влаги из почвы
в растения (через корни);
- одностороннее поступление в почву органического вещества,
синтезированного высшими растениями, несущего в себе
аккумулированную энергию.
Вторая группа включает огромное количество весьма
разнообразных процессов: разложение органических соединений и
синтез гумусовых веществ; синтез и распад микробной плазмы;
- образование и распад органо-минеральных соединений, т. е.
процессы, связанные с круговоротом углерода (разложение углеводов,
дубильных веществ, лигнина и др.);
- процессы, связанные с круговоротом азота, - аммонификация,
нитрификация и денитрификация, фиксация атмосферного азота;
- разложение и превращение первичных и вторичных минералов
и синтез вторичных;
- окисление и восстановление, особенно железа и марганца;
- замерзание и оттаивание почвенной влаги, её внутрипочвенное
испарение, конденсация и т.д.
Третья группа:
- передвижение почвенного воздуха под влиянием меняющихся
давления и температуры;
- диффузное передвижение газов и водяного пара, передвижение
почвенного раствора под действием силы тяжести, капиллярных,
сорбционных и осмотических сил;
40
- передвижение почвенной массы роющими животными, под
влиянием давления корней и др.
Почвенные процессы протекают в тесной взаимосвязи и
взаимозависимости, охватывая всю почвенную толщу или
сосредоточиваясь в отдельных частях. Они имеют циклический
характер, сопряжённый с периодичностью и интенсивностью
поступления на поверхность почвы радиационной энергии (суточные,
годовые и многолетние циклы) и с биологической цикличностью
живых организмов. Цикличность процессов не означает полного
возврата почвы в исходное состояние. В результате процессов,
происходящих в почвенной массе с самого начала формирования
определяется её становление, развитие и эволюция. Существо
процессов, их интенсивность в разных горизонтах почвы неодинакова,
большое влияние на них оказывает удаленность от поверхности.
Почва, как открытая система, связана также с другими природными
системами (атмосферой, грунтом, живыми организмами) взаимным и
многосторонним обменом веществ.
Совокупность
процессов
формирования
определённых
почвенных горизонтов получили наименование элементарных
почвенных процессов:
- образование степного войлока, лесной подстилки, торфа
(накопление органических остатков на поверхности почвы);
- гумусово-аккумулятивный процесс (накопление органоминеральных соединений и зольных элементов в верхних горизонтах);
засоление почвы (передвижение солей в растворённом
состоянии с последующим выпадением из раствора);
- расселение (вынос растворённых солей в нижние горизонты
или за пределы почвы);
- оглинивание, т. е. превращение первичных минералов во
вторичные глинистые минералы (разложение первичных минералов и
синтез вторичных);
- иллювиальные процессы (растворение различных веществ в
верхних горизонтах почвы, перемещение растворов в более глубокие
горизонты с осаждением некоторых веществ и их аккумуляцией);
- лессиваж - передвижение под влиянием силы тяжести
мельчайших твёрдых частиц в составе суспензии;
- оглеение (восстановление элементов с переменной
валентностью, в первую очередь железа и марганца, и связанное с
этим обесструктуривание почвенной массы), осолонцевание,
осолодение,
оподзоливание,
ожелезнение,
ферралитизация,
педокриогенез и др.
41
3.4 Основные типы почв и их распространение
Изменчивость в пространстве и во времени факторов
почвообразования, а следовательно, и процессов, происходивших в
почве в прошлом и совершающихся в настоящем, обусловливает
большое разнообразие их в природе. До Докучаева почвы
классифицировали по отдельным свойствам - химическому составу,
гранулометрическому составу и др. В основе современной
генетической классификации почв лежит строение почвенного
профиля, отражающее совокупность процессов становления, развития,
эволюции почв и их режимы.
Основная классификационная единица - генетический тип.
Докучаевым выделялось 10 почвенных типов, в современных
классификациях - более 100. Типы подразделяют на подтипы, роды,
виды, разновидности, разряды и объединяют в классы, ряды,
формации, генерации, семейства, ассоциации и т.п. Принцип
объединения почвенных типов в более высокие единицы в различных
классификациях неодинаков: экологический - по условиям
почвообразования, эволюционно-генетический (или историкогенетический) - по связям между группами почв, профильногенетический - по строению почвенных профилей, их генезису и др.
Важной частью почвенной классификации является диагностика почв
- система объективных признаков, позволяющих разделять их на всех
таксономических уровнях классификации. Особое значение имеют
диагностические признаки для определения типов и более низких
таксономических единиц, т.к. на большинстве почвенных карт
выделяют именно их ареалы.
В работах И. П. Герасимова и других учёных были установлены
закономерные изменения свойств почв внутри зон и подзон,
связанные с изменениями климата и некоторых других
биоклиматических условий. Это явление получило название
провинциальности и фациальности и позволило выделить внутри зон
и подзон провинции.
Например, в восточной части Азии с севера на юг сменяются
зоны тундровых, мерзлотно-таёжных, подзолистых почв и подбуров,
бурых лесных почв, коричневых почв сухих лесов и кустарников,
желтозёмов, краснозёмов, красно-жёлтых ферралитных почв, а в
центральной части (Западная Сибирь, Казахстан, Средняя Азия) зоны тундровых почв, поверхностно-глеевых и подзолистых почв,
чернозёмов, каштановых, бурых пустынно-степных, серо-бурых
пустынных почв, серозёмов. Такие различия позволяют выделять
42
почвенные
области,
каждая
из
которых
характеризуется
определённым рядом горизонтальных почвенных зон.
В горных странах отчётливо выражена высотная поясность
почв. В горах с недостаточным увлажнением смена вертикальных
поясов обусловливается сменой степени увлажнения, а также
экспозицией склонов (почвенный покров здесь приобретает
экспозиционно-дифференцированный характер), а в горах с
достаточным и избыточным увлажнением - изменением термических
условий.
3.5 Плодородие почвы
Плодородие почвы – это способность обеспечивать растения
водой и пищей, что позволяет ей участвовать в воспроизведении
биомассы. Природное плодородие почвы имеет различный уровень,
зависящий от её состава и свойств и факторов почвообразования. Под
влиянием агротехнических, агрохимических и мелиоративных
воздействий почва, являющаяся в сельском хозяйстве основным
средством
производства,
приобретает
эффективное,
или
экономическое,
плодородие,
показателем
которого
служит
урожайность сельскохозяйственных культур.
Плодородие почвы – это не только наличие в ней необходимых
для жизнедеятельности растений элементов, но ее способность
обеспечивать растения усвояемыми питательными веществами,
влагой и др. факторами, что способствует увеличению урожая.
Различают потенциальное (естественное) и эффективное плодородие.
Потенциальное плодородие определяется общим запасом в почве
питательных веществ, влаги, а также другими условиями жизни
растений. Эффективное (или актуальное, экономическое) плодородие
почвы - возможность использования элементов плодородия
растениями в данном году; зависит прежде всего от проведения всего
комплекса агротехнических мероприятий.
При большом потенциальном плодородии почвы - эффективное
может быть небольшим, и наоборот, при соответствующем уровне
агротехники можно обеспечить высокое эффективное плодородие
малоплодородных почв. Эффективное плодородие почвы - очень
динамичное свойство почвы, способное быстро изменяться под
влиянием природных условий и агротехнических приёмов.
Важнейшие факторы плодородия почвы:
- содержание необходимых для растений питательных веществ и
их формы;
43
- наличие доступной для растений влаги, уровень устойчивости
влажности;
- хорошая аэрация почвы как важное условие развития корневых
систем,
а
также
жизнедеятельности
микроорганизмов,
обеспечивающих
разложение
органических
и
накопление
питательных веществ в форме, усвояемой для высших растений;
- механических состав, структурное состояние и строение;
- содержание токсических веществ;
- реакция и др.
Сумма этих свойств определяет уровень культурного состояния
почвы. Все элементы плодородия взаимосвязаны, Плодородие почвы
зависит от факторов почвообразования: климата, почвообразующих
пород, естественной и культурной растительности, рельефа, но
особенно большое значение для его уровня имеет характер
использования почвы. Главный приём регулирования запасов
питательных веществ в почве, в особенности в доступных растениям
подвижных формах - внесение минеральных и органических
удобрений. Существенное значение имеют введение в севообороты
бобовых культур и улучшение условий для жизнедеятельности
азотобактера и других организмов, усваивающих азот из атмосферы.
Устранение повышенной кислотности достигается известкованием
почв, а повышенной щёлочности (солонцы) - гипсованием почв.
Важное условие плодородия почвы - отсутствие в ней
избыточного количества легкорастворимых солей, главным образом
хлоридов и сульфатов натрия и отчасти магния, кальция и других
катионов. Для устранения избытка солей применяют промывание
почвы, а для предупреждения накопления солей - правильный
поливной режим, дренаж и др. Плодородие почвы сильно снижается
при наличии в ней вредных химических соединений (закисных
соединений
железа,
подвижных
соединений
алюминия),
накапливающихся обычно в условиях застойного переувлажнения.
Регулирование запасов влаги в почве достигается с помощью
агротехнических и гидротехнических мероприятий (зяблевая вспашка,
снегозадержание,
ранневесеннее
боронование,
междурядная
обработка посевов, орошение, осушение и другие агромероприятия).
Наиболее высоким эффективным плодородием характеризуются
почвы, которые наряду с достаточным количеством влаги имеют
хорошую аэрацию. Низкое плодородие нередко связано с наличием
патогенных организмов. Устранение их химическими (стерилизация,
внесение фунгицидов, нематоцидов) и агротехническими средствами
(севооборот, обработка) резко повышает эффективное плодородие.
44
При правильном использовании почв их плодородие не только не
снижается, но постоянно увеличивается.
Плодородие почв в значительной мере связано с
жизнедеятельностью микробиоты, минерализующей растительные и
животные остатки с образованием соединений, усваиваемых
растениями. Вместе с тем, синтезируя живое вещество клеток,
микроорганизмы накапливают большие количества органических
соединений в почве. В верхних слоях окультуренной почвы на
площади в 1 га содержится несколько тонн бактериальных клеток.
Живущие в почве азотфиксирующие микроорганизмы обогащают
почву азотом. Исключительно велика роль клубеньковых бактерий,
фиксирующих газообразный азот. Заражение семян бобовых растений
азотфиксаторами повышает урожай растений и накопление азота в
почве.
4 Растения
Растения (Plantae, или Vegetabilia) - это организмы,
отличающиеся автотрофным питанием, основанным на использовании
энергии Солнца, и наличием у клеток плотных оболочек, состоящих,
как правило, из целлюлозы. Фотосинтез и связанные с ним
физиологические, биофизические и биохимические процессы дают
возможность безошибочно отличать растения от других живых
организмов. Сравнительно редко встречающиеся среди растений.
виды с гетеротрофным питанием (сапрофиты и паразиты), они всегда
вторичного происхождения.
Другие черты, определяемые характером роста и образом
жизни, например своеобразные циклы развития, способы закладки
органов, прикрепление к субстрату и т.д., не всеобщи в мире
растений. В целом комплекс признаков позволяет легко отличать
растения, особенно высокоорганизованные, от представителей
остальных царств живых организмов. Лишь на более низком уровне
развития, особенно на одноклеточном, различия не столь резкие и
иногда сглаживаются настолько, что еще несколько десятилетий назад
считалось спорным, к какому царству живых существ относить
некоторые группы (например, жгутиконосцев). Однако и здесь
имеются достаточные основания для разграничения прежде сборной
группы жгутиконосцев на относящиеся либо к растительному, либо к
животному царству. Некоторая трудность их разграничения доказательство единства происхождения всего живого мира,
расчленение которого на отдельные царства, как свидетельствуют
45
палеонтологические находки, произошло, вероятно, более 3 млрд. лет
назад.
По широко распространённой традиции, к царству растений
часто относят также бактерии, синезелёные водоросли (цианеи) и
грибы. Однако исследования
в этой области усилили давно
высказанные сомнения в правомочности отнесения этих организмов к
растениям. У бактерий и цианеи отсутствует настоящее ядро с
ядерной мембраной и ядрышком, а также типичный половой процесс.
Эти и другие особенности резко отличают бактерии и цианеи как от
настоящих растений, так и от остальных представителей мира живых
существ; поэтому теперь их выделяют в особое надцарство
доклеточных организмов, или прокариотов.
Что касается грибов, то, несмотря на наличие у них ядра,
остальные особенности их морфологии и химизма (как правило, не
целлюлозная, а хитиновая клеточная оболочка, гетеротрофный способ
питания и др.) достаточно резко отличают их и от настоящих растений
и от живых организмов др. царств, что позволило выделить их в
особое царство - грибы (Mycetalia, или Fungi) и объединить вместе с
растениями. и животными в надцарство клеточных организмов, или
эукариотов.
Одноклеточные
растения
характеризуются
элементами,
свойственными клетке любого организма, но вместе с тем отличаются
от одноклеточных организмов др. царств живого мира наличием
хлоропластов, отдельными ультраструктурами, обычно также
строением оболочки, развитыми вакуолями и др. С повышением
уровня организации различия между растениями и представителями
других царств возрастают настолько резко, что многоклеточные
растения даже по внешнему виду можно безошибочно отличить от
представителей других царств органического мира.
Очень важная морфологическая особенность растений. сильное расчленение тела, приводящее к увеличению его
поверхности, что обусловлено способом питания - поглощением из
внешней среды газообразного и жидкого компонентов (воздуха и
воды с растворёнными в ней питательными веществами). У высших
растений расчленение и дифференциация тела приводят к выработке
большого числа специализированных структур и органов. Многие
важные особенности внешней и внутренней морфологии растений
определяются характером их роста и размножения.
Существование мира животных, включая человека, было бы
невозможно без растений, чем и определяется их особая роль в жизни
нашей планеты. Из всех организмов только растения способны
46
аккумулировать энергию Солнца, создавая при её посредстве
органического вещества из веществ неорганических; при этом они
извлекают из атмосферы CO2 и выделяют O2. Именно деятельностью
растений была создана атмосфера, содержащая O2, и их
существованием она поддерживается в состоянии, пригодном для
дыхания.
Растения - основное, определяющее звено в сложной цепи
питания всех гетеротрофных организмов, включая человека.
Наземные растения образуют степи, луга, леса и др. растительные
группировки, создавая ландшафтное разнообразие Земли и
бесконечное разнообразие экологических ниш для жизни организмов
всех царств. Наконец, при непосредственном участии растений
возникла и образуется почва.
4.1 Вегетативные органы растений
Вегетативные органы у растений представляют собой части тела
растительного организма, служащие для поддержания его
индивидуальной жизни. У низших растений вегетативное тело
(таллом, или слоевище) не расчленено на органы, а представлено
одной клеткой (одноклеточные водоросли, низшие грибы), нитями из
одного ряда клеток (нитчатые водоросли, мицелий грибов) или
колониями в форме пластинок, шаров и др.; у высокоорганизованных
водорослей намечается расчленение таллома на органы и ткани.
У высших растений основные вегетативные органы - лист,
стебель и корень. Лист выполняет функции фотосинтеза, газообмена и
транспирации; корень служит для прикрепления растений к субстрату
и поглощения из почвы воды и минеральных солей; стебель - орган,
связывающий между собой корень и листья. Морфологическое и
анатомическое строение вегетативных органов приспособлено к
выполнению присущих им функций.
4.1.1 Лист
Лист (folium) представляет собой орган высших растений,
выполняющий функции фотосинтеза и транспирации, а также
обеспечивающий газообмен с воздушной средой и участвующий в др.
важнейших процессах жизнедеятельности растения.
4.1.1.1 Морфология, анатомия листа и его происхождение
От других вегетативных органов высших растений - корня и
стебля - лист морфологически отличается обычно дорзовентральной
(а не радиальной) симметрией, боковым положением и, как правило,
ограниченным базальным ростом. Возникает лист из наружных слоев
47
клеток первичной меристемы конуса нарастания стебля. Лист у
большинства растений растет сначала верхушкой, а затем
интеркалярно. Чаще всего лист состоит из расширенной плоской
пластинки, в которой происходят все основные физиологические
процессы, и черешка - суженной стеблевидной части, прикрепляющей
пластинку к побегу.
Благодаря черешку лист способен занимать определённое
положение по отношению к свету. У многих растений (многих
норичниковых, губоцветных и др.) лист не имеет выраженного
черешка; такой лист называется сидячим. Часто на одном и том же
растении одновременно встречаются листы и сидячие, и черешчатые
(черешковые). Нижняя часть листа нередко расширена в т. н.
влагалище, более или менее охватывающее стебель. Листья с хорошо
выраженными влагалищами особенно характерны для зонтичных и
злаков. Близ основания листа многих растений развиваются обычно
парные симметрично расположенные придатки - прилистники - в виде
листочков, щетинок, чешуек и т.п.
Продолжительность жизни листа, особенно у растений
умеренных широт, обычно невелика - около 6 мес; с окончанием
вегетационного периода листья отмирают. Лишь у вечнозелёных
растений они сменяются не периодически, а могут жить более года.
Листья одного и того же растения обычно различаются
незначительно, главным образом размерами; однако иногда
наблюдается разнолистность, или гетерофиллия. Листья на стебле
располагаются в определённом порядке и развиваются с той или иной
последовательностью. У многих растений листорасположение и
ориентировка листьев способствует максимальному использованию
света, образуя т. н. листовую мозаику.
Листья, особенно у цветковых растений, чутко реагируют на
условия обитания и их колебания. Они легче других органов
способны к приспособительным видоизменениям, например к жизни в
засушливых областях, а также к существованию в необычных или
суровых (экстремальных) условиях. Несмотря на сходную в общих
чертах схему строения, разница в особенностях листа у
представителей разных отделов или классов высших растений
значительна. Так, лист хвойных обычно игольчатой формы,
эпидермис их с толстой кутикулой, в мякоти листа проходят
смоляные ходы, а проводящие пучки окружены особой - тканью. Лист
двудольных растений, как правило, с сетчатым жилкованием, нередко
с расчленённой сложной пластинкой. Лист однодольных чаще всего с
48
параллельным или дуговидным жилкованием, нередко линейные и
лишь иногда расчленённые.
Анатомическое строение листа различается даже в пределах
одного вида, однако в общих чертах оно единообразно и у разных
видов. Обычно пластинка листа с обеих сторон снабжена
однослойной покровной тканью - кожицей, или эпидермисом. На
рисунке 6 показан поперечный срез листа копытня.
в.э.- верхний эпидермис, п- поры, с.м.- столбчатый мезофилл, г.м. –
губчатый мезофилл, н.э.- нижний эпидермис, у.- устьице, пд.п.подустьичная полость, в.- волосок, я.- ядро, хл.- хлоропласты, мж.межклетник.
Рисунок 6 – Поперечный срез листа копытня (по Барыкина Р. И
др.)
49
Между верхним и нижним эпидермисом располагается основная
ткань, или мякоть, листа (мезофилл), чаще дифференцированная на
столбчатую, или палисадную, состоящую из удлинённых клеток с
хлоропластами и занимающую верхнюю, обращенную к свету часть
листа, и губчатую, сложенную из клеток с большими межклетниками
и заполняющую нижнюю часть его. Лист пронизан жилками проводящими пучками, которые наряду с механическими тканями
создают его остов.
Механические ткани, придающие листу прочность, чаще
располагаются у крупных жилок, но иногда развиваются в мякоти.
Клетки эпидермиса часто бесцветные, тесно примыкают друг к другу:
они живые и, за исключением расположенных в эпидермисе
устьичных клеток, лишены хлорофилла. Снаружи эпидермис обычно
покрыт кутикулой, а иногда и восковым налётом, что определяет
защитную функцию эпидермиса. Возможно, защитную роль играют и
волоски на поверхности листа. Через многочисленные устьица в
эпидермисе листа осуществляются газообмен и транспирация: внутрь
поступает наружный воздух, проникающий в межклетники губчатой
паренхимы, а из листа выделяются пары воды и газы.
4.1.1.2 Физиология листа
Лист - активный орган, определяющий, направляющий и
регулирующий общие процессы жизнедеятельности растения. Меняя
под влиянием различных условий количество и качество образуемых в
процессе фотосинтеза продуктов, лист определяет рост растения и его
продуктивность. Жизнедеятельность листа тесно связана с
жизнедеятельностью растения как целого: снабжая его энергией и
органическим веществом, лист сам снабжается при помощи других
органов водой, элементами минерального питания, некоторыми
физиологически активными веществами.
В соответствии с этим лист обладает рядом важных и
характерных для выполняемых им функций признаков. Один из них приспособленность к интенсивному газообмену с воздушной средой.
Так, 1 м2 листовой пластинки может усваивать за час из окружающего
воздуха до 6-8 г (3-4 л) CO2 и одновременно выделять в окружающий
воздух столько же по объёму O2. Высокая эффективность
обеспечивается его структурой (толщина листовой пластинки чаще
равна 0,1-0,25 мм.) и высокими показателями отношения поверхности
(S) к объёму (V) (S/V = 100-200 см2/см3) или к сырой и сухой массе
(соответственно 100 и 500 см2/г). Высокая способность листа к
газообмену определяется большой пористостью, наличием в
50
эпидермисе устьиц (до 30 тыс. на 1 см2) и пористым строением
мезофилла.
Важное условие высокой фотосинтетической активности быстрый отток образуемых органических веществ в др. органы, а в
связи с этим - степень развития проводящих систем и прежде всего
флоэмы проводящих пучков (жилок). В интенсификации транспорта
ассимилятов из листа в другие органы играет роль у некоторых
растений анатомическая структура и, в частности, наличие
обкладочных клеток проводящих пучков, в которых сосредоточены
хлоропласты и запасаются большие количества крахмала. Многие
растения, листья которых обладают такой структурой (кукуруза,
сахарный тростник, сорго и др.), характеризуются особым типом
фотосинтеза
и
его
интенсивностью,
а
также
высокой
продуктивностью.
Непременное условие для фотосинтеза - наличие в хлоропластах
ассимилирующих клеток хлорофилла и каротиноидов, содержание
которых варьирует у разных растений. При содержании хлорофилла в
расчёте на 1 дм2 листовой пластинки 2-4 мг и более количество
хлорофилла уже не лимитирует фотосинтез. Листья растений
поглощают при этом практически всю энергию входящего в них света
с длиной волны от 360 до 720 нм и некоторое количество энергии
инфракрасных лучей, пропуская только около 5% энергии (12-15%
обычно отражается). При этом в солнечный полдень 1 м2 пластинок
листьев могут поглотить до 1,5 Мдж (360 ккал) энергии в час. Но в
лучшем случае только 5-10% этой энергии превращается в энергию
химических связей, остальная превращается в тепло и, нагревая
листья, частично уходит в окружающую среду в результате
теплоотдачи. При этом не происходит перегрева листьев, т.к. около
247 кдж (59 ккал) затрачивается на испарение каждых 100 г воды,
которую листья испаряет в большом количестве (в данном примере 1
м2 листовой поверхности, образуя в час при наивысшей освещённости
около 4-6 г органических веществ, может испарять до 500-700 г воды).
Однако
часто,
например,
в
зонах
недостаточного
водоснабжения, у растений формируются листья, строение которых
обеспечивает лучшее снабжение водой, а иногда даже большее её
испарение, что увеличивает так называемую сосущую силу. При
временных нарушениях водного баланса в листьях активизируются
регуляторные системы - движения устьиц, сокращения водоотдачи
клетками и т.д., что одновременно ведёт к ослаблению интенсивности
газообмена, а следовательно, и фотосинтеза. Сохранению воднотеплового баланса на оптимальном уровне способствуют также
51
восковой налёт на листьях, опушённость эпидермиса, сокращение
числа устьиц, утолщение листа в результате сильного развития
хорошо оводнённой ткани, превращение листьев в колючки, чешуи и
т.п. (функцию фотосинтеза выполняют при этом содержащие
хлорофилл стеблевые органы). Редуцированы листья и у многих
растений-паразитов, которые питаются органическими веществами не
за счёт фотосинтеза, а добывая их через присоски у растений-хозяев.
Однако не отдельный лист и не одиночное растение, а их
совокупность в естественных или культурных фитоценозах как
целостных фотосинтезирующих системах обеспечивает наилучшее
использование фотосинтетическим аппаратом листа потоков
приходящей на поверхность Земли энергии солнечного света, CO2 из
воздуха и факторов почвенного плодородия, а следовательно, и
наивысшую продуктивность. При благоприятных условиях
фитоценозы большинства растений практически могут поглощать всю
энергию входящего в них света и давать максимальную продукцию,
образуя оптимальную площадь поверхности листьев – 4-5 м2 на 1 м2
занимаемой ими площади земли. Отсюда следует, что получение
посевов и посадок растений с оптимальной площадью листьев и
динамикой её формирования - важнейшая задача повышения
продуктивности растений.
Эта задача решается по-разному, но на основе общих
закономерностей фотосинтетической деятельности листьев растения в
фитоценозах. Таким образом, через фотосинтез, осуществляемый
преимущественно в листьях, реализуется биосферная функция
зелёных растений, которые поглощают солнечную энергию, используя
её на биосинтез органического вещества. Через процессы фотосинтеза
и дыхания листья также поддерживают баланс O2 и CO2 в воздухе,
через транспирацию они участвуют в круговороте воды на Земле.
4.1.2 Стебель
Стебель (caulis) - это осевой орган высших растений, вместе с
листьями составляющий побег, он служит для передвижения воды и
веществ
между
корнями
и
листьями,
для
увеличения
ассимилирующей поверхности растения путём ветвления и
упорядоченного расположения листьев, а также цветков и плодов;
может участвовать в накоплении воды и запасных питательных
веществ, в фотосинтезе. Участки стебля, от которых отходят боковые
органы (ветви, листья и др.), называются узлами, участки между
узлами - междоузлиями.
Стебли бывают травянистыми и деревянистыми; главный
стебель древесных растений называется стволом. Форма стебля
52
разнообразна:
цилиндрическая
(наиболее
распространена),
трёхгранная (осоки), четырёхгранная (губоцветные), многогранная,
уплощённая (кактусы). По положению в пространстве различают
прямостоячие, лежачие, ползучие, лазающие – рисунок 7 - и другие
стебли, а также надземные и подземные.
1 - прямостоячий; 2 - приподнимающийся; 3 - лежачий; 4 - ползучий;
5 - цепляющийся; б - вьющийся.
Рисунок 7 – Стебли с различным положением в пространстве
Длина стебля разных видов растений находится в пределах от 11,5 мм (пресноводная вольфия) до 200-300 м (тропические пальмыротанги), диаметр от долей мм (мхи) до 10-11 м (баобаб, секвойя).
Стебель растет в длину за счёт деятельности верхушечной меристемы
побега, составляющей конус нарастания. Кроме верхушечного роста,
у некоторых растений в основании междоузлий происходит ещё
интеркалярный (вставочный) рост (например, у злаков).
Стебель имеет сложное устройство – рисунок 8, в нем выделяют
анатомо-топографические зоны: наружную - эпидермис, внутреннюю
- центральный цилиндр, или стелу, и расположенную между ними
зону первичной коры, внутренний паренхимный слой которой
превращен в эндодерму. Последняя граничит с периферической зоной
стелы (представленной паренхимной или механической тканями) перициклом (у некоторых растений его нет).
53
I - общий вид проводящей системы стебля с причленившимся
трехпучковым листовым следом; II - строение стебля в области
трехлакунного узла, III - однолакунного, IV - многолакунного; V пальмовый тип прохождения пучков в стебле однодольных растений;
VI - строение соломины злаков; VII - строение стебля бигнонии с
вдающимися в древисину участками луба; VIII - строение стебля
вистарии, утолщение которого обусловлено несколькими камбиями; 1
- сердцевина; 2 - стела; 3 - листовой след; 4 - пучки листового следа; 5
- листовые прорывы; 6 - флоэмные волокна; 7 - ксилема; 8 - камбий
пучковый; 9 - флоэма; 10 - стебель; 11 - влагалище листа; 12 закрытые коллатеральные пучки; 13 - ассимиляционная паренхима; 14
- воздушная полость; 15 - сосуды ксилемы; 16 - механическая ткань;
17 - сердцевинные лучи; 18 - перидерма; 19 - первичная кора; 20 древесина; 21 - луб.
Рисунок
растений
8 -
Анатомическое строение стебля цветковых
54
Большая часть стелы состоит из проводящих тканей, флоэма
находится снаружи от ксилемы. У лиственных мхов в центре стебля
расположен «проводящий пучок», элементы которого лишь внешне
сходны с проводящими элементами флоэмы и ксилемы. У сосудистых
растений формированию проводящих тканей предшествует развитие
прокамбия. У плаунов ксилема разделена на лентовидные тяжи,
окруженные флоэмой, сердцевины нет.
В стеблях семенных растений встречаются пучковый и
сплошной типы строения проводящей системы, пересечённой
радиально расходящимися паренхимными сердцевинными лучами.
Наружная часть прокамбия дифференцируется в первичную флоэму,
на периферии которой нередко развиваются механические волокна,
внутренняя - в первичную ксилему. Между проводящими тканями
остаётся слой клеток, образующих камбий, который откладывает
наружу элементы вторичной флоэмы - луба, внутрь - вторичной
ксилемы - древесины, обусловливая утолщение стелы.
Строение стебля в зоне узлов отличается от строения средней
части междоузлия наличием листовых и веточных лакун (прорывов).
У двудольных часты трёхлакунные узлы (яблоня), реже встречаются
однолакунные (сирень) и многолакунные (бузина). Наиболее активное
вторичное утолщение свойственно многолетним древесным
растениям, во вторичной древесине которых (а иногда и в лубе)
можно видеть границы годичных приростов. С возрастом вследствие
развития перидерм первичная кора, а позднее и наружная часть луба
отмирают, образуя корку. Для большинства однодольных (см. рис. 1,
V) характерен пальмовый тип прохождения закрытых коллатеральных
пучков, обусловливающих их диффузное расположение на
поперечных срезах.
4.1.3 Корень растения
Корень (radix) - один из основных вегетативных органов
листостебельных растений (за исключением мхов), служащий для
прикрепления к субстрату, поглощения из него воды и питательных
веществ, первичного превращения ряда поглощаемых веществ,
синтеза органических соединений, дальнейшего перемещения их в
другие органы растения, а также для выделения некоторых продуктов
обмена.
У некоторых растений корни. несут дополнительные функции,
например вместилища запасных веществ, а у корнеотпрысковых
растений - органа вегетативного размножения. Корень - осевой орган
растения, по происхождению родственный стеблю: у предков
наземных растений при выходе их на сушу, на нижнем конце
55
спорофита образовались корневище подобные веточки - прототип
корня.
Морфологически корень отличается от стебля отсутствием
листьев,
наличием
чехлика
и
эндогенным
ветвлением
(возникновением боковых корешков во внутренних частях корня - в
перицикле).
Типичный
корень
–
рисунок
9
имеет
узкоцилиндрическую или нитевидную форму.
Рисунок 9 - Корень растения
Зачаток корня существует в зародыше семени, при прорастании
которого он развивается в главный корень. Для корня характерно
акропетальное ветвление (более молодые боковые корни и их зачатки
появляются ближе к верхушке корня). У многих растений, кроме
главного и боковых корней, имеются также придаточные корни.
Внешне они не отличаются от боковых и несут те же функции, но
обычно развиваются на других органах растения - стеблях, листьях,
подземных и надземных видоизменённых побегах (луковицах,
клубнях, корневищах и т. д.), а также на старых корнях.
Образование придаточных корней определяет возможность
вегетативного размножения растений. Кончик корня – рисунок 9 -
56
прикрыт корневым чехликом, защищающим его от повреждений.
Корень растет в длину за счёт деления клеток апикальной
(верхушечной) меристемы, в зоне деления, и значительного роста их в
длину в зоне роста, или растяжения, длина которой обычно равна 1-2
мм (иногда до 10 мм). За зоной роста расположена зона поглощения и
дифференциации; самый поверхностный слой клеток этой зоны
дифференцируется в эпиблему, клетки которой образуют корневые
волоски, увеличивающие поверхность поглощения корневой системы.
в 5-20 раз.
Дифференциация меристемы в первичные постоянные ткани
начинается в зоне роста, но отчётливо выявляется в зоне поглощения
и в т. н. зоне проведения. Первичное анатомическое строение корня
всех семенных растений сходно – рисунок 10. Под слоем клеток
эпиблемы расположена многослойная первичная кора, которая
состоит из тонкостенных живых паренхимных клеток.
слева - эпб - эпиблема, экз - экзодерма, прх - запасающая паренхима
первичной коры; справа - энд - эндодерма, пкл - пропускная клетка,
пц - перицикл, пкс - первичная ксилема, п. фл - первичная флоэма, м.
тк - механическая ткань.
Рисунок
проведения
10 - Поперечный срез корня касатика в зоне
57
У некоторых растений оболочки 1-3 наружных слоев клеток
коры (экзодерма) опробковевают и по отмирании эпиблемы берут на
себя защитную функцию. Самый внутренний слой первичной коры
(эндодерма) состоит из одного слоя клеток, оболочки которых
частично опробковевают или одревесневают и нередко утолщаются;
лишь некоторые клетки остаются мало измененными. Эндодерма
окружает центральный цилиндр, или стель, корня. Один или
несколько наружных слоев его клеток образуют перицикл,
тонкостенные
живые
клетки
которого
долго
сохраняют
меристематическую активность; в нём закладываются боковые корни,
придаточные почки; при его участии осуществляется вторичное
утолщение корня. Большую часть центрального цилиндра занимает
сложный проводящий радиальный пучок, в котором чередуются
элементы ксилемы и флоэмы.
У однодольных растений первичное анатомическое строение
корня сохраняется всю жизнь, у двудольных и голосеменных оно
сменяется вторичным. При этом в центральном цилиндре пучковый
камбий откладывает (между флоэмой и ксилемой) к центру
вторичную ксилему (древесину), а к периферии - вторичную флоэму
(луб). Из межпучкового камбия, находящегося против лучей
первичной ксилемы в перицикле, образуется паренхима первичного
сердцевинного (лубо-древесинного) луча, а пробковый камбий
(феллоген) откладывает кнаружи клетки пробки; она становится
покровной тканью вторично утолщённого корня, а вся первичная кора
сбрасывается. Эти изменения обусловливают разрастание корня в
толщину. Различают ростовые корни, которые быстро растут (в
благоприятных условиях - в среднем от 1 до 3 см в сутки),
утолщаются, рано опробковевают, составляют скелет корневой
системы и в ряде случаев обеспечивают вегетативное размножение
растения, и «сосущие» корни - тонкие, нежные, короткие, медленно
растущие, большей частью недолговечные.
Совокупность корней одного растения называется корневой
системой, общую форму и характер которой определяет соотношение
роста главного, боковых и придаточных корней. При преобладающем
росте главного корня образуется стержневая корневая система; при
слабом росте или раннем отмирании главного и преобладающем
развитии большого числа придаточных корней образуется мочковатая
корневая система – рисунок 11.
58
1, 4 - стержневая; 5 - мочковатая; 2, 3 - корнеплоды (моркови и
свёклы).
Рисунок 11 - Различные формы корней и типы корневой
системы:
Корень у хлебных злаков (ржи, пшеницы) проникают на
глубину 1-1,5 м, у люцерны - до 10 м, у древесных растений могут
углубляться на 10-12 м, хотя обычно твёрдый грунт препятствует
проникновению их глубже 3-5 м. Площадь, занятая корневой
системой одного растения хлебных злаков, достигает в поперечнике
40-60 см, тыквы – 6-8 м, у древесных растений обычно в несколько
раз превышает диаметр кроны, достигая 10-18 м. Суммарная длина
корневой системы однолетнего растения может составлять несколько
километров, а общая поверхность, учитывая поверхность волосков, во
много раз превышает поверхность надземных органов.
По расположению в почве в зависимости от среды обитания
различают корневые системы специализированные (поверхностные
или глубинные) и универсальные, равномерно развивающиеся вширь
и вглубь. Например, в северной лесной зоне на подзолистых почвах,
часто пересыщенных влагой, плохо аэрируемых, с трудно
проницаемой подпочвой, корневая система растений на 90-95%
сосредоточена в поверхностных слоях (10-15 см).
В зоне полупустынь и пустынь у одних растений имеются
только поверхностные корни, которые используют осадки ранней
весны (эфемеры) либо влагу дождей и конденсационную влагу,
59
оседающую в верхних слоях почвы в ночное время (кактусы); у
других корни достигают грунтовых вод (у верблюжьей колючки).
Универсальные корневые системы используют в разное время
влагу разных горизонтов, вследствие чего растения могут расти и
развиваться всё лето (джузгун, саксаул, эфедра). В зонах
недостаточного увлажнения ярко проявляется ярусность в
расположении корней различных видов растений, произрастающих
совместно на одной площади. Соотношение между корневой и
надземными частями растений также зависит от почвенноклиматических условий. В северной влажной зоне масса корневой
системы в 5-10 раз уступает массе надземных частей.
Через корневую систему растения поглощают из почвы главным
образом ионы минеральных солей, а также некоторые продукты
жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и корневые
выделения других растений. Поглощённые корнем соединения азота,
фосфора и серы взаимодействуют с притекающими из листьев
продуктами фотосинтеза с образованием аминокислот, нуклеотидов и
др. органических соединений. По сосудам ксилемы элементы в форме
ионов (калий, кальций, магний, фосфор) или органических молекул
(азот, сера) благодаря действию корневого давления и транспирации
передвигаются в листья и стебли. В корнях синтезируются также
алкалоиды (например, никотин), гормоны роста (кинины,
гиббереллины) и другие физиологически активные вещества.
У некоторых растений, преимущественно семейство бобовых, в
корнях поселяются бактерии, вызывающие образование клубеньков
(из паренхимы корня). Корни растений выделяют в почву ионы
минеральных солей, аминокислоты, сахара, мочевину, фенольные
соединения и другие вещества. У одних растений (например,
семейство паслёновых) корни выделяют также ауксины и вещества
типа гиббереллинов, стимулирующие рост растений, у других студнеобразные вещества, образующие корнезащитные чехлы.
Выделения корневой системы способствуют развитию в ризосфере
почвенных микроорганизмов. С возрастом растения количество
выделений
и
численность
ризосферных
микроорганизмов
уменьшаются. Клубеньковые бактерии играют важную роль в азотном
питании растений и повышении плодородия почвы. На поверхности
или внутри корня многих древесных и травянистых растений
поселяются грибы, образуя микоризу - в таких случаях корневые
волоски на корне. не развиваются.
На корнях многих растений образуются придаточные почки,
дающие надземные побеги (у корнеотпрысковых растений). У ряда
60
растений корни служат местом отложения запасных питательных
веществ. У некоторых деревьев тропических лесов близ основания
стволов или от ветвей отходят боковые или придаточные корни. служащие для опоры и питания, а у лазящих лиан (например, у
плюща) развиваются корни-прицепки.
В тропиках многие эпифиты образуют придаточные воздушные
корни, поглощающие через многослойную поверхностную ткань воду
из атмосферных осадков. У некоторых тропических эпифитных
орхидей, а также у растений семейства подостемоновых листья и
стебли недоразвиты и их вегетативные органы представлены главным
образом плоскими зелёными корнями, выполняющими функции
ассимиляции. У растений, живущих на бедных кислородом почвах
(например, у болотного кипариса, у мангровых деревьев и др.),
имеются дыхательные корни, верхушки которых расположены над
почвой или водой и снабжают подземные органы воздухом.
У некоторых пальм и растений семейства мареновых часть
горизонтальных корней превращается в защитные колючки. Корни
паразитирующих на деревьях растений, например омелы, имеют вид
длинных цилиндрических тяжей, расположенных в коре дерева. У
растений-паразитов (заразиха, повилика и др.) и полупаразитов
(марьянник, погремок и др.) корневая система развивается слабо; при
этом окончания некоторых корней внедряются в виде особых
присосок в тело растения-хозяина, высасывая из него питательные
вещества. У некоторых растений (например, у роголистника,
пузырчатки и др.) корни отсутствуют, что связано со специфическими
условиями их существования.
4.1.3.1 Корневые волоски
Корневая система – динамическое, постоянно обновляющееся
образование. Важным элементом этой системы являются корневые
волоски (pili radicales) - выросты клеток поверхностной ткани
(эпиблемы) поглощающей зоны корня – рисунок 12. Они содержат
пристенный слой протоплазмы, ядро, крупную вакуоль; их тонкие,
легко проницаемые для воды, ослизняющиеся оболочки плотно
склеиваются с комочками почвы. Корневые волоски выделяют в
почву различные вещества, которые переводят труднорастворимые
соединения в легкодоступные растениям формы и способствуют
развитию микрофлоры.
.
61
1 - последовательные стадии образования корневых волосков; 2 поперечный разрез корня с корневыми волосками.
Рисунок 12 - Корневые волоски
Благодаря корневым волоскам осуществляется опора растущей
верхушки корня. Они недолговечны, обычно отмирают через 15—20
дней. Длина волосков. варьирует у разных видов растений от 0,06 до
10 м,. однако суммарная длина, поверхность и число корневых
волосков. у одного растения могут достигать значительной величины
(например, их общая длина одного растения пшеницы около 20 км). С
увеличением влажности почвы и ухудшением её аэрации образование
волосков замедляется; не образуются они и в очень сухой почве.
4.1.3.2 Микориза
Для жизнедеятельности организмам необходимо поддержание
внутренней структуры. Жизнь – это сложный динамический процесс
непрерывной сборки новых структур и утилизации старых. Атомы и
молекулы, из которых состоят клетки организма, постоянно
обновляются, а так как живое вещество – это открытая система,
необходим постоянный поток энергии и строительного материала
внутрь живых систем. С энергетической точки зрения мы данный
вопрос не рассматриваем, ограничиваясь констатацией факта – этот
процесс обеспечивается фотосинтезом. В данном пособии для нас
представляет вопрос организации минерального питания растений, в
62
первую очередь такими жизненно важными (эссенциальными)
элементами как азот – содержание которого в материнской породе
мизерно, а в почве не всегда достаточно, для роста и развития
растений, фосфор – валовое содержание которого в почве
значительно, но он находится в малодоступном для растений
состоянии. Это же относится и к третьему элементу агрономической
тройки удобрений (NPK) –калию.
Важную роль в решении вопроса минерального питания в
природе играет микориза растений. Микориза (от греч. mýkes - гриб и
rhiza - корень), грибокорень – это взаимовыгодное сожительство
(симбиоз) мицелия гриба с корнем высшего растения. Различают
микоризу эктотрофную (наружную), при которой гриб оплетает
покровную ткань окончаний молодых корней и проникает в
межклетники самых наружных слоев коры – рисунок 13, и
эндотрофную (внутреннюю), которая характеризуется внедрением
мицелия (гиф гриба) внутрь клеток – рисунок 14.
Рисунок 13 - Внешний вид эктотрофной микоризы дуба.
Эктотрофная микориза характерна для многих деревьев (дуб,
ель, сосна, берёза), кустарников (ива), некоторых кустарничков
(дриада) и травянистых растений (гречиха живородящая). Молодые
63
корни этих растений обычно ветвятся, окончания их утолщаются,
растущая часть корней окутывается толстым плотным грибным
чехлом, от которого в почву и по межклетникам в корень на глубину
одного или несколько слоев коры отходят гифы гриба, образуя т. н.
сеть Гартига; корневые волоски при этом отмирают.
1 - эпидермис; 2 - кора; 3 - эндодерма; 4 - клубки гиф гриба.
Рисунок 14 - Поперечный разрез эндотрофной микоризы клёна:
У кустарничка арктоуса арктического и травянистого растения
грушанки крупноцветковой гифы гриба проникают не только в
межклетники, но и в клетки коры. В образовании мицелия на корнях
одного растения может участвовать не один, а несколько видов
грибов. Однако, как правило, в растительных сообществах
встречаются лишь определённые грибы-микоризообразователи симбионты данных видов растений.
При развитии эндотрофной микоризы форма корней не
меняется, корневые волоски обычно не отмирают, грибной чехол и
«сеть Гартига» не образуются; гифы гриба проникают внутрь клеток
коровой паренхимы. У растений семейства вересковых, грушанковых,
брусничных и шикшевых гифы гриба в клетках образуют клубки,
позднее перевариваемые растением. В образовании микоризы такого
64
типа участвуют фикомицеты (роды Endogone, Pythium). У растений
семейства орхидных гифы гриба из почвы проникают в семя, образуя
клубки, перевариваемые затем клетками семени. Из грибов такой тип
микоризы свойствен несовершенным (род Rhizoctonia) и реже базидиальным (род Armillaria и др.). Наиболее распространён в
природе - у многих однолетних и многолетних трав, кустарников и
деревьев самых различных семейств - фикомицетный тип микоризы,
при котором гифы гриба пронизывают насквозь клетки эпидермиса
корня, локализуясь в межклетниках и клетках средних слоев коровой
паренхимы.
Микориза оказывает на растение благоприятное воздействие: за
счёт развитого мицелия увеличивается поглощающая поверхность
корня и усиливается поступление в растение воды и питательных
веществ. Грибы - микоризообразователи, способны разлагать
некоторые недоступные растению органические соединения почвы,
вырабатывают вещества типа витаминов и активаторы роста. Гриб же
использует некоторые вещества (возможно, углеводы), извлекаемые
им из корня растения. При разведении леса на почве, не содержащей
грибов - микоризообразователей, в неё вносят в небольших
количествах лесную землю, например при посеве желудей - землю из
старой дубравы.
5 Минеральное питание растений
Организм находится в единстве со средой обитания, из которой
он получает необходимую ему для жизнедеятельности энергию и
субстраты
для
построения
и
динамического
обновления
биологических структур. В данном пособии рассматривается вопрос
формы химических элементов в окружающей растения среде и
способы и пути их поступления в организм растения. Минеральное
питание растений – это процесс усвоения ими из внешней среды ионов
минеральных
солей,
необходимых
для
нормальной
жизнедеятельности растительного организма.
К элементам минерального питания растений относят в первую
очередь макроэлементы N, Р, S, К, Ca, Mg, а также микроэлементы
(Fe, В, Cu, Zn, Mn и др.). В этом списке элементов нет кислорода,
углерода и водорода. Это связано с тем, углерод поступает в
достаточном количестве из атмосферного пула в виде двуокиси
углерода – СО2, водород же поступает в организм растения благодаря
разложению воды, при этом высвободившийся кислород
выбрасывается в окружающую среду. Минеральное питание растений.
65
складывается из поглощения минеральных веществ в виде ионов, их
передвижения по растению и включения в обмен веществ.
Одноклеточные организмы и водные растения поглощают ионы всей
поверхностью, высшие наземные растения - поверхностными
клетками корня, в основном корневыми волосками, о которых
говорилось выше.
Ионы сначала адсорбируются на клеточных оболочках, затем
проникают в цитоплазму через окружающую её липопротеидную
мембрану - плазмалемму. Катионы (за исключением К+) проникают
через мембрану пассивно, путём диффузии, анионы, а также К+ (при
низких концентрациях) - активно, с помощью молекулярных «ионных
насосов», транспортирующих ионы с затратой энергии. Скорость
активного транспорта ионов зависит от обеспеченности клетки
углеводами и интенсивности дыхания, скорость пассивного
поглощения - от проницаемости биологических мембран, разности
концентраций и электрических потенциалов между средой и клеткой.
Проницаемость мембраны для разных ионов неодинакова. Так, для
катиона К+ она в 100 раз выше, чем для Na+, и в 500 раз выше, чем для
анионов.
Поглощённые ионы передвигаются от клетки к клетке через
соединяющие их цитоплазматические перемычки - плазмодесмы. У
высших растений в корне и стебле имеется специальная сосудистая
система для транспорта минеральных веществ и их органических
соединений (синтез которых частично происходит и в корне) в листья.
По мере старения нижних листьев некоторые минеральные вещества
оттекают из них в растущие органы растения, где могут
использоваться повторно.
Каждый элемент минерального питания растений играет в
обмене веществ определённую роль и не может быть полностью
заменен другим элементом. Азот входит в состав белков - основных
веществ цитоплазмы, а также в состав амидов, нуклеиновых кислот,
гормонов, алкалоидов, витаминов (B1, B2, B6, PP) и хлорофилла. Азот
поглощается в форме аниона NO-3 (нитрата) и катиона NH+4
(аммония),
которые
образуются
при
разложении
опада
микроорганизмами почвы.
Молекулярный азот (N2), который является основной составной
частью воздуха (79 %), может усваиваться только некоторыми видами
низших растений. Нитраты с помощью фермента нитратредуктазы
восстанавливаются до аммония. Аммоний соединяется с
органическими кислотами, образуя аминокислоты, которые затем
включаются в белки.
66
Фосфор входит в состав нуклеопротеидов клеточного ядра,
фосфолипидов клеточных мембран, фосфатидов и фосфорных эфиров
сахаров. Особенно важно участие фосфора в фотофосфорилировании,
в процессе которого солнечная энергия, аккумулируемая в форме
богатых энергией связей аденозинтрифосфата (АТФ), используется на
усвоение CO2 из воздуха и образование органических веществ. В
форме макроэргических связей АТФ запасается также энергия,
выделяемая при дыхании за счёт окисления органических веществ,
образуемых в процессе фотосинтеза.
Фосфор поглощается в форме аниона ортофосфорной кислоты
3(PO 4, или фосфата) и включается за сотые доли секунды в
органические соединения в неизменном виде. Вместе с тем в
растениях всегда содержится много неорганического фосфата (его
физиологическое значение не ясно).
Сера, как и азот, входит в состав всех белков, а также пептидов
(глутатион), некоторых аминокислот (цистин, цистеин, метионин) и
эфирных масел. Сера поглощается растениями в форме аниона (SO2-4,
или сульфата), который в клетках восстанавливается, образуя
дисульфидные (—S—S—) и сульфгидрильные (—SH) группы
(последние образуют связи, закрепляющие конфигурацию белковой
макромолекулы). Как правило, сера не является дефицитным
элементом для растений, которые не нуждаются в подкормке
соединениями серы.
Калий поглощается в форме катиона К+ и в такой же форме
остаётся в клетке, не образуя прочных органических соединений. Он
вступает лишь в слабые адсорбционные взаимодействия с белками и в
обменные реакции с органическими кислотами. В отличие от N, Р и S,
непосредственно участвующих в создании органического материала
растительной клетки, калий не является в полном смысле
питательным элементом. Он повышает водоудерживающую
способность цитоплазмы, интенсивность фотосинтеза, отток
ассимилятов, участвует в функционировании устьиц и др.
Кальций и магний поглощаются в форме двухвалентных
катионов: Ca2+ и Mg2+. Основная функция Ca состоит в стабилизации
клеточных структур. Ионы Ca2+ («кальциевые мостики») связывают
между собой молекулы липидов, обеспечивая их упорядоченное
расположение в клеточных мембранах. Соединения кальция с
пектиновыми веществами склеивают оболочки соседних клеток. В
отличие от других элементов минерального питания растений, Ca в
растении малоподвижен. Он практически не реутилизируется и
накапливается в стареющих органах. Ca необходим для поддержания
67
структуры рибосом, в которых происходит синтез белка. Mg входит в
состав хлорофилла, активирует ферменты, переносящие фосфат с
АТФ на молекулу сахара. Железо входит в состав ряда ферментов, в
том числе дыхательных (цитохромов). Оно участвует в синтезе
хлорофилла, хотя и не входит в его состав. Возможно также
минерального питания растений через листья.
Вместе с воздушным питанием (фотосинтезом) минеральное
питание растений составляет единый процесс обмена веществ между
растением и средой. Оно влияет на все физиологические процессы
(дыхание, рост, развитие, фотосинтез, водный режим и т. д.) и, в свою
очередь, зависит от них. Поэтому одно из наиболее успешных средств
управления продуктивностью культурных растений заключается в
регулировании минерального питания растений, поддерживая его в
оптимальном режиме. Обычно это осуществляется с помощью
удобрений.
5.1 Роль азота в питании растений
В живом организме азот является
одним из основных
биогенных элементов, входящих в состав важнейших веществ живых
клеток - белков и нуклеиновых кислот. Однако количество азота в
организме сравнительно невелико - от 1 до 3% на сухую массу.
Незначительно и относительное содержание азота в материнской
породе – основной пул этого элемента – атмосфера. Находящийся в
атмосфере молекулярный азот могут усваивать лишь некоторые
микроорганизмы и сине-зеленые водоросли Значительные запасы
азота сосредоточены в почве в форме различных минеральных
(аммонийные соли, нитраты) и органических соединений (азот белков,
нуклеиновых кислот и продуктов их распада, то есть ещё не вполне
разложившиеся остатки растений и животных).
Растения усваивают азот из почвы как в виде неорганических,
так и некоторых органических соединений. В природных условиях
для питания растений большое значение имеют почвенные
микроорганизмы
(аммонификаторы),
которые
минерализуют
органический азот почвы до аммонийных солей. Нитратный азот
почвы образуется в результате жизнедеятельности открытых С. Н.
Виноградским в 1890 нитрифицирующих бактерий, окисляющих
аммиак и аммонийные соли до нитратов. Часть усвояемого
микроорганизмами и растениями нитратного азота теряется,
превращаясь
в
молекулярный
азот
под
действием
денитрифицирующих бактерий.
68
Растения и микроорганизмы могут усваивать как аммонийный,
так и нитратный азот, восстанавливая последний до аммиака и
аммонийных солей. Микроорганизмы и растения активно превращают
неорганический аммонийный азот в органические соединения азота амиды (аспарагин и глутамин) и аминокислоты.
Как показали Д. Н. Прянишников и В. С. Буткевич, азот в
растениях запасается и транспортируется в виде аспарагина и
глутамина. При образовании этих амидов обезвреживается аммиак,
высокие концентрации которого токсичны не только для животных,
но и для растений. Амиды входят в состав многих белков как у
микроорганизмов и растений, так и у животных. Синтез глутамина и
аспарагина путём ферментативного амидирования глутаминовой и
аспарагиновой кислот осуществляется не только у микроорганизмов и
растений, но в определённых пределах и у животных.
Синтез аминокислот происходит путём восстановительного
аминирования ряда альдегидокислот и кетокислот, возникающих в
результате окисления углеводов (В. Л. Кретович), или путём
ферментативного переаминирования (А. Е. Браунштейн и М. Г.
Крицман, 1937). Конечными продуктами усвоения аммиака
микроорганизмами и растениями являются белки, входящие в состав
протоплазмы и ядра клеток, а также отлагающиеся в виде запасных
белков.
Животные и человек способны лишь в ограниченной мере
синтезировать аминокислоты. Они не могут синтезировать 8
незаменимых аминокислот (валин, изолейцин, лейцин, фенилаланин,
триптофан, метионин, треонин, лизин), и потому для них основным
источником азота являются белки, потребляемые с пищей, т. е., в
конечном счёте, - белки растений и микроорганизмов.
Белки во всех организмах подвергаются ферментативному
распаду, конечными продуктами которого являются аминокислоты.
На следующем этапе в результате дезаминирования органический азот
аминокислот вновь превращается в неорганический аммонийный азот.
У микроорганизмов и особенно у растений аммонийный азот может
использоваться для нового синтеза амидов и аминокислот. У
животных обезвреживание аммиака, образующегося при распаде
белков и нуклеиновых кислот, осуществляется путём синтеза мочевой
кислоты (у пресмыкающихся и птиц) или мочевины (у
млекопитающих, в том числе и у человека), которые затем выводятся
из организма.
С точки зрения обмена азота растения, с одной стороны, и
животные, и человек, с другой, отличаются тем, что у животных
69
утилизация образующегося аммиака осуществляется лишь в слабой
мере - большая часть его выводится из организма; у растений же
обмен азота «замкнут» - поступивший в растение азот возвращается в
почву лишь вместе с самим растением.
5.1.1 Превращения азота в почве
Образующиеся в растениях азотсодержащие органические
соединения по трофическим цепям попадают в организм
гетеротрофов, а также в почву в виде опада, после отмирания
растений и животных. В почве они подвергаются распаду при участии
сапрофагов, минерализуются и используются затем другими
растениями. Конечным звеном разложения являются организмы аммонификаторы, образующие аммиак (NН3). Аммиак включается в
реакции нитрификации, т. е. образования нитритов и их превращения
в нитраты. Таким образом, цикл круговорота азота в почве
поддерживается постоянно.
В то же время часть азота возвращается в атмосферу благодаря
деятельности бактерий - денитрификаторов, разлагающих нитраты до
молекулярного
азота
(N2).
В
результате
бактериальной
денитрификации ежегодно с 1 га почвы улетучивается до 50 — 60 кг
азота.
В составе сухого вещества растений содержание азота не очень
большое, от 1 до 3%. Однако азот входит в состав белков и
нуклеиновых кислот – основных биополимеров клетки, без которых
невозможна жизнь. В почве связанный азот представлен четырьмя
видами соединений: азотом аммонийных солей (NH4+); азотом
нитратов (NО3-); органическим азотом белков и нуклеиновых кислот в
виде остатков распада растений и животных, а также продуктов их
расщепления – аминокислот, пептидов, аминов и амидов, а также
азотом гумуса. Известно, что неорганические формы азота –
аммонийный и нитратный азот, намного лучше усваиваются
растениями, чем его органические соединения. Исключение
составляют вещества, от которых легко отщепляется аммонийный
азот – мочевина, аспарагин и глутамин. Именно почвенные
микроорганизмы минерализуют органический азот почвы, превращая
его в аммиак – то исходное соединение, которое растения
присоединяют к углеводам и образуют аминокислоты и белки.
5.1.2 Круговорот азота
Общая направленность биогеохимического круговорота азота на
планете – накопление его в молекулярной форме N2 в атмосфере,
около 78%. Но живое вещество и почвы противостоят этой тенденции.
70
В биосфере содержится примерно 150 млрд. тонн азота, связанного в
органических соединениях почвенного покрова – 1,5 · 1011 тонн, в
биомассе растений - 1,1 · 109 тонн и биомассе животных – 6,1 · 107
тонн.
Азот входит в состав многих органических соединений, прежде
всего белка. В молекуле белка он образует, прочные амидные связи с
углеродом или соединяется с водородом, присутствуя в виде аминных
или амидных групп. Образование амидных (пептидных) связей (С —
N-связи) является главным механизмом синтеза белковых молекул и
пептидов, составляющих сущность всего живого на Земле.
Схема, отражающая круговорот азота, приведена на рисунке
15.
Рисунок 15 - Схема круговорота азота. Выделены основные
этапы и приведены оценки количества азота, участвующего в
основных потоках. Числа в скобках - тераграммы (Тг = 106 т) в год (по
Ю. Одуму, 1986)
Источником азота для автотрофов являются нитраты (соли
азотной кислоты НNО3), а также молекулярный азот атмосферы. Азот
нитратов через корневую систему растений попадает по проводящим
путям в листья, где используется для синтеза растительного белка.
71
Второй путь, которым азот попадает в организмы - прямая
фиксация азота из атмосферы. Это явление совершенно уникально и
свойственно прокариотам - безъядерным микроорганизмам. До 1950 г.
были известны всего три таксона микроорганизмов, способных
связывать атмосферный азот:
- свободноживущие бактерии родов Azotobacter и Clostridium;
- симбиотические клубеньковые бактерии рода Rhizobium
- сине-зеленые водоросли (цианобактерии) родов Anabaena,
Nostoc, а также другие члены порядка Nostocales.
Затем были обнаружены и другие виды организмов, способных
к фиксации азота из атмосферы; пурпурные бактерии рода
Rhodospirilum, а также почвенные бактерии, близкие к Pseudomonas,
актиномицеты из корневых клубеньков ольхи (Alnus, Ceanothus,
Myrika и другие). Было так же установлено, что сине-зеленые
водоросли рода Anabaena (надо подчеркнуть, что эти водоросли
обладают способностью к гетеротрофному питанию и имеют другие
признаки, позволяющие относить их с одинаковые успехом также к
бактериям) могут быть симбионтами грибов, мхов, папоротников и
даже семенных растений, и способность к фиксации азота является
полезной для обоих участников. Эта способность служит причиной
того, что при выращивании риса и бобовых на одном и том же поле в
течение нескольких лет можно получать хорошие урожаи, не внося
азотных удобрений.
Биохимический механизм прямой фиксации атмосферного
азота осуществляется при участии фермента нитрогеназы,
катализирующей расщепление молекулы азота (N2). Процесс этот
требует значительных затрат энергии на разрыв тройной связи в
молекуле азота. Реакция идет с участием молекулы воды, в результате
чего образуется аммиак (NН3), например, в клубеньках бобовых, На
фиксацию I г азота бактерии расходуют около 10 г глюкозы (около 40
ккал), синтезированной в ходе фотосинтеза, т. е. эффективность
составляет всего 10 % , более подробно этот процесс будет
рассмотрен дальше.
Приведенный пример иллюстрирует также выгоду симбиоза
как стратегии «сотрудничества», способствующей выживанию.
Нетрудно прийти к идее перспективности выведения таких сортов
сельскохозяйственных культур, которые, используя симбиоз с
азотфиксирующими микроорганизмами, давали бы хорошие урожаи
без применения удобрений.
Приостановление круговорота азота может происходить
вследствие его накопления в глубоководных океанических осадках.
72
При этом азот выключается из кругооборота на несколько миллионов
лет. Потери компенсируются поступлением газообразного азота при
вулканических извержениях. Ю. Одум полагает, что извержения
вулканов в этом смысле полезны, и, если «блокировать все вулканы на
Земле, то при этом от голода вполне может погибнуть больше людей,
чем страдает сейчас от извержений».
Круговорот азота является примером хорошо забуференного
круговорота газообразных веществ. Он является важным фактором,
лимитирующим или контролирующим численность организмов.
Круговорот азота достаточно подробно изучен. Известно, в частности,
что из 109 т азота, которые ежегодно усваиваются в биосфере, около
80 % возвращается в круговорот с суши и из воды, и лишь 20 %
необходимого количества - это «новый» азот, поступающий из
атмосферы с дождем и в результате азотфиксации. Напротив, из азота,
поступившего на поля с удобрениями, очень небольшая часть
используется повторно; большая же часть теряется с собираемым
урожаем в результате выноса водой и денитрификации.
В
естественных
биогеоценозах,
благодаря
уравновешивающимся составляющим фитоценоза,
складывается
нулевой баланс азота. Он обеспечивается такими процессами, как
разложение растительных остатков и гумуса, синтезом de novo
органических
веществ,
аммонификацией,
денитрификацией,
азотфиксацией.
В агроценозах, когда в экосистеме резко нарушается
биологическое равновесие, ситуация совершенно другая: после
распахивания целинных земель азотфиксация падает, и складывается
отрицательный баланс азота. Земледелие Сибири, где зачастую в
старых агроценозах возделывается монокультура пшеницы без
внесения удобрений, показывает положительный баланс по азоту. Тот
факт, что на этих полях урожай в благоприятные годы достигает 20
ц/га, доказывает, что здесь происходит активная азотфиксация,
частично компенсирующая потери азота за счет урожая
и
денитрификации.
5.2 Роль фосфора в питании растений
Фосфор является необходимым элементом питания растений. Он
входит в состав нуклеиновых кислот, мембран, фосфолипидов.
Фосфор является элементом энергосистемы, входит в состав
макроэргических соединений.
Как запасающее вещество
откладывается в семенах растений. Если в минеральном питании
73
недостает фосфора, то падает активность фотосинтеза, дыхания, так
как нарушается синтез хлорофилла.
Давно
замечено,
что
в
первые
периоды
роста
сельскохозяйственные культуры поглощают фосфаты интенсивнее,
чем в последующие. Фосфорное голодание растений в ранний период
роста накладывает настолько длительный угнетающий эффект, что его
невозможно полностью преодолеть даже нормальным последующим
питанием. Мало того, такие голодавшие в начале развития культуры
реагируют отрицательно на обильное фосфатное питание в
дальнейшем.
Проблема фосфора встает одной из самых острых в земледелии.
Объясняется это двумя основными причинами – дефицитом
геологических запасов этого элемента и быстрым и прочным
связыванием его в почве при внесении с удобрениями. Именно по
этому, усвояемость сельскохозяйственными растениями фосфора
удобрений не превышает 25% и подавляющее его количество
фиксируется почвой, превращаясь в труднодоступные для растений
фосфаты.
5.2.1 Содержание и формы соединений фосфора в почвах
Валовые запасы фосфора в почвах довольно значительны.
Культурные почвы могут содержать 10-20 и даже 30 тонн этого
элемента на гектар пахотного слоя. Однако, он находится в
водонерастворимой, мало доступной для растений форме. Главным
источником фосфора для растений в природных условиях служат соли
ортофосфорной кислоты.
Трехосновная, ортофосфорная кислота может диссоциировать с
образованием трех анионов: H2PО4-, HРО42 - и PО43 -. В условиях
слабокислой реакции почвы, в которых растения чаще всего
возделывают, наиболее распространен первый, но представлен и
второй из перечисленных ионов.
Все соли встречающихся в почве одновалентных катионов
+
(NН4 , Na+, K+) и ортофосфорной кислоты хорошо растворимы в воде
и легко усваиваются сельскохозяйственными культурами. Растворимы
также соли одновалентных катионов и метафосфорной кислоты.
Фосфаты двухвалентных катионов (Са2+, Mg2+) растворимы в воде
лишь в первой ступени замещения у ортофосфорной кислоты и плохо
растворимы даже в этом замещении у метафосфорной кислоты.
Двузамещенные соли двухвалентных катионов и у
ортофосфорной кислоты нерастворимы в воде, но растворимы в
слабых кислотах, в том числе органических, выделяемых корнями в
почву и появляющихся в ней в процессе жизнедеятельности
74
микроорганизмов. Вследствие этих причин двузамещенные соли
двухвалентных катионов ортофосфорной кислоты представляют
важный источник усвояемого фосфора для растений.
Трехзамещенные
фосфаты
двухвалентных
катионов
большинством сельскохозяйственных растений усваиваются гораздо
труднее, так как эти соли отличаются нерастворимостью в воде и
весьма ограниченной растворимостью в слабых кислотах, да и то
преимущественно в свежеосажденном виде, когда они находятся в
аморфном состоянии. По мере же «старения» солей растворимость
'резко падает и доступность их фосфора растениям уменьшается.
Существует, однако, группа культур, способных питаться
фосфором и при наличии в среде только трехзамещенных фосфатов
кальция или естественных фосфоритов в тонкоразмолотом виде. К
ним принадлежат люпин, гречиха, горчица, эспарцет, донник, горох и
конопля. Способность перечисленных растений питаться фосфором
труднорастворимых
фосфатов
прежде
всего
объясняется
кислотностью корневых выделений. Установлено, что в растворе,
окружающем корневые волоски люпина, рН составляет 4-5, а в
аналогичной прикорневой зоне клевера 7-8.
5.2.2 Круговорот фосфора
Резервуаром фосфора, в отличие от азота, служит не атмосфера,
а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые
геологические эпохи. Минеральный фосфор входит в состав многих
горных пород. Он попадает в гидросферу в ходе их гипергенеза,
отлагается в виде осадков на мелководьях, частично осаждается в
глубоководных илах.
У животных фосфор в виде органических соединений (с
белками, в частности) входит в состав костей и других тканей. Он
также играет роль в энергетических процессах запасания энергии
клеток в виде аденозинтрифосфорной и аденозиндифосфорной
кислот. В результате разложения мертвых организмов и
минерализации органических соединений фосфор в виде фосфатов
(солей ортофосфорной кислоты) вновь используется растениями и тем
самым снова вовлекается в круговорот.
Выведение фосфора из круговорота происходит вследствие его
накопления в донных осадках. Круговорот фосфора является
примером
простого
осадочного
цикла
с
недостаточной
«забуференностью» и нарушенными механизмами саморегуляции
вследствие антропогенного воздействия на окружающую среду.
Существует мнение, что механизмы возвращения фосфора в
75
круговорот недостаточны и не возмещают потерь, связанных с
техногенезом.
Деятельность человека по лову рыбы и птиц ведет к нарушению
баланса фосфора. По данным Дж. Хатчинсона, на сушу в результате
рыболовства возвращается всего около 60 000 т элементарного
фосфора. Добывается на удобрения ежегодно 1 - 2 млн т
фосфорсодержащих пород, причем большая часть из этого количества
смывается водой и выводится из кругооборота. В настоящее время
вызывает озабоченность увеличение концентрации фосфатов в
водных экосистемах, что приводит к их интенсивному зарастанию,
деградации экосистем и в конечном итоге к их гибели.
Фосфор широко используется в агротехнике в виде фосфорных
(минеральных) удобрений с целью повышения плодородия почвы и
урожайности сельскохозяйственных культур. Таким образом,
минеральный фосфор попадает в водные и наземные экосистемы вследствие выноса растворенных фосфатов с сельскохозяйственными
сточными водами и стока с полей, где применялись фосфорные
удобрения, а также сброса городских и промышленных сточных вод.
По данным Дж. Хатчинсона, время оборота фосфора в воде
малых озер (площадью 0,3 - 0,4 км2 и глубиной 6 - 7 м) составляет 5,4
- 7,6 суток, а больших (площадью 2 км2, глубиной около 4 м) - 17
суток. Время оборота в донных осадках намного больше и составляет
соответственно примерно 40 и 176 суток. Разница в величине
показателя, по-видимому, объясняется тем, что в малых озерах
отношение поверхности донных осадков к объему воды больше.
Таким образом, в больших, но не глубоководных водоемах фосфор
депонируется, что сильно усложняет борьбу с их зарастанием.
5.3 Роль калия в питании растений
Калий в организме - один из важнейших биогенных элементов,
постоянная составная часть растений и животных. Многие морские
организмы извлекают калий из воды. Растения получают его из
почвы. В отличие от натрия, калий сосредоточен главным образом в
клетках, во внеклеточной среде его во много раз меньше. В клетке
калий также распределён неравномерно.
Ионы калия поддерживают осмотическое давление и
гидратацию коллоидов в клетках, активируют некоторые ферменты.
Метаболизм калия. тесно связан с углеводным обменом, ионы К+
влияют на синтез белков. К+ в большинстве случаев нельзя заменить
на Na+. Клетки избирательно концентрируют К+. Угнетение гликолиза,
дыхания, фотосинтеза, нарушение проницаемости наружной
76
клеточной мембраны приводят к выходу К+ из клеток, часто в обмен
на Na+.
Ферменты фосфорфруктокиназа и пируваткиназа, участвующие
в переносе богатых энергией фосфатных остатков, для проявления
своей активности также требуют катион калия. Калий повышает
активность амилазы, сахаразы и протеолитических ферментов.
Недостаток его приводит к дезорганизации обмена веществ в
растительном организме.
В растении калий, по-видимому, находится в ионной форме. Во
всяком случае, не известны органические соединения, синтезируемые
в организмах, составной частью которых являлся бы катион калия. Не
менее 80% его находится в клеточном соке растений и извлекается
водой. Меньшая часть калия адсорбирована коллоидами и около 1%
поглощается необменно митохондриями в протоплазме. Содержится
он главным образом в протоплазме и вакуолях. В ядре и пластидах
калия нет.
В растениях калий также распределяется неравномерно: в
вегетативных органах растения его больше, чем в корнях и семенах.
Много калия в бобовых, свёкле, картофеле, листьях табака и
кормовых злаковых травах (20-30 г/кг сухого вещества). При
недостатке калия в почвах замедляется рост растений, повышается
заболеваемость. Калий улучшает качество сельскохозяйственной
продукции: повышается накопление сахаров в сахарной свекле и
крахмала в клубнях картофеля. В последнем случае более эффективен
серно-кислый калий. У льна и конопли увеличиваются выход и
качество волокна, у зерновых культур повышается натурный вес
зерна, увеличивается масса 1000 зерен. Значение калия и основные его
функции в жизни растений показаны на рисунке 16.
При калийном голодании снижается устойчивость картофеля,
овощей и сахарной свеклы к грибковым заболеваниям как в период
роста, так и во время хранения в свежем виде. При недостатке калия у
злаковых культур соломина становится менее прочной, хлеба
полегают, а это приводит к снижению урожая, ухудшает
выполненность зерна. Внесение калийных удобрений повышает
содержание водо-растворимых форм калия в почве, подавляет
развитие корневой гнили (Helminthosporium sativum) и снижает
инфекционный потенциал почвы.
Различные сельскохозяйственные культуры потребляют
неодинаковое количество калия. Сравнительно много его потребляют
плодово-ягодные культуры, сахарная свекла, капуста, корнеплоды,
картофель, клевер, люцерна, подсолнечник, гречиха, кукуруза и
77
зернобобовые. Меньше калия требуется для формирования урожая
зерновых культур. В отличие от азота и фосфора калия больше в
вегетативных, чем в репродуктивных органах растений (семенах).
Рисунок 16 - Основные функции калия в жизни растений
Например, в соломе озимой пшеницы, ржи, ячменя калия почти
в 2 раза больше, а в стеблях кукурузы почти в 5 раз больше, чем в
зерне. У некоторых зернобобовых культур калия в зерне много, но
если учесть валовые урожаи зерна и соломы, то, как правило, больше
его выносится с соломой, чем с зерном. В нетоварной части урожая
калия больше, чем в товарном зерне, за исключением зернобобовых
культур – таблица 5
При правильном и полном использовании органических отходов
калий возвращается в почву в больших количествах, чем азот и
фосфор. Однако для создания оптимального калийного питания
растений при высоком уровне азотного и фосфорного, как правило,
78
необходимо вносить в почву промышленные калийные удобрения.
Калий почвы является основным источником его для питания
растений. Валовое содержание его в почве часто намного превышает
содержание азота и фосфора. Это в значительной мере определяется
характером материнской породы.
Таблица 5 - Среднее содержание калия в урожае важнейших
сельскохозяйственных культур, % к общей массе
Культура
Зерно Солома Культура
Зерно Солома
Озимая пшеница 0,50
0,90 Соя
1,26
0,50
Озимая рожь
0,60
1,00 Вика
0,80
0,63
Кукуруза
0,37
1,64 Кормовые бобы
1,29
1,94
Ячмень
0,55
1,00 Синий люпин
1,14
1,77
Овес
0,50
1,60 Лен (семена)
1,00
0,97
Просо
0,50
1,59 Люцерна (сено)
–
1,50
Гречиха
0,27
2,42 Клевер (сено)
–
1,50
Горох
1,25
0,50
В биосфере микроэлементы Rb и Cs сопутствуют калию, и
способны к его замещению, при недостаточных концентрациях
последнего. Ионы Li+ и Na+ - антагонисты К+, поэтому важны не
только абсолютные концентрации К+ и Na+, но и оптимальные
соотношения K+/Na+ в клетках и среде. Естественная радиоактивность
организмов (гамма-излучение) почти на 90% обусловлена
присутствием в тканях естественного радиоизотопа 40K.
Калий, наряду с азотом и фосфором – один из важнейших
элементов минерального питания, нормируемых в агрономии. Норма
калийных удобрений зависит от типа сельскохозяйственной. культуры
и почвы.
5.3.1 Состояние калия в почве
В земной коре его содержится 2,14%. Не меньше его бывает в
осадочных породах, которые являются материнскими для многих
почв. Количество калия в почве в основном определяется ее
гранулометрическим составом. В глинистых и суглинистых почвах
его содержание достигает 2% и более – приложение Б. Это
объясняется тем, что в тяжелых почвах он входит в состав минералов,
представленных главным образом в глинистых частицах. Значительно
меньше калия в песчаных, супесчаных и особенно в торфяных почвах.
Количество его в этих почвах снижается до 0,1%.
По мере увеличения дисперсности частиц гранулометрического
состава почвы содержание калия в ней возрастает. Это можно
79
показать на примере оподзоленной тяжелосуглинистой почвы
Долгопрудной
агрохимической
опытной
станции
им.
Д.Н. Прянишникова и обыкновенного суглинистого чернозема
Института
земледелия
центральночерноземной
полосы
им.
В.В. Докучаева – таблица 6.
Таблица 6 - Содержание калия в
гранулометрического состава почв, %
Крупная Средняя
Почва
пыль
пыль
Дерновоподзолистая
2,54
2,94
Черноземная
1,70
1,96
отдельных
фракциях
Тонкая
пыль
Ил
3,22
2,35
3,11
3,43
Калий илистой фракции наиболее доступен растениям, так как
содержится преимущественно в обменном состоянии. Валовое
содержание калия в почве редко характеризует обеспеченность им
растений, так как в почве бывает лишь около 1% валовых запасов,
доступных растениям. Поэтому об обеспеченности растений калием
на разных почвах нужно судить не по общему процентному
содержанию его в почве, а по соотношению между формами его
соединений. Валовое содержание калия в подпахотном слое дерновоподзолистой почвы и переходных к ней часто бывает более высоким,
чем в пахотном – таблица 7.
По доступности растениям все соединения калия в почве можно
распределить на пять групп:
- калий различных минералов почвы, алюмосиликатов. В этой
форме содержится наибольшее количество калия. Больше его в
ортоклазе, меньше – в мусковите, биотите, глауконите, нефелине и
лейците. Эта форма калия труднодоступна растениям. В 1947 г. были
выделены из почвы бактерии, названные силикатными, способные
разлагать ортоклаз. Некоторые исследователи считают, что они
играют положительную роль в калийном питании растений. Есть
предположение, что часть калия ортоклаза и лейцита как наиболее
стойких к кислотам минералов может переходить в доступную форму
благодаря микоризе некоторых многолетних культур.
Более доступен растениям калий мусковита, биотита и
нефелина. Часть его переходит в усвояемое растениями состояние в
результате обменного разложения с солями почвенного раствора.
Некоторое количество калия этих минералов может переходить в
80
доступное состояние в результате действия на них углекислоты и
некоторых органических кислот, выделяемых корнями растений.
Таблица 7 - Содержание калия в пахотном и подпахотном слоях
различных почв, %
Содержание калия
Почва
Место взятия образца
в слое
А
Б (под(пахотный) пахотный)
Горно-тундровая Хибины
2,87
3,37
ДерновоЛенинградская обл.
3,10
3,78
подзолистая
Серая
Тульская обл.
2,81
3,07
лесостепная
Чернозем
Каменная
степь
2,64
2,13
(Воронежская обл.)
СветлоСеверный Кавказ
2,67
2,38
каштановая
Серозем
Ставропольский край
2,34
2,14
Краснозем
район
Батуми
0,52
0,22
(Аджария)
В зависимости от типа почвы переход калия из необменных
форм в обменные протекает с различной интенсивностью. На
дерново-подзолистых почвах эти величины составляют ежегодно 15–
30 кг/га, на выщелоченных черноземах – около 60 кг/га.
- калий почвенных коллоидов. Эта форма – главный источник
калийного питания растений. В почве его может быть 5–30 мг/100 г.
Количество его в почве в процентах от валового содержания зависит
от типа и подтипа почвы, особенно ее гранулометрического состава.
Например, на супесчаных почвах эта форма калия составляет лишь
0,8%, на суглинистых – 1,5, а на черноземах и сероземах – 1–3%.
Доля калия в сумме поглощенных оснований не может
свидетельствовать о степени обеспеченности им растений. Например,
по данным К.К. Гедройца, в пахотном слое (0–20 см) суглинистых
черноземов (Тульская обл.) калия было 2,7%, а в оподзоленном
суглинке (Смоленская обл.) – 6,1% от всей суммы поглощенных
оснований. Емкость же поглощения в первом случае составила 54,8,
во втором – 6,21 ммоль100г почвы. Поэтому обменного калия в
черноземе было 70,65, а в оподзоленном суглинке – только 17,9 мг/100
г почвы.
81
Одна из важнейших задач агрохимии – установление степени
участия обменного калия почвы в формировании урожая. Растения
используют лишь часть обменного калия в процессе вегетации в
зависимости от свойств почвы, биологических особенностей растений
и погодных условий. Объективные данные о потребности растений в
калийных удобрениях можно получить при использовании
химических методов и постановке массовых полевых опытов в
конкретных почвенно-климатических условиях. Небольшая часть
калия (1–5 мг/кг почвы) находится в почвенном растворе в виде солей
угольной, азотной, фосфорной, серной, соляной и других кислот.
- водорастворимый калий. Содержание этой формы элемента
составляет 1/5–1/10 часть от количества К2О, находящегося в почве в
обменном состоянии. В пахотном слое черноземов его около 0,02–0,06
ммоль/100 г почвы, в солонцеватых почвах – 0,08–0,10, в
дерновоподзолистых – 0,04–0,09 ммоль/100 г почвы. В почвенном
растворе редко содержится более 0,1 ммоль (4,7 мг) К2О/100 г почвы.
В неудобренной дерново-подзолистой почве ТСХА в течение весеннелетнего периода количество водорастворимого калия колебалось от
1,5 до 5 мг/кг почвы, или 4,5–18 кг/га.
Водорастворимый калий наиболее доступен для питания
растений. Появляется он в почве главным образом вследствие
химического и биологического воздействия на почвенные минералы, а
также их гидролиза. Например, минералы могут разрушаться под
воздействием корневых выделений растений, кислых продуктов
жизнедеятельности микроорганизмов, в том числе и азотной кислоты,
накопляемой нитрифицирующими бактериями. Часть калия может
переходить из обменного состояния в раствор в результате
вытеснения его из поглощающего комплекса различными солями, в
том числе и вносимыми в почву удобрениями.
- калий, входящий в состав плазмы микроорганизмов. В
дерново-подзолистой почве количество его достигает 40 кг К2О на
1 га. В доступную форму этот калий переходит лишь после отмирания
микробов. Однако нельзя забывать, что наряду с процессом
отмирания микроорганизмы интенсивно размножаются. А для этого
требуются все питательные элементы, в том числе и калий. Поэтому
трудно судить, какое количество калия выделяется при отмирании
микроорганизмов и доступно растениям, а также поглощается в
процессе их размножения. Эти вопросы пока слабо изучены. Калий
содержится также в растительных, животных, корневых и пожнивных
остатках, навозе и других органических веществах, попадающих в
почву. После их разложения он становится доступным растениям.
82
- калий, фиксированный почвой. В почве протекают не только
процессы превращения калия из труднорастворимых форм в
обменную и водорастворимую, но и процессы закрепления калия в
необменном состоянии, т.е. фиксация его почвой. Этот процесс
активно идет при переменном смачивании и подсушивании почвы.
Почва тяжелого гранулометрического состава, содержащая большое
количество тонкодисперсных фракций, отличается повышенной
фиксацией калия. Особенно активно калий фиксируется при наличии
в почве глинистых минералов группы монтмориллонитов и
гидрослюд, которым свойственна внутрикристаллическая адсорбция
катионов. Каолинитовая же группа глинистых минералов не обладает
этим свойством.
Различные типы почв обладают неодинаковой способностью
закреплять калий в необменном состоянии. Наиболее интенсивно
калий фиксируется в солонцах. Предполагается, что пептизация,
вызываемая подщелачиванием, увеличивает численность коллоидных
частиц в глинистых минералах и тем самым способствует вхождению
катионов калия внутрь их кристаллической решетки. Черноземы
фиксируют калий лучше, чем дерново-подзолистые почвы.
Повышенное количество органического вещества в почве, а
также известкование кислых почв усиливают закрепление калия в
необменной форме. Систематическое внесение калийных удобрений
снижает фиксацию калия почвой, так как фиксирующая способность
почвы не беспредельна. Из всех катионов, имеющих значение в
питании растений, фиксируются аммоний и калий. Фиксация одного
из этих элементов предотвращает и даже исключает фиксацию
другого.
Фиксирующая
способность
почвы
проявляется
до
определенного предела. Фиксация калия почвой резко снижает
коэффициент использования его из вносимых удобрений. Например,
на маршевых (наносных) почвах Голландии фиксируется 21–59%
вносимого на протяжении многих лет калия. В Канаде вследствие
фиксации калия почвой растения использовали лишь 25–48% этого
элемента, вносимого с минеральными удобрениями.
Больше всего фиксированного калия находится в пахотном слое
почвы.
Систематическое
применение
удобрений
повышает
содержание различных форм калия по сравнению с неудобренными
вариантами. Однако характер превращения калия в значительной
степени зависит от почвенных и климатических условий. В дерновоподзолистых и серых лесных почвах заметно повышается количество
обменного калия. Например, в почвах Долгопрудной агрохимической
83
опытной станции за 36 лет оно увеличилось на 8–10 мг/100 г почвы.
Содержание необменного калия возрастало незначительно, что
объясняется отсутствием условий для его фиксации (избыточное
увлажнение, низкая температура, кислая реакция и др.).
Обменный калий при систематическом внесении удобрений на
этих почвах накапливается не только в пахотном, но и в более
глубоких слоях. На черноземах в связи с высокой насыщенностью
двухвалентными катионами обменный калий почти не накапливается.
Преобладает необменное поглощение калия, обусловленное
благоприятными условиями его фиксации (составом глинистых
минералов, отсутствием промывного режима, большим количеством
органического вещества и др.). Увеличение количества необменного
калия обычно наблюдается в пахотном и подпахотном слоях почвы,
достигая значительных величин.
На сероземах систематическое внесение удобрений приводит к
существенному увеличению содержания обменного и необменного
калия. Орошение способствует накоплению обменного и необменного
калия по профилю почвы до глубины 1 м.
Фиксация калия из удобрений на дерново-подзолистых почвах
невелика и редко превышает 200 кг/га. В черноземах поглощение
калия достигает значительных размеров и составляет 300–700 кг К2О
на 1 га. Чем меньше длительность применения удобрений и
количество внесенного калия, тем больше его относительная
фиксация. Очевидно, внесением высоких доз калийных удобрений на
черноземах можно достичь полного насыщения их емкости фиксации
и, не опасаясь закрепления калия, применять получивший в настоящее
время признание способ периодического внесения калийных
удобрений.
5.4 Роль микроэлементов в питании растений
К
микроэлементам
относят
химические
элементы,
присутствующие в организмах в низких концентрациях (обычно
тысячные доли процента и ниже). Термин микроэлементы
применяется и для обозначения некоторых химических элементов,
содержащихся в почвах, горных породах, минералах, водах. Точные
количественные критерии для различения микроэлементов от
макроэлементов не установлены. Некоторые макроэлементы почв и
горных пород (Al, Fe и др.) являются микроэлементами для
большинства животных, растений, человека.
В живых организмах отдельные микроэлементы были
обнаружены ещё в начале 19 в., но их физиологическое значение
84
оставалось неизвестным. В. И. Вернадский установил, что
микроэлементы не случайные компоненты живых организмов и что
их распределение в биосфере определяется рядом закономерностей.
По современным данным, более 30 микроэлементов. считаются
необходимыми для жизнедеятельности растений и животных.
Большинство микроэлементов - металлы (Fe, Cu, Mn, Zn, Mo, Со и
другие), некоторые - неметаллы (I, Se, Br, F, As).
В организме микроэлементы входят в состав разнообразных
биологически активных соединений: ферментов (например, Zn - в
карбоангидразу, Cu - в полифенолоксидазу, Mn - в аргиназу, Mo - в
ксантиноксидазу; всего известно около 200 металлоферментов),
витаминов (Со - в состав витамина B12), гормонов (I - в тироксин, Zn и
Со - в инсулин), дыхательных пигментов (Fe - в гемоглобин и другие
железосодержащие пигменты, Cu - в гемоцианин). Действие
микроэлементов, входящих в состав указанных соединений или
влияющих на их функции, проявляется главным образом в изменении
активности процессов обмена веществ в организмах.
Некоторые микроэлементы влияют на рост (Mn, Zn, I - у
животных; В, Mn, Zn, Cu - у растений), размножение (Mn, Zn - у
животных; Mn, Cu, Mo - у растений), кроветворение (Fe, Cu, Со), на
процессы тканевого дыхания (Cu, Zn), внутриклеточного обмена и т.
д. Для ряда обнаруженных в организмах микроэлементов (Sc, Zr, Nb,
Au, La и некоторых других) неизвестно их количественное
распределение в тканях и органах и не выяснена биологическая роль.
Микроэлементы в почвах входят в состав различных
соединений,
значительная
часть
которых
представлена
нерастворимыми или трудно растворимыми формами и лишь
небольшая - подвижными формами, которые могут усваиваться
растениями. На подвижность микроэлементов и их доступность
растениям большое влияние оказывают кислотность почвы,
влажность, содержание органического вещества и другие условия, а
также активность микроорганизмов.
Содержание микроэлементов в почвах различных типов
неодинаково. Например, подвижными формами В и Cu богаты
чернозёмы (0,4-1,5 и 4-30 мг в 1 кг почвы) и бедны дерновоподзолистые (0,02-0,6 и 0,1-6,7 мг в 1 кг), недостаток Mo ощущается в
лёгких, Со - в кислых дерново-подзолистых почвах, Mn - в
чернозёмах, Zn - в бурых и каштановых почвах. Недостаток или
избыток микроэлементов в почве приводит к дефициту или избытку
их в растительном и животном организме. При этом происходят
изменения характера накопления, ослабление или усиление синтеза
85
биологически активных веществ, перестройка процессов межуточного
обмена, выработка новых адаптаций или развиваются расстройства,
ведущие к так называемым эндемическим заболеваниям человека и
животных.
Например, эндемическая атаксия у животных вызывается
недостатком Cu, некоторым избытком Mo и сульфатов, возможно,
также Pb; эндемический зоб у человека и животных - недостатком I;
акобальтозы - нехваткой Со в почве; борные энтериты, осложнённые
пневмониями (у овец), - избытком В. В различных биогеохимических
провинциях эндемическими заболеваниями поражаются обычно 5-20
% поголовья с.-х. животных или популяции того или иного вида. Для
растений также вреден недостаток или избыток микроэлементов.
Так, при недостатке Mo подавляется образование цветков у
цветной капусты и у некоторых бобовых; при недостатке Cu нарушается плодообразование у злаков, цитрусовых и других
растений; при недостатке В - недоразвито цветоложе, отсутствует
цветение (арахис), отмирают бутоны (яблоня, груша), засыхают
соцветия (виноград) и плоды (арахис, капуста); при избытке В
растения поражаются гнилью корневой шейки, заболевают хлорозом,
массовое распространение получает образование галлов. В
провинциях, где концентрация отдельных микроэлементов не
достигает нижних пороговых границ, эндемические болезни удаётся
предупреждать и излечивать добавлением в корм животных
соответствующих микроэлементов, для растений применяют
микроудобрения.
Микроэлементы распределяются в организме неравномерно.
Повышенное их накопление в том или ином органе в значительной
мере связано с физиологической ролью элемента и специфической
деятельностью органа (например, преимущественное накопление Zn в
половых железах и его влияние на воспроизводительную функцию); в
других случаях микроэлементы воздействует на органы и функции, не
связанные с местом его накопления в организме.
6 Удобрения в сельскохозяйственном производстве
К удобрениям относят органические и неорганические
вещества,
содержащие
элементы
питания
растений
или
мобилизующие питательные вещества почвы. В зависимости от
химического состава подразделяются на органические удобрения
(навоз, компосты, зелёное удобрение и др.) и минеральные удобрения
(азотные, фосфорные, калийные, комплексные, известковые,
86
микроудобрения), а по воздействию на питание растений - на прямые
и косвенные. Выделяют также группу бактериальных удобрений.
Удобрения, получаемые непосредственно в хозяйствах, относят
к группе местных, а производимые на химических предприятиях промышленных. Удобрения повышают плодородие почвы (её
питательный, водный, тепловой и воздушный режимы), улучшают
химические, физико-химические, физические и микробиологические
свойства. Многократное внесение удобрений в больших дозах и др.
приёмы окультуривания почвы (обработка, посев трав и т.п.) могут
изменить направление почвообразовательного процесса и привести к
формированию новых почвенных подтипов - антропогенных почв,
отличающихся высоким плодородием.
Применяя удобрения, человек активно вмешивается в
круговорот веществ в природе, создавая, в частности, положительный
баланс питательных веществ в земледелии. При правильном
использовании удобрений, они положительно влияют на рост,
развитие растений и в конечном итоге на урожай и качество
продукции. Эффективность удобрений зависит от биологических
особенностей с.-х. культур, содержания элементов питания в почве и
её влажности, реакции почвенного раствора и т.п. Большие прибавки
урожая дают удобрения в условиях орошения. Сочетание удобрений и
полива способствует также более экономному расходованию воды и
питательных веществ растениями. Обеспеченность удобрениями
гектара посевов - один из основных показателей интенсификации
земледелия.
Производство и потребление, и темп роста удобрений постоянно
растут, если сравнить эти величины 50-70-х годов – таблица 8 с
динамикой этих показателей, последних десятилетий, приведенных на
рисунке 17, виден неуклонный рост их производства и потребления.
Таблица 8 - Мировое производство минеральных удобрений (тыс. т
действующего вещества - N, P2O5 и K2O)
Удобрения
Годы
азотные
фосфорные калийные
всего
(N)
(Р2О5)
(К2О)
(NPK)
1950
4382
6120
4315
14817
1955
7106
8719
6915
22740
1960
10564
10703
8668
29935
1965
18788
15669
12678
47135
1970
31911
21286
17564
70761
1972
36060
23906
19795
79761
87
Рисунок 17 - Потребление и темп роста удобрений
На рисунке 18 показана структура потребления удобрений в
2006 году по оценке IFA. Как видно из диаграммы, более половины
потребляемых минеральных удобрений составляют азотные
удобрения – 59%. На долю фосфорных удобрений приходится
четверть производимых удобрений – 24%, 17% - составляет
производство калийных удобрений.
Рисунок 18 - Структура потребления удобрений в 2006 году
(оценка IFA) (по материалам Интернет)
88
6.1 Азотные удобрения
Азотные удобрения - это минеральные и органические вещества,
применяемые
как
источник
азотного
питания
растений.
Подразделяются на органические удобрения (навоз, торф, компост),
содержащие, кроме азота, и другие элементы питания растений и
минеральные удобрения, выпускаемые промышленностью, а также
сидераты или зелёные удобрения (люпин, сераделла и др.).
Азотные удобрения применяли уже в глубокой древности. В
землепашестве разных стран широко использовали навоз. В поливном
земледелии Средней Азии давно известно зелёное удобрение.
Значительно позднее стали применять минеральные удобрения,
первым из которых были натриевая селитра, добываемая с середины
19 в. из природных залежей в Чили (Южная Америка). Потребление её
в 1900 составляло около 300 тыс. т (в пересчёте на азот). В
последующие годы промышленность стала выпускать сульфат
аммония, цианамид кальция и кальциевую селитру.
К 1913 мировое производство азотных удобрений достигло
почти 700 тыс. т – 700*103 т (в пересчёте на азот). Освоение в
промышленном масштабе синтеза аммиака из азота воздуха и
водорода (1914 - 18) позволило резко повысить их мировое
производство, которое в 1966 возросло до 19 200 тыс. т (в пересчёте
на азот).
За пять лет, с 2000 года мировое потребление азотных
удобрений увеличилось на 12% и в 2005 году составило 90.86 млн.
тонн – 90,96*106 т. Наиболее значительный прирост потребления
азотных удобрений за 2000-2005 годы обеспечили страны Южной и
Восточной Азии – 18.4% и 22.2% соответственно. За последние три
года сократилось потребление в Западной Европе и Северной
Америке.
В 2006 году увеличение мирового потребления азотных
удобрений оценивается на уровне 2.7%, что несколько меньше по
сравнению с другими видами минеральных удобрений. Основной
движущей силой спроса на удобрения, по прогнозам IFA, останется
Азия. Южная и Восточная Азия обеспечат предположительно
половину общего роста потребления. В перспективе до 2010 года IFA
ожидает увеличение среднегодового прироста потребления азотных
удобрении – не более чем на 1.8% из-за замещения их комплексными
удобрениями и более эффективным их использованием. В ближайшие
годы IFA оценивает превышения предложение удобрений над
спросом, которое в 2010 году может составить 22.5 млн. тонн –
рисунок 19.
89
Рисунок 19 - Потребление и темп роста азотных удобрений (по
данным Интернет)
В минеральных азотных удобрениях азот может находиться в
аммиачной (NHз), аммиачно-нитратной (NH3 и N03), нитратной (NO3)
и амидной (NH2) формах. Среди азотных удобрений важное место
занимаю аммиачные удобрения. К аммиачным удобрениям относятся:
сульфат аммония, хлористый аммоний, бикарбонат аммония, жидкие
аммиачные удобрения. Сульфат аммония и хлористый аммоний
наиболее эффективны на почвах, насыщенных основаниями
(чернозёмы, карбонатные серозёмы, каштановые), которые обладают
способностью нейтрализовать подкисляющее действие этих
удобрений.
Систематическое удобрение сульфатом аммония и хлористым
аммонием кислых почв вызывает повышение кислотности; этот
недостаток может быть устранён известкованием. Аммиачный азот
менее подвержен вымыванию, чем нитратный, поэтому аммиачные
удобрения можно вносить до посева, осенью. Менее пригодны они
для поверхностного (при подкормках озимых) и местного (в рядки,
лунки и гнёзда) внесения. Избыток хлора в хлористом аммонии
отрицательно влияет на размер и качество урожая многих
сельскохозяйственных. культур (картофель, лён, масличные, табак,
виноград и др.). Бикарбонат аммония, обладает щелочной реакцией,
90
но в почве подвергается нитрификации. Среди аммиачных форм
аммиачных удобрений большое значение имеют жидкие удобрения жидкий безводный аммиак, водный аммиак, аммиакаты.
К аммиачно-нитратным удобрениям относятся: аммиачная
селитра (нитрат аммония, азотнокислый аммоний), сульфонитрат
аммония (лейна-селитра, монтан-селитра, нитросульфат аммония).
Аммиачную селитру выпускают преимущественно в гранулированном
виде; она слабо подкисляет почву. Сульфонитрат аммония обладает
относительно высокой подкисляющей способностью.
Нитратные удобрения - натриевая селитра (нитрат натрия,
азотнокислый натрий, чилийская селитра), кальциевая селитра (нитрат
кальция, азотнокислый кальций, известковая селитра, норвежская
селитра), калийная селитра (нитрат калия, азотнокислый калий).
Натриевая селитра - удобрение физиологически щелочное, поэтому
лучше применять его на кислых почвах, особенно под сахарную
свёклу, пшеницу, ячмень и др. чувствительные к почвенной
кислотности культуры. Кальциевую селитру выпускают в
гранулированном виде, обычно с примесью аммиачной селитры; она
также подщелачивает почву. Калийная селитра, кроме азота, содержит
калий и является источником азотно-калийного питания растений.
Вносят её под чувствительные к хлору культуры. Все нитратные
формы азота не поглощаются почвой. В районах избыточного
увлажнения на лёгких почвах со слабой водоудерживающей
способностью нитратные удобрения вымываются, поэтому в качестве
основного удобрения здесь целесообразно применять аммиачные.
Амидные удобрения - мочевина (карбамид), цианамид кальция,
мочевино-формальдегидные удобрения. Наиболее ценна мочевина. В
почве она легко переходит в карбонат аммония; вначале несколько
подщелачивает, а затем слабо подкисляет почву. Цианамид кальция
обладает свойством снижать кислотность почвы. Эффективен на
рыхлых, богатых органическими веществами нейтральных почвах,
если удобряют им осенью. Непригоден для местного внесения.
Цианамид кальция используют также как дефолиант для
предуборочного удаления листьев у хлопчатника. Мочевиноформальдегидные удобрения не вымываются из почвы; они особенно
эффективны в районах избыточного увлажнения и поливного
земледелия. Можно применять высокие дозы этих удобрений,
обеспечив растения азотом на несколько лет. Характеристика
минеральных азотных удобрений приведена в таблице 9.
91
Таблица 9 - Свойства основных минеральных азотных удобрений
Удобрения
Химическая
Среднее
Объёмная Гигроско
формула
содержание масса
пичазота (%)
удобрения ность
(кг/м.*)
Сульфат
(NH4)2S04
20,5-21,5
800
Очень
аммония
слабая
Хлористый
NH4CI
26,0
600
Слабая
аммоний.
Аммиак
NH3
82,3
620
безводный ....
Аммиак
NH3 + Н20
20,0
910
водный......
Аммиачная
селитра
гранулированная NH4NO3
34,7-35,0
820
Очень
сильная
кристаллическая NH4NO3
34,7-35,0
840
Очень
сильная
Натриевая
NaNO3
16,0
1100-I400 Умеренна
селитра
я
Кальциевая
Са(N03)2*2H20 17,0
900-1100
Очень
селитра
сильная
Мочевина
гранулированная (NH2)2CO
46,0
650
Очень
слабая
кристаллическая (NH2)2CO
46,0
650
Очень
слабая
Азотные удобрения - эффективное средство повышения
урожайности
сельскохозяйственных
культур,
особенно
в
нечернозёмной зоне, во влажных районах лесостепи и в зоне
поливного земледелия, где почвы содержат недостаточное количество
азота. Нормы минеральных азотных удобрений зависят от почвенных
условий,
биологических
особенностей
культур,
степени
обеспеченности навозом или другими органическими удобрениями.
Примерные нормы азотных удобрений (в кг на 1 га в пересчёте
на азот): под озимые зерновые культуры, высеваемые по занятому
пару, 40 - 60, по чистому пару 30 - 40; под яровые зерновые 40 - 60;
кукурузу на силос и на зерно в нечернозёмной зоне и северной части
лесостепной зоны 60 - 120, на богатых чернозёмах лесостепи 45 - 60, в
поливных районах 120 - 150; под сахарную свёклу на чернозёмах
92
лесостепи 45 - 60, на серых лесных почвах, оподзоленных чернозёмах
лесостепи и в нечернозёмной зоне 80 - 120, в поливных районах 100 150; под хлопчатник 120 - 140; лён-долгунец 40 - 60; под коноплю 45 90; под картофель 45 - 90; под капусту 90 - 120; под томаты, огурцы 60
- 90; под плодово-ягодные культуры 60 - 100.
Меньшие нормы применяют на почвах, более богатых
природным азотом, а также при одновременном использовании навоза
или других азотсодержащих органических удобрений. При
достаточных уровнях азота в почвах, в обеспеченных влагой районах
нормы удобрений можно увеличить, что, как правило, повышает
урожай и улучшает качество продукции. например, хорошее азотное
питание благоприятствует образованию клейковины в зерне пшеницы,
увеличивает содержание белка в кормовых культурах.
Азотные удобрения используют и как основное удобрение и в
подкормках. Под озимые, высеваемые по чистому пару, их вносят
только в ранневесенних подкормках (30 - 40 кг азота на 1 га) по
мёрзло-талой почве. Под яровые культуры во всех зонах СНГ азотные
удобрения. в полной норме полезно применять до посева, а при
орошении - в несколько приёмов перед поливами.
5.4 Фосфорные удобрения
Минеральные и органические вещества, содержащие фосфор и
используемые для улучшения фосфорного питания растений являются единственным источником пополнения запасов фосфора в
почве.
Фосфорные
удобрения
производятся
в
основном
промышленным путем из горнорудного сырья - фосфоритов и
апатитов. В качестве фосфорных удобрений применяют также
органические вещества, например костную муку, навоз, богатые
фосфором отходы промышленности - фосфатшлак, томасшлак и
другие.
Фосфорные удобрения - первые из минеральных удобрений,
полученные промышленным путем. Суперфосфат впервые стали
вырабатывать в Великобритании в 1842 - до этого в качестве
фосфорных удобрений использовали в основном костную муку.
Мировое производство фосфорных удобрений к 1900 составило
около 1 млн. т (в пересчёте на P2O5). В 20 в. (особенно с его
середины) их применение значительно увеличилось – таблица 10.
Однако относительный рост потребления их в сельском хозяйстве
меньше, чем азотных и калийных удобрений, что объясняется
недостаточными запасами фосфатного сырья.
93
Таблица 10. – Мировое потребление в сельском хозяйстве фосфорных
минеральных удобрений, тыс. т P2O5
Страны
1950
1960
1970
1974
Все страны
в том числе:
США
СССР
Франция
КНР
Австралия
ФРГ
Польша
Япония
Бразилия
Индия
Испания
Канада
Великобритания
Италия
5918
9600
18802
24255
1869
532
370
–
331
336
55
232
25
8
126
113
413
247
2427
1088
783
–
536
707
180
440
62
66
275
133
436
389
4145
3184
1684
730
862
857
595
702
237
420
389
284
460
486
4600
4496
2152
1390
1171
917
848
793
725
634
481
480
478
472
За пять лет, с 2000 года мировое потребление фосфорных
удобрений увеличилось на 13% и в 2005 году составило 36.78 млн.
тонн. Значительный прирост потребления за 2000-2005 годы
обеспечили страны Восточной и Южной Азии, Латинской Америки, –
29.3%, 25% и 19% соответственно. За это же время сократилось
потребление в Западной Европе, Океании и странах WANEA – на
17.2%, 7.5% и 7.6%.
В перспективе до 2010 года IFA ожидает увеличение
среднегодового прироста потребления фосфорных удобрений
темпами в 2.6%. Превышение предложения над спросом удобрений
IFA оценивает в ближайшие годы стабильно на уровне 1-2 млн. тонн.
Основными производителями фосфорных удобрений являются
Северная Америка и страны Азии. Основным сырьем для
производства этого вида удобрений служит апатитовый концентрат.
Потребление фосфорных удобрений и темп роста приведены на
графике - рисунок 20
94
Рисунок 20 - Потребление фосфорных удобрений и темп роста
По растворимости фосфорные удобрения разделяют на 3
группы. В водорастворимых удобрениях (простой, двойной и
аммонизированный суперфосфаты) фосфор содержится в виде
одноосновного фосфата кальция Ca(P2O4)2*H2O. Их производят
преимущественно гранулированными и используют для основного и
припосевного (в рядки) внесения. В цитратнорастворимых и
лимоннорастворимых
удобрениях
(преципитат,
томасшлак,
фосфатшлак, обесфторенный фосфат, плавленый фосфат магния)
фосфор находится в виде двухосновного фосфата кальция
CaHPO4*H2O или тетракальциевого фосфата Ca4P2O5. Эти удобрения
применяют для основного внесения под вспашку или культивацию.
В труднорастворимых удобрениях, содержащих фосфор фосфоритная мука, костная мука, фосфор содержится в виде
трикальцийфосфата Ca3(PO4)2. Вносят их как основное удобрение в
повышенных дозах на кислых почвах, в которых труднорастворимые
фосфаты переходят в доступную для растений форму. Все фосфорные
удобрения негигроскопичны, не слёживаются, хорошо рассеваются
туковыми сеялками.
Перспективны
высококонцентрированные
фосфорные
удобрения - полифосфаты аммония, метафосфаты калия, содержащие
95
от 50 до 80% P2O5. По эффективности они равноценны, а в ряде
случаев превосходят стандартные формы удобрений, содержащих
фосфор. В США и некоторых странах Западной Европы получают
применение жидкие удобрения, изготовляемые на основе
полифосфорных кислот. Использование этих удобрений позволяет
полностью механизировать их внесение, до минимума сократить
потери, равномерно заделывать в почву, одновременно вносить
микроэлементы и пестициды. Характеристика основных минеральных
фосфорных удобрений приведена в таблице.11.
Таблица 11 – Характеристика основных минеральных удобрений
Удобрения
Химическая формула
Содержание
P2О5, %
Суперфосфат
Са (Н 2 РО 4 ) 2 Н 2 О +
14–19,5
простой
и
2CaSO 4
гранулированный
Суперфосфат
Са (Н 2 РО 4 ) 2 *Н 2 О
45
двойной
гранулированный
Фосфоритная мука
СаF (РО 4 ) 3 + СаОН
19–30
(РO 4 ) 3 + СаСО 3
Преципитат
СаНРO 4 *2Н 2 O
27–35
Фосфатшлак
4СаО*Р 2 O 5 *СaSiO 3
16–19
Томасшлак
4СаО*Р 2 О 5 +
14
4СаО*P 2 O 5 *CaSiO 3
Фосфорные удобрения увеличивают урожай и улучшают его
качество, ускоряют созревание растений, повышают их устойчивость
к полеганию и засухе. Последнее имеет особое значение для
Казахстана, где основные земледельческие районы расположены в
зоне
недостаточного
увлажнения.
Установлена
высокая
эффективность фосфорных удобрений во всех почвенноклиматических зонах страны, при внесении под все с.-х. культуры.
Положительное действие их особенно проявляется на фоне
обеспечения растений азотом и калием
Внесение 60 кг P2O5 (основное удобрение) под озимую пшеницу
даёт дополнительно 2–5 ц с 1 га зерна. В зонах возделывания яровой
пшеницы внесение 60–80 кг P2O5 повышает урожай на 1,5–2,5 ц с 1 га.
В связи с малой подвижностью Ф. у. оказывают последействие в
течение нескольких лет: в засушливых районах 6–8 лет, в зоне
достаточного увлажнения 2–3 года.
96
Дозы фосфорных удобрений зависят от почвенных условий,
особенности культуры, обеспеченности растений элементами питания.
В СССР вносят в качестве основного удобрения (под вспашку или
культивацию) 60–120 кг/га P2O5 и припосевного – 10–40 кг/га P2O5.
Подкормка фосфором, как правило, малоэффективна, за исключением
орошаемых земель.
На орошаемых землях республик Средней Азии и
Азербайджана применение 100–120 кг/га P2O5 под хлопчатник
повышает сбор хлопка-сырца на 3–5 ц с 1 га. В зонах свеклосеяния
60–120 кг/га P2O5 увеличивают урожай сахарной свёклы на 25–50 ц с 1
га и повышают сахаристость корнеплодов на 0,1–0,3%. При
удобрении фосфором в дозе 90 кг/га урожайность картофеля на
дерново-подзолистых и чернозёмных почвах повышается па 25–30 ц с
1 га; при этом содержание крахмала в клубнях возрастает на 0,6–1,2%.
Фосфорные удобрения также эффективны при внесении под другие
скльскохозяйственные. культуры – кормовые, овощные, плодовые
6.3 Калийные удобрения
К калийным удобрениям относят минеральные вещества с
высоким содержанием доступного калия, используемые как источник
калийного питания растений. Обычно это растворимые в воде соли
соляной, серной и угольной кислот, нередко с примесью других
соединений, содержащие калий в доступной для растений форме.
Основным источником калийных удобрений являются залежи
природных калийных солей, первое крупное месторождение которых
открыто в Штасфурте в 40-х гг. 19 в. В последующие годы
промышленность стала выпускать хлористый калий, калийную
селитру, сульфат калия и др.; были открыты залежи калийных солей
во многих странах. К 1913 мировое производство калийных
удобрений составило (в пересчёте на K2O, в млн. т) 1,19, в 1967 - 14,7,
в 1970 - 19.
За пять лет, начиная с 2000 года, мировое потребление
калийных удобрений увеличилось на 20% и в 2005г составило 26.44
млн. тонн. Наиболее значительный прирост потребления калийных
удобрений за 2000-2005 годы обеспечили страны Восточной и
Южной, Северо-восточной и Юго-восточной Азии – 60.6%, 44.4% и
44.3% соответственно. За это же время сократилось потребление в
Западной Европе, Северной Америке и Африке – на 14.6%, 2.9% и
9.3%. В 2006 году увеличение мирового потребления калийных
удобрений оценивается на уровне 4%, что больше по сравнению с
другими видами минеральных удобрений. В перспективе до 2010 года
97
IFA ожидает увеличение среднегодового прироста потребления
калийных удобрений темпами в 3%. Превышение предложения над
спросом удобрений IFA оценивает в ближайшие годы стабильно на
уровне 6 млн. тонн – рисунок 21.
Рисунок 21 - Потребление калийных удобрений и темп роста
Калийные удобрения подразделяют на сырые калийные соли,
получаемые механической переработкой (сортировкой, дроблением и
размолом) природных калийных солей, и концентрированные
удобрения - хлористый калий, сульфат калия, 30%-ные и 40%-ные
калийные соли (смесь тонкоразмолотых природных каинита или
сильвинита с хлористым калием), а также поташ, калимагнезия,
калий-электролит, зола и др. Характеристика основных калийных
удобрений приведена в таблице 12.
Обычно калийные удобрения применяют на фоне фосфорных
или азотных и фосфорных удобрений. Наиболее высокие прибавки
урожая на бедных подвижным калием почвах: торфянистых,
пойменных, супесчаных и легкосуглинистых дерново-подзолистых. В
калийных удобрениях растения нуждаются также на серых лесных
суглинках, оподзоленных и выщелоченных чернозёмах, краснозёмах
влажных субтропиков (при длительном возделывании чайного куста и
цитрусовых культур).
98
Таблица 12 - Свойства основных минеральных калийных удобрений
Удобрение
Химическая Содержание Гигроскоп Слёживае
формула
К2О, %
ичность
мость
Хлористый
KCl
52-60
Заметная
Сильная
калий
30%-ные и
KCl +
30-40
Незначител Заметная
40%-ные
ьная
mKCl *nNaC
калийные
l
соли
Сульфат
K2SO4
45-52
Очень
Отсутству
калия
слабая
ет
Сильвинит
Не менее 14 Незначител Заметная
mKCl *nNaC
l
ьная
Каинит
KCl *MgSO
8-12
Слабая
То же
4 *3H2O
Карналлит
KCl *MgCl2
12-13
Незначител
То же
*6H2O
ьная
Калимагне
K2SO4 *Mg
24-26
Очень
Отсутству
зия
SO4
слабая
ет
КалийKCI и
32
Заметная
Заметная
электролит
примеси
На калий более отзывчивы те растения, которые потребляют
большое количество этого элемента: картофель, овощные, сахарная
свёкла, кормовые корнеплоды, табак, махорка. Лён и конопля, хотя и
выносят немного калия из почвы, но слабо усваивают его, поэтому
выращивание их связано с внесением калийных удобрений.
Калий положительно влияет на качество продукции:
корнеплоды повышают содержание сахара, картофель - содержание
крахмала, прядильные культуры - выход и качество волокна,
кормовые растения - содержание протеина (особенно на фоне азотных
аммиачных удобрений). Кроме того, калийные удобрения. усиливают
стойкость растений к некоторым грибным заболеваниям, а у озимых
хлебов, бобовых трав и многолетних насаждений повышают
морозостойкость и засухоустойчивость.
Эффективность калийных удобрений зависит от содержания в
них сопутствующих элементов - натрия, хлора и других. Так, у
картофеля, табака, винограда, люпина - культур чувствительных к
хлору - повышается качество урожая обычно лишь при внесении
калийной селитры или карбоната калия. Сахарная свёкла и некоторые
99
другие растения положительно реагируют на натрий сырых и
смешанных калийных солей. Поэтому в основных зонах свеклосеяния
сильвинит (содержащий, кроме калия, натрий) даёт большую
прибавку урожая корней и увеличивает их сахаристость значительнее,
чем чистый хлористый калий. Под виноград, гречиху, табак, фасоль,
картофель вносить сырые калийные соли нежелательно. Если эти
культуры удобряют хлористым калием, то его вносят только осенью
под вспашку, с тем чтобы в течение осени и в начале весны не
поглощённый почвой хлор успел в значительной степени
выщелочиться из пахотного слоя. Ещё лучше использовать под эти
культуры калимагнезию, сульфат калия, калийную селитру, печную
золу.
Применение
калийных
удобрений,
предпочтительнее
одновременно с фосфорными, повышает продуктивность лугов и
улучшает качество сена.
Дозы вносимых калийных удобрений зависят главным образом
от почвенных условий, физиологии, особенностей удобряемой
культуры и свойств удобрений. На дерново-подзолистых почвах
вносят (K2O, в кг/га) от 30 до 60 (под коноплю дозу увеличивают до
120), на серых лесных почвах и чернозёмах соответственно 30-60 и
30-45 (под коноплю до 90), на краснозёмах и серозёмах 30-60.
Калийные удобрения применяют обычно как основное
удобрение осенью или весной под вспашку или культивацию.
Подкормка растений калием (если его было недостаточно внесено под
вспашку) получила распространение при возделывании сахарной
свёклы, картофеля, кукурузы, некоторых овощных культур. При этом
лучше калий использовать вместе с азотными и фосфорными
удобрениями, внося их в междурядья растениепитателями на глубину
не менее 10-12 см (из расчёта 20-30 кг/га K2O).
Мелкая заделка в почву калийных удобрений, при подкормке
растений
не
даёт
положительных
результатов.
Поэтому
подкармливать калием культуры сплошного сева (зерновые,
зернобобовые, травы) нецелесообразно. Каждый центнер K2O,
внесённый в виде калийных удобрений, обеспечивает в среднем
следующую прибавку урожая (в ц): хлопка-сырца 1-2, сахарной
свёклы 35-40, картофеля 20-33, льноволокна около 1,5, зерна озимых
3-5, яровых 2-3, сена сеяных трав 20-33, лугового сена 8-18.
Длительность последействия калийных удобрений 3-4 года.
100
7 Взаимодействие микроорганизмов и растений
Взаимодействие микроорганизмов с растениями можно
классифицировать по различным типам взаимодействия от
паразитизма до симбиоза. Ярким проявлением симбиоза является
взаимовыгодное взаимодействие между бобовыми и некоторыми
другими
группами
растений
и
азотфиксирующими
микроорганизмами. Важно отметить, что взаимно полезное
взаимодействие
наблюдается
между
растениями
и
микроорганизмами, способствующими переходу фосфора в доступное
для растений состояние и обеспечивающих минеральное питание
другими элементами.
7.1 Азотфиксация микроорганизмами
Среди элементов минерального питания, необходимых
растениям в достаточно больших количествах, но находящихся в
малодоступном состоянии выделяются азот, фосфор и калий, обычно
обозначаемые в агрономии как NPK. В естественных ценозах, при
наличии абиогенных факторов развития важную роль в переводе этих
элементов в состояние, доступное для растений, играют
микроорганизмы. Основной пул азота находится в атмосфере, а
фосфор и калий содержатся в практически нерастворимом состоянии
в земной коре. Обычно, если речь идет о биологической фиксации
азота, говорят о симбиозе клубеньковых микроорганизмов и корней
бобовых растений. Однако биофиксаторы азота распространены в
разных средах, как в симбиозе с растительными организмами, так и в
свободном состоянии.
В земной коре общее содержание азота (молекулярного и в виде
соединений) достигает всего 0,04% (по массе). Основная масса азота
на Земле находится в атмосферном воздухе; 78% воздуха – это чистый
молекулярный азот. В количественном выражении это составляет
4*1015 т. Ни человек, ни животные, ни растения не могут потреблять
молекулярный азот, которым изобилует воздушный океан. Как
отмечает В. Шильникова - столб воздуха над одним гектаром земной
поверхности содержит 80 000 т азота, в энциклопедии приводится
величина в 70 000 т свободного азота, в любом случае это настолько
значительная величина, так если бы растения могли его усваивать,
этого запаса было бы достаточно для получения 30 ц зерновых с 1 га в
течение более полумиллиона лет. Однако растениям нужен азот
минеральных соединений, и, несмотря на обилие молекулярного
азота, они могут испытывать «азотный голод».
101
Содержание доступного растениям азота в почве обычно
невелико. Поэтому повышение урожайности сельскохозяйственных
растений связано в первую очередь с улучшением их азотного
питания. По примерным подсчетам на 70-е годы прошлого века, для
сельскохозяйственной продукции земного шара было необходимо
ежегодно около 100 - 110 млн. т азота, но с минеральными
удобрениями вносилось лишь около 30% азота. Как было показано
выше, в настоящее время потребление азота начало достигать величин
достаточных 40 лет назад.
Существуют две группы микроорганизмов
фиксирующих
атмосферный азот. Одна из них находится в симбиозе с высшими
растениями, образуя клубеньки на корнях. К этой группе относятся
клубеньковые бактерии. Микроорганизмы другой группы обитают в
почве независимо от растений. К ним относятся азотобактер,
клостридиум,
бейеринкия
и
другие
свободноживущие
микроорганизмы. Потенциальные возможности симбиотических
азотфиксаторов, в переводе азота в связанное состояние, значительно
выше, чем свободноживущих. Некоторые азотфиксаторы показаны на
рисунке 22.
1 - Azotobacter vinelandii; 2 - Clostridium pasterianum; 3 - Rhizobium
meliloti; 4 - клубеньковые бактерии в клетках корня ольхи.
Рисунок 22 - Азотфиксирующие микроорганизмы
102
7.1.1 Открытие азотфиксирующих бактерий
Проблема биологического азота возникла с развитием
земледельческой культуры. Издавна из практической агрономической
деятельности человека было известно, что бобовые растения
повышают плодородие почвы. Еще в III - I вв. до н. э. об этом писали
исследователи Теофраст, Катон, Варрон, Плиний и Вергилий. Первое
научное объяснение способности бобовых растений накапливать азот
принадлежит агрохимику Дж. Буссенго (1838). Он установил, что
люцерна и клевер обогащают почву азотом, зерновые же и
корнеплоды истощают. Эти факты он связал со способностью
бобовых растений фиксировать азот из воздуха. Однако Буссенго
считал, что агентом фиксации являются листья бобового растения.
Именно это неправильное заключение через 15 лет привело Буссенго
к отрицанию своего открытия.
Стремясь более веско доказать правоту своей мысли, Буссенго
провел серию опытов. В отличие от проводимых им ранее
экспериментов он на прокаленном песке выращивал теперь уже не
проростки бобовых растений, пересаженных с поля, а тщательно
промытые семена (люпин и бобы); сосуды с растениями помещались
при этом под стеклянный колпак. В таких условиях обогащения
растений «воздушным азотом» не произошло. Сейчас это понятно и
легко объяснимо. Именно тщательность постановки опыта, которая
исключала возможность заражения корневой системы проростков
клубеньковыми бактериями, привела Буссенго к результатам,
опровергшим прежние его данные. Считая, тем не менее, последние
опыты более достоверными и не предполагая даже о существовании
клубеньковых бактерий, он признал результаты прежних опытов
ошибочными и отрекся от них.
Понадобилось еще несколько десятилетий, прежде чем удалось
установить, что молекулярный азот бобовые растения фиксируют
только в симбиозе с микроорганизмами, вызывающими образование
клубеньков на их корнях. Огромный опыт, накопившийся к
настоящему времени, свидетельствует о большой роли бобовых
растений в плодородии почв. Прянишников указывает, что после
введения в Европе севооборотов с посевом клевера средняя
урожайность зерновых повысилась с 7 до 17 ц на 1 га. В Московской
сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева урожаи ржи в
шестипольном севообороте с клевером однолетнего пользования на
протяжении 50 лет без внесения минеральных удобрений сохраняются
на уровне 14 га на 1 га, а без клевера урожай достигает лишь 7 ц. На
103
более плодородных почвах при хорошей агротехнической обработке
бобовые растения повышают урожайность еще больше.
Поэтому не удивительно, что в странах с высокоразвитым
земледелием обычно до 20- 25% окультуренной площади занято
бобовыми растениями. При этом одновременно можно получить и
ценный корм - зеленую массу растений, и обогащение почвы азотом.
Бобовые растения играют, по-видимому, главную роль в связывании
молекулярного азота в возделываемых почвах. Однако не все виды
бобовых растений в равной степени обогащают почву. Общее
увеличение количества азота в надземной массе и пожнивных
остатках при культивировании люпина составляет 150-200 кг, клевера
красного - 180 кг, люцерны - 300 кг, донника - 150 кг, зерновых
бобовых - 50 - 60 кг азота в год на 1 га почвы. При этом прибыль азота
в почве для всех перечисленных видов, за исключением зерновых
бобовых, составляет примерно 50-70 кг на 1 га.
В настоящее время известно также свыше 200 различных видов
других растений, для которых способность фиксировать азот в
симбиозе с микроорганизмами, образующими клубеньки на корневой
системе или на их листьях, вполне доказана. Большинство из них
относится к деревьям и кустарникам.
Около 80 лет назад С. Н. Виноградский выделил из почвы
анаэробную бактерию Clostridium pasteurianum, фиксирующую
газообразный азот. Несколько позднее М. Бейеринк открыл аэробную
азотфиксирующую бактерию Azotobacter. В дальнейшем список
азотфиксаторов пополнился новыми видами микроорганизмов представителей других систематических групп. Деятельность всех
свободноживущих азотфиксирующих бактерий в почве ограничена
недостатком органических веществ. Поэтому они и не могут
обеспечить значительного накопления азота (в среднем они
накапливают не более 5 кг азота на 1 га). Их деятельность можно
активировать
внесением
свежего
органического
вещества.
Прянишников считал, что дефицит азота в 13-14 кг на 1 га
компенсируется деятельностью свободноживущих азотфиксаторов и
поступлением соединений азота с дождевыми водами.
7.1.2 Клубеньковые бактерии бобовых
Данные палеонтологии свидетельствуют о том, что самыми
древними бобовыми культурами, имевшими клубеньки, были
некоторые растения, принадлежащие к группе Eucaesalpinioideae. У
современных видов бобовых растений клубеньки обнаружены на
корнях
многих
представителей
семейства
Рарilijоnасеае.
Филогенетически более примитивные представители таких семейств,
104
как Caesalpiniaceae Mimosaceae, в большинстве случаев клубеньков не
образуют.
Из 13 тысячи видов входящих в 550 родов бобовых растений,
наличие клубеньков выявлено пока только приблизительно у 1300
видов (243 рода) на рисунке 23 показаны некоторые представители
азотфиксаторов. Сюда в первую очередь относятся виды растений,
использующиеся в сельском хозяйстве. После формирования
клубеньков, бобовые растения приобретают способность усваивать
атмосферный азот. Однако они способны поглощать и связанные
формы азота - соли аммония и азотной кислоты. Лишь одно растение копеечник (Hedysarum coronarium) - ассимилирует только
молекулярный азот. Поэтому без клубеньков в природе это растение
не встречается. Клубеньковые бактерии снабжают бобовое растение
азотом, который фиксируют из воздуха. Растения же, в свою очередь,
поставляют бактериям продукты углеводного обмена и минеральные
соли, необходимые им для роста и развития.
1 – из клубеньков кормовых бобов (увеличение х 300); 2 – из люцерны
(х 7000); 3 – из клевера (х 10000).
Рисунок
23 - Клетки клубеньковых бактерий (по В.
Шильниковой, 1974)
В 1866 г. известный ботаник и почвовед М. С. Воронин увидел в
клубеньках на корнях бобовых растений мельчайшие «тельца». Он
предположил, что образование клубеньков связано с деятельностью
бактерий, а усиленное деление клеток ткани корня с реакцией
растения на проникшие в корень бактерии. 20 лет спустя М. Бейеринк
выделил из клубеньков гороха, вики, чины, фасоли, сераделлы и
лядвенца бактерии и изучал их свойства, проверив способность
заражать растения и вызывать образование клубеньков. Он назвал эти
микроорганизмы Bacillus radicicola. Поскольку к роду Bacillus
105
относятся бактерии, образующие споры, а клубеньковые бактерии
лишены этой способности, А. Пражмовский переименовал их в
Bacterium radicicola. Б. Франк предложил более удачное родовое
название клубеньковых бактерий - Rhizobium (от греч. rhizo - корень,
bio - жизнь; жизнь на корнях). Это название привилось и используется
в литературе до сих пор.
Для обозначения вида клубеньковых бактерий принято к
родовому названию Rhizobium добавлять термин, соответствующий
латинскому названию того вида растения, из клубеньков которого они
выделены и на котором могут образовывать клубеньки. Например,
Rhizobium trifolii - клубеньковые бактерии клевера, Rhizobium lupini клубеньковые бактерии люпина и т. д. В тех случаях, если
клубеньковые бактерии способны образовывать клубеньки на корнях
разных видов бобовых растений, т. е. вызывать так называемое
перекрестное заражение, видовое название является как бы
собирательным - в нем отражена именно эта «перекрестно
заражающая» способность. Например, Rhizobium leguminosarum клубеньковые бактерии гороха (Pisum), чечевицы (Lens), чины
(Lathyrus).
7.1.2.1 Морфология и физиология клубеньковых бактерий
Для клубеньковых бактерий характерна полиморфность разнообразие форм. На это обращали внимание многие исследователи,
изучая, клубеньковые бактерии в чистой культуре в лабораторных
условиях и почве. Они могут быть палочковидными и овальными,
среди них встречаются фильтрующиеся формы, L-формы,
кокковидные - неподвижные и подвижные организмы.
Молодые клубеньковые бактерии в чистой культуре на
питательных средах обычно имеют палочковидную форму, размер
палочек примерно 0,5-0,9 на 1,2-3,0 мкм, подвижные, размножаются
делением. У палочковидных клеток клубеньковых бактерий клевера
деление
происходит
перешнуровыванием.
С
возрастом
палочковидные клетки могут переходить к почкованию. По Граму
клетки окрашиваются отрицательно, ультратонкая структура их
типична для грамотрицательных бактерий. При старении
клубеньковые бактерии теряют подвижность и переходят в состояние
так называемых опоясанных палочек. Такое название они получили
вследствие чередования в клетках плотных и неплотных участков
протоплазмы. Вероятно, с возрастом бактериальная клетка
наполняется жировыми включениями, не воспринимающими окраску
и вследствие этого обусловливающими исчерченность клетки. Стадия
«опоясанных палочек» предшествует стадии формирования
106
бактероидов - клеток неправильной формы: утолщенных,
разветвленных, сферических, грушевидных и колбовидных - рисунок
24. Термин «бактероиды» ввел в литературу Дж. Брунхорст в 1885 г.,
применив его к необычным по форме образованиям, значительно
более крупным, чем палочковидные клетки бактерий, встречающимся
в тканях клубеньков.
Рисунок 24 - Бактероиды клубеньковых бактерий клевера. Слева
видна клетка со жгутиком. Увел. х16 000. (по В. Шильниковой, 1974)
Бактероиды характеризуются более высоким содержанием
гликогена и жира, чем палочковидные клетки. Бактероиды,
выращенные в искусственных питательных средах и образовавшиеся
в тканях клубенька, физиологически однотипны. Есть мнение, что
бактероиды - это формы бактерий с незавершенным процессом
деления. При незавершенном делении клеток клубеньковых бактерий
возникают дихотомически ветвящиеся формы бактероидов.
Количество бактероидов увеличивается при старении культуры; их
появлению способствуют истощение питательной среды, накопление
продуктов обмена, внесение в среду алкалоидов.
На питательных средах клубеньковые бактерии различных
видов бобовых растений растут с разной скоростью. К
быстрорастущим относятся клубеньковые бактерии гороха, клевера,
люцерны, кормовых бобов, вики, чечевицы, чины, донника,
пажитника, фасоли, нута, лядвенца; к медленнорастущим клубеньковые бактерии люпина, сои, арахиса, сераделлы, маша,
вигны, эспарцета, дрока. Вполне сформировавшиеся колонии
быстрорастущих культур можно получить на 3 - 4-е сутки инкубации,
колонии медленнорастущих - на 7 - 8-е.
107
У клеток клубеньковых бактерий при выращивании на жидких
средах образуются жгутики, нитевидные и четковидные выросты,
длина которых достигает 8 - 10 мкм. Колонии быстрорастущих
клубеньковых бактерий имеют цвет топленого молока, часто
полупрозрачные, слизистые, с ровными краями, умеренно выпуклые,
со временем разрастаются на поверхности агаризованной среды.
Колонии медленнорастущих бактерий более выпуклые, мелкие, сухие,
плотные и, как правило, не разрастающиеся на поверхности среды.
Слизь, вырабатываемая клубеньковыми бактериями, представляет
собой комплексное соединение полисахаридного типа, в состав
которого входят гексозы, пентозы и уроновые кислоты.
Клубеньковые бактерии – микроаэрофилы, то есть развиваются
даже при незначительных количествах кислорода в среде, но
предпочитают, аэробные условия. В качестве источника углерода в
питательных средах клубеньковые бактерии используют углеводы и
органические кислоты, в качестве источника азота - разнообразные
минеральные и органические азотсодержащие соединения. При
культивировании на средах с высоким содержанием азотсодержащих
веществ клубеньковые бактерии могут утратить способность
проникать в растение и образовывать клубеньки, поэтому обычно
клубеньковые бактерии выращивают на растительных экстрактах
(фасолевом, гороховом отваре) или почвенных вытяжках.
Необходимый для развития фосфор клубеньковые бактерии могут
получать из минеральных и органических фосфорсодержащих
соединений; источником кальция, калия и других минеральных
элементов могут служить минеральные соединения.
Для подавления посторонней сапрофитной микрофлоры при
выделении
клубеньковых
бактерий
из
клубеньков
или
непосредственно из почвы рекомендуются питательные среды с
добавлением
кристаллического
фиолетового,
танина
или
антибиотиков. Для развития большинства культур клубеньковых
бактерий требуется оптимальная температура в пределах 24-26°. При
0° и 37°С рост приостанавливается. Обычно культуры клубеньковых
бактерий в условиях лаборатории хранят при пониженных
температурах (2-4 °С).
Многие виды клубеньковых бактерий способны синтезировать
витамины группы В, а также ростовые вещества типа гетероауксина
(бета-индолилуксусная кислота). Все клубеньковые бактерии
приблизительно одинаково устойчивы к щелочной реакции среды (рН
= 8,0), но неодинаково чувствительны к кислой.
108
7.1.2.2 Специфичность и активность клубеньковых
бактерий
Специфичность клубеньковых бактерий может быть узкой
(клубеньковые бактерии клевера заражают только группу клеверов видовая специфичность, а клубеньковые бактерии люпина могут
характеризоваться даже сортовой специфичностью - заражать только
алкалоидные или безалкалоидные сорта люпина). При широкой
специфичности клубеньковые бактерии гороха могут заражать
растения гороха, чины, бобов, а клубеньковые бактерии чины и бобов
могут заражать растения гороха, т. е. все они характеризуются
способностью «перекрестного заражения».
Специфичность клубеньковых бактерий лежит в основе их
классификации. Её возникновение связано с
длительным
приспособлением к одному растению или к группе их и генетической
передачи этого свойства. В связи с этим различная приспособленность
клубеньковых бактерий к растениям имеется и в пределах группы
перекрестного заражения. Так, клубеньковые бактерии люцерны
могут образовать клубеньки у донника. Но, тем не менее, они более
приспособлены к люцерне, а бактерии донника - к доннику.
В процессе инфекции корневой системы бобовых растений
клубеньковыми бактериями большое значение имеет вирулентность
микроорганизмов. Если специфичностью определяется спектр
действия бактерий, то вирулентность клубеньковых бактерий
характеризует активность их действия в пределах данного спектра.
Под вирулентностью подразумевается способность клубеньковых
бактерий проникать в ткань корня, размножаться там и вызывать
образование клубеньков. Большую роль играет не только сама
способность проникать в корни растения, но и скорость этого
проникновения.
Для определения вирулентности штамма клубеньковых
бактерий установливают его способность вызывать образование
клубеньков. Критерием вирулентности любого штамма может
служить то минимальное количество бактерий, которое обеспечивает
более энергичное инфицирование корней по сравнению с другими
штаммами, завершающееся формированием клубеньков.
На рисунке 25 показано влияние разных по активности культур
клубеньковых бактерий на развитие клевера, справа изображено
растение, зараженное неактивной культурой. Эффективное снабжение
растения азотом, способствует ускоренному, по сравнению с
контролем росту и развития растения клевера.
109
Справа - растение, зараженное неактивной культурой.
Рисунок 25 - Влияние разных по активности культур
клубеньковых бактерий на развитие клевера. (по В. Шильниковой,
1974)
7.1.2.3 Инфицирование бобового растения клубеньковыми
бактериями
Для обеспечения нормального процесса инфицирования
корневой системы клубеньковыми бактериями нужно наличие
довольно большого количества жизнеспособных клеток бактерий в
прикорневой зоне. Мнения исследователей в отношении количества
клеток, необходимых для обеспечения процесса инокуляции,
различны. Так, по данным О. Аллена, для инокуляции мелкосеменных
растений требуется 500-1000 клеток, для инокуляции крупносеменных
- не менее 70 000 клеток на 1 семя. По мнению Дж. Винцента, в
момент инокуляции на каждое семя должно приходиться по крайней
мере несколько сотен жизнеспособных и активных клеток
110
клубеньковых бактерий. Имеются данные, что в ткань корня могут
внедряться и единичные клетки.
При развитии корневой системы бобового растения
размножение клубеньковых бактерий на поверхности корня
стимулируется выделениями корня. Продукты разрушения корневых
чехликов и волосков играют также немаловажную роль в обеспечении
клубеньковых бактерий подходящим субстратом. В ризосфере
бобового растения резко стимулируется развитие клубеньковых
бактерий, для злаковых растений такого явления не наблюдается.
На поверхности корня имеется слой слизистого вещества
(матрица), образующийся независимо от наличия в ризосфере
бактерий. Клубеньковые бактерии после инокуляции обычно
устремляются к этому слою и скапливаются в нем благодаря
стимулирующему действию корня, которое проявляется на
расстоянии до 30 мм. В этот период, предшествующий внедрению
клубеньковых бактерий в ткань корня, бактерии в ризосфере очень
подвижны.
О механизме проникновения клубеньковых бактерий в корень
растения существует ряд гипотез. Авторы одной из них утверждают,
что клубеньковые бактерии проникают в корень через повреждения
эпидермальной и коровой ткани (особенно в местах ответвления
боковых корней). Эта гипотеза была выдвинута на основании
исследований Бриля еще в 1888 году, вызвавшего образование
клубеньков у бобовых растений путем прокалывания корней иглой,
погруженной предварительно в суспензию клубеньковых бактерий.
Некоторое подтверждение этому находят у арахиса, у которого
клубеньки располагаются преимущественно в пазухах ответвлений
корней, что наводит на мысль о проникновении клубеньковых
бактерий в корень через разрывы при прорастании боковых корней.
Другая гипотеза обосновывает проникновение клубеньковых
бактерий в ткань корня через корневые волоски рисунок 26. Путь
прохождения клубеньковых бактерий через корневые волоски
признает большинство исследователей.
Кажется убедительным предположение П. Дарта и Ф. Мерсера
(1965) о том, что клубеньковые бактерии внедряются в корень в виде
мелких (0,1-0,4 мкм) кокковидных клеток через промежутки (0,3-0,4
мкм) целлюлозной фибриллярной сети первичной оболочки корневых
волосков. Электронно-микроскопические фотографии – рисунок 27 поверхности корня, полученные методом реплик, и факт мельчания
клеток клубеньковых бактерий в ризосфере бобовых растений
подтверждают это положение.
111
Стрелкой показано движение клеток клубеньковых бактерий к
вершине корневого волоска клевера.
Рисунок 26 - Скопления клубеньковых бактерий вокруг
корневых волосков (по В. Шильниковой, 1974)
Рисунок 27 - Клетки клубеньковых бактерий на поверхности
инфицированного корневого волоска бобового растения (по П. Дарту,
Ф. Мерсеру).
112
Не исключено, что клубеньковые бактерии могут проникать в
корень через эпидермальные клетки молодых верхушек корня. По
мнению Пражмовского (1889), бактерии могут проникать в корень
только через молодую клеточную оболочку (корневых волосков или
эпидермальных клеток) и совершенно не способны преодолевать
химически измененный или опробковевший слой коры. Этим можно
объяснить, что клубеньки обычно развиваются на молодых участках
главного корня и появляющихся боковых корнях.
В последнее время большую популярность получила ауксинная
гипотеза. Авторы этой гипотезы считают, что клубеньковые бактерии
проникают в корень благодаря стимуляции синтеза гетероауксина из
триптофана, имеющегося всегда в корневых выделениях растений. С
наличием гетероауксина связывается искривление корневых волосков,
которое обычно наблюдается при инфицировании корневой системы
клубеньковыми бактериями.
Источником бета-индолилуксусной кислоты в момент
инфицирования растения, очевидно, служат не только растения,
выделяющие через корневую систему триптофан, который многие
виды бактерий, в том числе и клубеньковые, могут переводить в бетаиндолилуксусную кислоту. Сами клубеньковые бактерии, а возможно,
и другие виды почвенных микроорганизмов, живущие в зоне корня,
также могут участвовать в синтезе гетероауксина. Однако действие
гетероауксина неспецифично и вызывает искривление корневых
волосков у разных видов растений, а не только бобовых. В то же
время клубеньковые бактерии вызывают искривление корневых
волосков лишь у бобовых растений, проявляя при этом довольно
значительную избирательность. Если бы рассматриваемый эффект
определялся только (З-индолилуксусной кислотой), то такой
специфики не было бы. Кроме того, характер изменений корневых
волосков под влиянием клубеньковых бактерий несколько иной, чем
под влиянием гетероауксина.
Также отмечают, что в отдельных случаях инфицированию
подвергаются не искривленные корневые волоски. Наблюдения
показывают, что у люцерны и гороха искривляются и закручиваются
60-70% корневых волосков, а у клевера - около 50%. У некоторых
видов клевера эта реакция отмечается не более чем у четверти
заражаемых волосков. В реакции искривления, очевидно, имеет
большое значение состояние корневого волоска. Растущие корневые
волоски
наиболее
чувствительны
к
действию
веществ,
вырабатываемых бактериями.
113
Известно, что клубеньковые бактерии вызывают размягчение
стенок корневых волосков. Однако ни целлюлазы, ни
пектинолитических ферментов они не образуют. В связи с этим было
высказано предположение, что клубеньковые бактерии проникают в
корень благодаря выделению ими слизи полисахаридной природы,
вызывающей синтез растениями фермента полигалактуроназы. Этот
фермент, разрушая пектиновые вещества, влияет на оболочку
корневых волосков, делая ее более пластичной и проницаемой. В
небольших количествах полигалактуроназа всегда присутствует в
корневых волосках и, очевидно, вызывая частичное растворение
соответствующих компонентов оболочки, позволяет клетке
растягиваться.
Некоторые исследователи полагают, что клубеньковые бактерии
проникают
в
корень
благодаря
бактериям-спутникам,
продуцирующим пектинолитические ферменты. Эта гипотеза была
выдвинута на основании следующих фактов. При микроскопировании
корневых волосков многие исследователи отмечали наличие светлого
пятна, около которого скапливаются клубеньковые бактерии. Это
пятно, возможно, является признаком начала мацерации (разрушения)
ткани протопектиназой по аналогии с таким же признаком,
наблюдающимся у растений при многих бактериальных заболеваниях.
Кроме того, установлено, что авирулентные культуры клубеньковых
бактерий
в
присутствии
бактерий,
продуцирующих
пектинолитические ферменты, становятся способными проникать в
корень.
Следует отметить еще одну гипотезу, по которой клубеньковые
бактерии попадают в корень при образовании пальцевидного
впячивания поверхности корневого волоска. Гипотеза инвагинации,
по существу, не может быть отделена от ауксинной или
ферментативной гипотезы, поскольку инвагинация происходит в
результате воздействия либо ауксинного, либо ферментного фактора.
Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня
одинаков у всех видов бобовых растений и состоит из двух фаз. В
первую фазу происходит инфицирование корневых волосков. Во
вторую фазу интенсивно идет процесс образования клубеньков.
Продолжительность фаз различна у разных видов растений: у
Trifolium fragiferum первая фаза продолжается 6 дней, у Trifolium
nigrescens - 3 дня. В некоторых случаях очень трудно обнаружить
границы между фазами. Наиболее интенсивное внедрение
клубеньковых бактерий в корневые волоски происходит на ранних
114
этапах развития растения. Вторая фаза заканчивается в период
массового образования клубеньков. Нередко внедрение клубеньковых
бактерий в корневые волоски продолжается уже и после того, как
клубеньки сформировались на корнях. Эта так называемая избыточная
или
дополнительная
инфекция
происходит
потому,
что
инфицирование волосков не прекращается длительное время. В более
поздние сроки заражения клубеньки обычно размещаются ниже по
корню – рисунок 28.
Рисунок 28 - Схема возникновения инфекционных нитей. В
неискривленном корневом волоске видны две инфекционные нити, в
искривленном - одна разветвляющаяся (по Ф. Бибердорфу).
Тип развития, структура и плотность корневых волосков не
влияют на скорость внедрения клубеньковых бактерий. Места
образования клубеньков не всегда связаны с местами расположения
инфицированных волосков. Проникнув в корень (через корневой
волосок, эпидермальную клетку, места повреждений корня),
115
клубеньковые бактерии далее перемещаются в ткани корня растения.
Наиболее легко бактерии проходят через межклеточные пространства.
Внедриться в ткань корня может или одиночная клетка, или
группа клеток бактерий. Если внедрилась отдельная клетка, она и в
дальнейшем может перемещаться по ткани как одиночка. Путь
инфицирования корня одиночными клетками свойствен растениям
люпина. Однако в большинстве случаев внедрившаяся клетка, активно
размножаясь, образует так называемые инфекционные нити и уже в
виде таких нитей перемещается в ткани растения.
Термин «инфекционная нить» возник на основе изучения
процесса инфицирования в световом микроскопе. Начиная с работ М.
Бейеринка, инфекционная нить стала рассматриваться как слизистая
гифообразная масса с заключенными в нее размножающимися
бактериями. По существу, инфекционная нить - это колония
размножившихся бактерий. Началом ее служит то место, куда
проникла отдельная клетка или группа клеток. Не исключено, что
колония бактерий, а следовательно, и будущая инфекционная нить,
начинает формироваться еще на поверхности корня до момента
внедрения бактерий в корень.
Количество инфицированных корневых волосков значительно
различается у отдельных растений. Обычно инфекционные нити
появляются в деформированных, искривленных корневых волосках.
Однако есть указания, что и в прямых волосках иногда
обнаруживаются подобные нити. Чаще в корневых волосках
наблюдается одна разветвляющаяся нить, реже две. В некоторых
случаях в одном корневом волоске имеется несколько нитей или же в
нескольких имеются общие нити заражения, дающие начало одному
клубеньку – рисунок 29.
Процент инфицированных корневых волосков в общем
количестве деформированных очень низок. Он обычно колеблется от
0,6 до 3,2, изредка достигая 8,0. Доля удачных инфекций еще ниже,
поскольку среди инфекционных нитей имеется много, до 80%, так
называемых абортивных нитей, прекративших свое развитие.
Скорость продвижения нормально развивающихся инфекционных
нитей в растении составляет 5-8 мкм в час. При такой скорости путь
через корневой волосок длиной 100-200 мкм инфекционная нить
может пройти в течение одних суток.
116
1 - сосудистая ткань корня; 2 - корневая эндодерма; 3 - бактёроидная
зона клубенька; 4 - кора клубенька; 5 - сосудистые пучки клубенька; б
- эндодерма сосудистых пучков; 7 - клубеньковая эндодерма; 8 меристема; 9 - верхушечная меристема.
Рисунок 29 - Схема, показывающая связь корня с клубеньком
(по В. Шильниковой, 1974)
7.1.2.4 Этапы развития симбиоза ризобий с бобовыми
Развитие симбиоза можно разделить на три основных этапа преинфекция, инфекция и развитие клубенька, функционирование
клубенька:
1). преинфекция. Происходит взаимное узнавание партнеров и
подготовка к формированию симбиотической системы. Растение в
нано- или пикомолярных концентрациях начинает продуцировать
специфичные флавиноиды, которые активируют гены вирулентности
(Nod-гены) ризобий. Nod-гены кодируют синтез Nod-факторов
(липоолигосахаридов), вызывающих у растения-хозяина скручивание
корневых волосков и образование клубеньковой меристемы.
2) инфекция и развитие клубеньков. В месте резкого сгиба
волоска пектолитические ферменты растения разрушают клеточную
стенку, через которую бактерии и проникают внутрь. Вокруг этих
бактерий образуется полость – инфекционная нить, стенки ее
образованы растительными клетками, а внутреннее пространство
заполнено полисахаридами растения и микросимбионта.
117
3) далее происходит эндоцитоз ризобий из инфекционной нити
внутрь клеток растения-хозяина. В цитоплазме растительной клетки
бактерии
окружаются
специальными
перибактероидными
мембранами (ПБМ), синтезируемыми в основном растительной
клеткой и частично ризобиями. Количество ризобиальных клеток
внутри ПБМ зависит от вида растений: 5-10 – у вигны, фасоли и сои,
по одной – у гороха, люцерны и клевера. Бактериальные клетки,
окруженные общей ПБМ, называются симбиосомой и являются
основной структурно-функциональной единицей симбиоза.
Большинство бобовых образуют внутриклеточный симбиоз с
ризобиями, идущий по механизму «двойного эндоцитоза». Вскоре
ризобии в ПБМ преобразуются в особые симбиотические формы –
бактероиды, имеющие в три-пять раз большие размеры, чем
свободноживущие бактерии. Все это способствует формированию на
поверхности корней клубеньков. Морфология и число клубенька
строго определяется растением-хозяином, что возможно связано с
большой энергоемкостью их образования.
На поздних стадиях симбиоза проявляются такие важные для
селекции растений признаки, как азотфиксирующая активность
(скорость восстановления N2 в NH4+) и симбиотическая
эффективность (способность растений интенсивно развиваться,
используя симбиотрофное питание азотом). Хотя симбиотическая
эффективность в основном определяется азотфиксирующей
активностью клубеньков, но также зависит от совместимости
метаболических систем партнеров и отсутствия активных защитных
реакций растений на проникновение ризобий .
7.1.2.5 Систематика ризобий
Ризобии представляют собой грамотрицательные бактерии,
образующие клубеньки с растениями семейства бобовых. Их
систематика долгое время базировалась на хозяйской специфичности,
проявляемой по отношению к разным видам бобовых растений. Но
применение современных методов таксономии (геносистематика,
нумерический анализ) показало, что систематика ризобий, основанная
на филогенетическом родстве между разными их группами, не всегда
совпадает с традиционной. Клубеньковые бактерии в настоящее время
делят на пять родов: Azorhizobium, Rhizobium Mesorhizobium,
Sinorhizobium
(быстрорастущие)
и
Bradyrhizobium
(медленнорастущие). Данные роды принадлежат к a-подгруппе
протеобактерий, но их различия по культурально-биохимическим
признакам и составу ДНК говорят о полифилетическом
происхождении ризобий, т.е. их дивергенция от «общего предка»
118
произошла задолго до появления бобовых растений. Так как
последние образовались в позднем меловом или раннем третичном
периоде, то, по-видимому, бобовые растения-хозяева и сыграли
основную роль в возникновении бобово-ризобиалього симбиоза.
7.1.2.6
Морфолого-анатомическая
характеристика
клубеньков в их онтогенезе
По способу образования клубеньки бобовых растений
подразделяются на два типа:
- клубеньки возникают при делении клеток перицикла
(корнеродного слоя), обычно расположенных против протоксилемы
(первых по времени образования сосудов) - эндогенный тип
образования клубеньков;
- клубеньки происходят из коры корня в результате внедрения
возбудителя в паренхимные клетки коры и эндодермы (внутреннего
слоя первичной коры) - экзогенный тип образования клубеньков.
В природе преобладает последний тип. Ткани центрального
цилиндра корня принимают участие только в образовании сосудистой
системы клубеньков как эндогенного, так и экзогенного типа.
Несмотря на различные взгляды на природу возникновения
клубеньков экзо- и эндотипов, процесс развития их в основном
одинаков. Однако ни тот, ни другой тип образования клубеньков ни в
коем случае не следует отождествлять с процессом образования
боковых корней, несмотря на то, что существуют и отдельные черты
сходства в их заложении. Так, формирование клубеньков и боковых
корней происходит одновременно и к тому же в одной и той же зоне
корня.
В то же время ряд особенностей развития боковых корней и
клубеньков подчеркивает глубокие различия в типе их формирования.
Боковые корни возникают в перицикле. С первых же моментов
развития они связаны с центральным цилиндром главного корня, от
которого ответвляются центральные цилиндры боковых корней, и
возникают они всегда против луча первичной древесины.
Формирование клубенька, в отличие от бокового корня, возможно в
любом месте. В самом начале формирования клубеньковой ткани
сосудистой связи с центральным цилиндром корня нет, она возникает
позднее. Сосуды обычно формируются по периферии клубенька. Они
связаны с сосудами корня через зону трахеид и имеют собственную
эндодерму.
Различие в характере возникновения клубеньков и боковых
корней особенно четко наблюдается у сераделлы, поскольку коровая
ткань главного корня этого растения - место возникновения первых
119
клубеньков - состоит из относительно небольшого слоя клеток и
клубеньки становятся видимыми очень быстро после инфицирования
корня бактериями. Они образуют сначала выступы уплощенной
формы на корне, что позволяет отличить их от конических выступов
боковых корней. Клубеньки отличаются от боковых корней и рядом
анатомических признаков: отсутствием центрального цилиндра,
корневых чехликов и эпидермиса, наличием значительного слоя коры,
покрывающей клубенек.
Формирование клубеньков бобовых растений происходит в
период, когда корень имеет еще первичную структуру. Оно
начинается с деления коровых клеток, расположенных на расстоянии
2-3 слоев от концов инфекционных нитей. Слои коры, пронизанные
инфекционными нитями, остаются без изменения. В то же время у
сераделлы деление коровых клеток возникает непосредственно под
инфицированным корневым волоском, а у гороха деление клеток
отмечается только в предпоследнем слое коры.
Деление с образованием радиальной структуры ткани
продолжается до внутренних коровых клеток. Происходит оно без
определенного направления, беспорядочно, и в результате этого
возникает меристема (система образовательных тканей) клубенька,
состоящая из мелких зернистых клеток. Разделившиеся клетки коры
изменяются: ядра округляются и увеличиваются в размерах, особенно
увеличиваются ядрышки. После митоза ядра расходятся и, не
принимая первоначальной формы, вновь начинают делиться,
вследствие чего возникает вторичная меристема.
Вскоре в эндодерме и перицикле появляются признаки
начинающегося деления, которое в прежних внешних клетках
происходит главным образом тангентальными перегородками. Это
деление распространяется, наконец, на общий меристематический
комплекс, мелкие клетки которого вытягиваются, вакуоли исчезают,
ядро заполняет большую часть клетки. Образуется так называемый
первичный клубенек, в плазме клеток которого клубеньковые
бактерии отсутствуют, поскольку они на данной стадии еще находятся
внутри инфекционных нитей. В то время как образуется первичный
клубенек, инфекционные нити многократно разветвляются и могут
проходить или между клетками - интерцеллюлярно, или сквозь клетки
- интрацеллюлярно - и вносить бактерии.
Межклеточные инфекционные нити вследствие активного
размножения в них клубеньковых бактерий нередко приобретают
причудливую форму - формируются в виде карманов (дивертикулов)
или факелов. Процесс передвижения инфекционных нитей из клетки в
120
клетку не совсем ясен. По-видимому, инфекционные нити, как
полагает микробиолог Д. Джордан, блуждают в виде голых слизистых
тяжей в межклеточных промежутках растительной ткани до тех пор,
пока вследствие каких-то еще необъяснимых причин не начинают
инвагинировать в цитоплазму примыкающих клеток.
В некоторых случаях инвагинация инфекционной нити
происходит в одну, в некоторых случаях - в каждую соседнюю клетку.
По этим инвагинированным трубчатым полостям (дивертикулам)
перетекает заключенное в слизь содержимое нити. Наиболее
активный рост инфекционных нитей происходит обычно вблизи ядра
растительной клетки. Проникновение нити сопровождается
перемещением ядра, которое продвигается к месту инфекции,
увеличивается, меняет форму и дегенерирует. Подобная картина
наблюдается при грибной инфекции, когда ядро нередко устремляется
навстречу внедрившимся гифам, притягивается к повреждению как к
месту наибольшей физиологической активности, вплотную
придвигается к нити, разбухает и разрушается. По-видимому, это
характерно для ответной реакции растения на инфекцию.
У однолетних растений инфекционные нити возникают обычно
в первый период инфицирования корня, у многолетних - в течение
длительного периода развития.
Бактерии могут высвобождаться из инфекционной нити в разное
время и разными способами. Выход бактерий, как правило, весьма
длительный процесс, особенно у многолетних растений. Обычно
выход бактерий из инфекционной нити в цитоплазму растенияхозяина связывают с внутренним давлением, возникающим
вследствие интенсивного размножения бактерий в нити и экскреции
ими слизи. Иногда бактерии выскальзывают из нити группами,
окруженными слизью инфекционной нити. в виде везикул
(пузыревидных образований). Поскольку везикулы не имеют
оболочек, выход из них бактерий очень прост. В клетки растений
клубеньковые бактерии могут попадать и поодиночке из
межклеточных пространств
Клубеньковые бактерии, вышедшие из инфекционной нити,
продолжают размножаться в ткани хозяина. Размножение их в этот
период происходит делением перетяжкой рисунок - 30. Основная
масса бактерий размножается в цитоплазме клетки, а не в
инфекционной нити. Зараженные клетки дают начало будущей
бактероидной ткани.
121
Рисунок 30 - Размножение клубеньковых бактерий в клубеньке
чины. Увеличение. х 28 000. (по В. Шильниковой, 1974)
Наполняющиеся
быстро
размножающимися
клетками
клубеньковых бактерий растительные клетки начинают усиленно
делиться. В момент митотического деления зараженных клеток
клубеньковые
бактерии
могут
скапливаться
на
двух
противоположных полюсах материнской клетки и пассивно попадать
в дочерние клетки. Каждая из незараженных клеток находится при
этом под сильным стимулирующим воздействием клубеньковых
бактерий и вследствие этого также делится. Благодаря такому
энергично
протекающему
митотическому
делению
меристематических
клеток
осуществляется
распространение
клубеньковых бактерий в ткани клубенька и увеличение объема
бактероидной области.
Инфицированная ткань, состоящая из плотно лежащих и
активно делящихся клеток, имеет сначала форму усеченного конуса. В
дальнейшем вследствие постепенного роста этого конуса и
одновременного деления и развития меристематических клеток ткань
клубенька разрастается, утрачивая конусовидность.
Таким образом, клубенек увеличивается сначала в результате
радиального и тангентального деления коровых клеток, а затем за счет
увеличения их размера и одновременного деления. После того как
растительные клетки полностью заполнятся бактериями, митоз
прекращается. Однако клетки продолжают увеличиваться в размере и
часто сильно вытягиваются. Размер их в несколько раз больше, чем у
122
неинфицированных растительных клеток, которые расположены
между ними в бактероидной зоне клубенька.
Связь молодого клубенька с корнем бобового растения
осуществляется благодаря сосудисто-волокнистым пучкам. Впервые
сосудисто-волокнистые пучки наблюдал М. С. Воронин еще в 1866
году. Время возникновения сосудистой системы в клубеньках
различных видов бобовых растений различно. Так, у клубеньков сои
начало развития сосудистых пучков совпадает с моментом
проникновения клубеньковых бактерий в два слоя коровой
паренхимы. С ростом клубенька проводящая система разрастается,
разветвляется и окружает бактероидную область.
Одновременно с процессом дифференциации сосудистой
системы идет формирование клубеньковой эндодермы из внешнего
слоя первичного клубенька. Затем клубенек округляется, его
периферийный клеточный слой окружается клубеньковой корой.
Корневой эпидермис разрывается, а клубенек продолжает развиваться
и увеличиваться в размерах.
С помощью светового микроскопа на продольных срезах зрелых
клубеньков обычно четко выделяются 4 характерные зоны тканевой
дифференциации: кора, меристема, бактероидная зона и сосудистая
система. Все ткани клубенька дифференцируются в акропетальной
последовательности, так как новые клетки закладываются
меристемой.
Клубеньковая кора - оболочка клубенька, выполняющая
защитную функцию. Кора состоит из нескольких рядов незараженных
паренхимных клеток, величина и особенности которых различны у
разных бобовых культур. Чаще всего клетки коры имеют вытянутую
форму и крупнее по сравнению с другими клетками клубенька. В коре
клубеньков многолетних деревянистых видов часто встречаются
клетки с опробковевшими оболочками, содержащие смолы, танин,
дубильные вещества.
Клубеньковая меристема расположена под клетками коры и
представляет собой зону интенсивно делящихся также незараженных
клеток. Для меристемы клубенька характерны плотно расположенные,
без межклетников, мелкие тонкостенные клетки неправильной формы.
Клетки меристемы клубенька подобны клеткам других типов
меристематической ткани (верхушки корня, верхушки стебля). Клетки
клубеньковой меристемы содержат плотную, тонко гранулированную
цитоплазму с рибосомами, телами Гольджи, протопластидами,
митохондриями и другими структурами. Встречаются небольшие
вакуоли. В центре цитоплазмы расположено крупное ядро с ядерной
123
мембраной, порами и четко выраженным ядрышком. Функции
меристематических клеток заключаются в формировании клеток
клубеньковой коры, бактероидной области и сосудистой системы. В
зависимости от расположения меристемы клубеньки имеют
разнообразную форму: шаровидную (горох, фасоль, сераделла,
арахис) или цилиндрическую (люцерна, вика, чина, акация, клевер)
рисунок 31. Меристема, расположенная отдельными участками по
периферии клубенька, приводит к образованию муфтообразных
клубеньков у люпина.
Клубеньковая меристема функционирует долго, даже во время
некроза клубеньков, когда они уже наполнены лизирующейся
бактероидной массой и разрушенными растительными клетками.
Бактероидная зона клубенька занимает его центральную часть и
составляет от 16 до 50% от общей сухой массы клубеньков. В первый
период формирования клубенька она, по существу, является
бактериальной зоной - рисунок 32, так как заполнена клетками
бактерий, находящихся в бактериальной, а не бактероидной стадии
развития. Тем не менее, принято, когда идет речь о зоне клубеньковой
ткани, содержащей бактерии, называть ее бактероидной. На рисунке
32 показаны клетки клубеньковых бактерий находящиеся вокруг ядра
растительной клетки клубеньков вики.
Бактероидная область клубенька состоит в основном из
инфицированных клубеньковыми бактериями клеток и частично из
смежных с ними неинфицированных клеток, заполненных
пигментами, дубильными веществами, а к осени - крахмалом. В
клубеньках, образованных эффективными штаммами клубеньковых
бактерий, средний относительный объем бактероидной зоны выше,
чем в клубеньках, сформировавшихся при внедрении неэффективных
штаммов.
В некоторых случаях объем бактероидной области достигает
максимума в ранний период жизни клубенька и впоследствии остается
относительно постоянным. Бактероидная зона пронизана густой сетью
инфекционных нитей, а по периферии окружена сосудистоволокнистыми пучками. Форма бактероидов в клубеньках разных
видов бобовых культур может быть разнообразной. Так, у вики, чины
и гороха они двухветвистые или вильчатые. Для клевера и эспарцета
преобладающая форма бактероидов шаровидная, грушеобразная,
вздутая, яйцевидная, для нута округлая. Форма бактероидов фасоли,
сераделлы, лядвенца и люпина практически палочковидная.
124
1, 2 - горох ; 3, 6 (справа) - люпин; 4 - арахис (по Е. Швингхамеру); 5 чина, клевер, вика, 6 (слева) - люцерна (по Я. Дэйту); 7 - разные виды
дикорастущих бобовых растений
Рисунок 31 - Форма клубеньков у бобовых растений: (по А.Р.
Вернеру, Н.Я. Гордиенко)
Рисунок 32 - Клетки клубеньковых бактерий вокруг ядра
растительной клетки клубеньков вики. Увеличение х 20 000. (по В.
Шильниковой, 1974)
125
Бактероиды заполняют большую часть растительной клетки, за
исключением центральной зоны ядра и вакуолей. Так, процент
бактероидов в бактероидной зоне окрашенного в розовый цвет
клубенька составляет 94,2 к общему числу клубеньковых бактерий.
Клетки бактероидов в 3-5 раз больше клеток бактерий – рисунок 33.
1 - увеличение х25 000; 2 – увеличение х15 000.
Рисунок 33 - Переход бактерий в бактероиды и
сформировавшаяся бактероидная ткань (справа) в клубеньках
люцерны. (по В. Шильниковой, 1974)
Бактероиды клубеньковых бактерий представляют особый
интерес в связи с тем, что они являются, чуть ли не единственными
обитателями клубеньков бобовых растений в период интенсивного
связывания ими атмосферного азота. Отдельные исследователи
считают бактероиды патологическими дегенеративными формами и
не связывают процесс азотфиксации с бактероидной формой
клубеньковых бактерий. Большинство исследователей находят, что
бактероиды являются самыми жизнеспособными и активными
формами клубеньковых бактерий и фиксация азота атмосферы
бобовыми растениями осуществляется только при их участии рисунок 34.
Сосудистая система клубенька обеспечивает связь между
бактериями и растением-хозяином. По сосудистым пучкам
транспортируются питательные вещества и продукты обмена.
Сосудистая система развивается рано и функционирует длительное
время. Вполне сформировавшиеся сосуды имеют определенное
126
строение: состоят из трахеид ксилемы, волокон флоэмы, ситовидных
трубок и сопровождающих клеток.
Рисунок 34 - Бактериодная ткань в период активного
функционирования клубеньков клевера (слева увел. х 10 000) и вики
посевной (справа - увел. х 6000). (по В. Шильниковой, 1974)
В зависимости от вида бобовых культур связь клубенька
осуществляется посредством одного или нескольких сосудистых
пучков. Например, у гороха в основании клубенька имеется два
дифференцированных сосудистых узла. Каждый из них обычно
дважды дихотомически разветвляется, и в результате сквозь клубенек
от места второго дихотомического разветвления проходит 8 пучков.
Многие растения имеют лишь один пучок, в то же время у одного
клубенька Sesbania grandiflora в возрасте одного года их удалось
насчитать до 126. Довольно часто сосудистая система клубенька
отделяется с внешней стороны от его коры слоем частично или
полностью
опробковевших
клеток,
получивших
название
клубеньковой эндодермы, соединенных с эндодермой корня.
Клубеньковая эндодерма представляет собой внешний слой
неинфицированной коровой паренхимы, расположенной между
клубеньковой тканью и корневой корой.
У большей части видов растений клубеньки образуются по
описанному типу. Следовательно, образование клубеньков - результат
сложных явлений, начинающихся вне корня. Вслед за начальными
фазами инфекции индуцируется образование клубенька, затем
происходит распространение бактерий в зоне клубеньковой ткани и
фиксация азота.
127
Все стадии развития клубеньковых бактерий, по данным
микробиолога В. Каша, можно проследить на срезах клубеньков. Так,
в верхней части клубенька, например, люцерны содержатся в
основном мелкие делящиеся палочковидные клетки, в небольшом
количестве молодые бактероиды, число которых возрастает
постепенно по мере развития клубенька. В средней, окрашенной в
розовый цвет части клубенька обнаруживаются преимущественно
бактероидные клетки и реже мелкие палочковидные. В основании
клубенька на ранних стадиях вегетации растения-хозяина бактероиды
такие же, как и в средней его части, а к концу вегетации более
раздутые и раньше дегенерирующие.
Сроки появления первых видимых клубеньков на корнях
различных видов бобовых растений различны. Появление их у
большинства бобовых культур чаще всего происходит во время
развития первых настоящих листьев. Так, образование первых
клубеньков люцерны посевной наблюдается между 4-м и 5-м днями
после прорастания, а на 7 - 8-й день этот процесс происходит у всех
растений. Клубеньки у люцерны серповидной появляются через 10
дней.
В период функционирования клубеньки обычно плотные.
Клубеньки, образованные активными культурами бактерий, в
молодом возрасте имеют беловатую окраску. К моменту проявления
оптимальной активности они становятся розовыми. Клубеньки,
возникшие при инфекции неактивными культурами бактерий,
зеленоватого тона. Нередко их структура практически не отличается
от структуры клубеньков, образованных при участии активных
штаммов клубеньковых бактерий, но они преждевременно
разрушаются. В некоторых случаях строение клубеньков, образуемых
неактивными бактериями, отклоняется от нормы. Это выражается в
дезорганизации клубеньковой ткани, утрачивающей обычно четко
выраженную зональную дифференциацию.
Розовая окраска определяется наличием в клубеньках пигмента,
по химическому составу близкого гемоглобину крови. В связи с этим
пигмент называется леггемоглобином (легоглобином) - гемоглобином
Leguminosae. Легоглобин содержится лишь в тех клетках клубеньков,
в которых имеются бактероиды. Он локализован в пространстве
между бактероидами и окружающей их мембраной. Количество его
колеблется от 1 до 3 мг на 1 г клубенька, в зависимости от вида
бобового растения.
У однолетних бобовых растений к концу вегетационного
периода, когда заканчивается процесс азотфиксации, красный пигмент
128
переходит в зеленый. Изменение цвета начинается у основания
клубенька, позднее зеленеет его вершина. У многолетних бобовых
растений позеленения клубеньков не происходит или оно
наблюдается только у основания клубенька. У разных видов бобовых
растений переход красного пигмента в зеленый происходит с разной
степенью интенсивности и разной скоростью.
Клубеньки однолетних растений функционируют сравнительно
недолго. У большинства бобовых культур некроз клубенька
начинается в период цветения растения-хозяина и протекает обычно в
направлении от центра к периферии клубенька. Один из первых
признаков разрушения - образование слоя клеток с мощными
стенками у основания клубенька. Этот слой клеток, расположенный
перпендикулярно к главному сосуду корня, разъединяет его с
клубеньком и задерживает обмен питательными веществами между
растением-хозяином и тканями клубенька.
В клетках дегенерирующей ткани клубенька появляются
многочисленные вакуоли, ядра теряют способность окрашиваться,
часть клеток клубеньковых бактерий лизируется, часть мигрирует в
окружающую среду в виде мелких кокковидных клеток-артроспор.
Также пекращают функционировать в этот период и инфекционные
нити. Клетки хозяина утрачивают тургор и сжимаются теми
соседними клетками, которым он еще свойствен.
Старые клубеньки темные, дряблые, мягкие. При надрезе из них
выступает водянистая слизь. Процессу разрушения клубенька,
начинающегося с опробковения клеток сосудистой системы,
способствуют понижение фотосинтетической активности растения,
сухость или чрезмерная влажность среды. В разрушенном,
ослизненном клубеньке обнаруживаются часто простейшие, грибы,
бациллы и мелкие палочковидные клубеньковые бактерии. Состояние
растения-хозяина
оказывает
влияние
на
длительность
функционирования клубенька. Так, по данным Ф. Ф. Юхимчука,
кастрируя или удаляя цветы люпина, можно продлить период его
вегетации и вместе с тем время активной деятельности клубеньковых
бактерий.
Клубеньки многолетних растений, в отличие от клубеньков
однолетних, могут функционировать в течение многих лет. Так,
например, карагана имеет многолетние клубеньки, в которых процесс
старения клеток идет одновременно с образованием новых. У
вистерии (глицинии китайской) также функционируют многолетние
клубеньки, образуя на корнях хозяина шаровидные вздутия. К концу
вегетационного периода бактероидная ткань многолетних клубеньков
129
деградирует, но весь клубенек не отмирает. На следующий год он
вновь начинает функционировать.
7.1.2.7 Организация клубеньков и биохимия азотфиксации
Микроорганизмы,
усваивающие
молекулярный
азот,
называются диазотрофами. Азотфиксирующий клубенек состоит из
следующих частей:
а) инфицированная бактериями ткань;
б) проводящая ткань, поставляющая углеводы и выносящая
продукты азотфиксации;
в) меристема, за счет которой идет рост клубенька.
Основным элементом симбиоза является нитрогеназа –
многомерный фермент, состоящий из комплекса двух белков: MoFeбелка и Fe-белка. Нитрогеназы из разных азотфиксаторов несколько
различаются своими молекулярными массами и содержанием
металлов. Каждый из белков, в свою очередь, состоит из нескольких
субъединиц. Молекулярная масса MoFe-белка различных нитрогеназ
находится в пределах 200-250 кДа. Фермент содержит по два атома
молибдена, 28-34 атома железа и 18-24 атома серы на одну молекулу.
Молекулярная масса Fe-белка колеблется от 50 до 70 кДа и также
содержит атомы железа и серы с молекулярной массой около 300 кДа.
Нитрогеназа синтезируется в бактероидах и является катализатором
фиксации азота:
Этот процесс требует значительных затрат энергии. По расчетам
для клеток Rhizobium на восстановление одной молекулы N2
необходимо до 25-35 молекул АТФ, то есть на каждый грамм
фиксированного азота расходуется три-шесть грамм органического
углерода. Другими словами, растение в клубеньки поставляет 30-40 %
продуктов фотосинтеза. Примерно половина из них возвращается в
надземную часть в виде азотистых соединений.
Нитрогеназа обладает низкой субстратной специфичностью, т.е.
обладает способностью восстанавливать широкий спектр соединений
с тройной связью, например, превращать ацетилен в этилен. Данная
реакция применяется для определения нитрогеназной активности
ацетиленовым методом. Для активной работы нитрогеназы
необходимы микроаэрофильные условия, которые в клубеньке
обеспечиваются диффузным барьером (слой плотно прилегающих
друг к другу клеток во внутреннем кортексе) и синтезом
леггемоглобина
(гемоглобинподобный
белок,
синтезируемый
растительными клетками).
Леггемоглобин связывает O2, транспортирует его к
симбиосомам, обеспечивая дыхательную активность клубеньков. Он
130
составляет 30 % белка в клубеньках и придает им ярко-розовый цвет.
Леггемоглобин напоминает по своей структуре и функции гемоглобин
человека и животных, специализирующийся, как известно, на
транспорте О2 и СО2. Леггемоглобин находится в клетках клубеньков,
где живут азотфиксирующие микроорганизмы. Нитрогеназный
комплекс, образующий аммиак из воздуха, действует по физикохимическим законам очень экономно. Если в среде обитания
достаточно ионов аммония или нитратов, он прекращает работу.
Потребление
растениями
аммиака,
образовавшегося
при
азотфиксации или восстановлении нитратов почвы, осуществляется
ферментами, связанными с биосинтезом так называемых первичных
аминокислот, прежде всего глютаминовой, аспарагиновой кислот и их
амидов. В конечном итоге азот в виде аминогрупп вовлекается в
серию биосинтетических реакций организма, поддерживая его
жизненные функции.
7.1.2.8 Диазотрофы
Если молекулярные механизмы фиксации азота различными
диазотрофами очень схожи, то биология самих диазотрофов весьма
различна. Во-первых, они могут являться бактериями, низшими
грибами и водорослями, во-вторых, их рост, развитие,
взаимоотношение с растениями и почвой имеют свои характерные
отличительные черты. Так относящиеся к симбиотическим
азотфиксаторам клубеньковые бактерии рода Rhizobium представляют
собой микроорганизмы со средними размерами 0.7-1.8 мкм. Они
подвижны в молодом возрасте, делятся перешнуровыванием и в
дальнейшем теряют подвижность. Живут они в почве, на поверхности
растений и способны при инфицировании бобовых вызывать
образование клубеньков на корнях.
В основе способности инфицировать корневую систему хозяина
лежит сложный и не вполне ясный молекулярный механизм,
имеющий решающее значение в симбиотической фиксации азота.
Обычно рассматриваются несколько его стадий:
- первая – приближение микробной клетки к растению за счет ее
способности передвигаться в ответ на узнавание химических
продуктов, выделяемых из корней растения. Этот процесс называется
хемотаксисом;
- вторая стадия – контактное взаимодействие микроорганизма с
растением. В этом процессе важное место отводится так называемому
лектин-углеводному узнаванию растения микроорганизмом. Лектин
корневых волосков растений – углеводузнающий белок. Он узнает
углевод поверхности бактерий и прочно связывается с ним;
131
- третья стадия – механохимическая и весьма сложная по
технике исполнения. Бактерии, внедрившиеся в молодой корневой
волосок, в виде так называемых инфекционных нитей прорастают
вдоль волоска, как бы перетекают в тетраплоидные клетки коры и
вызывают их быстрое деление. Они заполняют своим содержимым
внутренность растительных клеток. Так как заражение бывает
множественным, ткани корня в зоне проникновения микроорганизмов
растут интенсивнее с образованием клубеньков, клетки которых
наполнены бактериями. Микробы при этом меняются и сами, они
теряют клеточную стенку, изменяют свои размеры, геометрию. Кроме
того, все они обволакиваются растительным белком –
леггемоглобином. Размеры и число клубеньков на корнях бобовых в
первом приближении указывает на эффективность азотфиксации.
Азотфиксация и образование клубеньков подавляются при обильном и
экологически
вредном использовании
химических азотных
удобрений.
7.1.3
Факторы,
определяющие
симбиотические
взаимоотношения
клубеньковых
бактерий
с
бобовыми
растениями
Для симбиоза азотфиксаторов с растениями, обеспечивающего
хорошее развитие последних, необходим определенный комплекс
условий среды. Если условия окружающей среды будут
неблагоприятными, то, даже, несмотря на высокую вирулентность,
конкурентную
способность
и
активность
микросимбионта,
эффективность симбиоза будет низкой. Для развития клубеньков
оптимальна влажность 60-70% от полной влагоемкости почвы.
Минимальная влажность почвы, при которой еще возможно развитие
клубеньковых бактерий в почве, приблизительно равна 16% от полной
влагоемкости. При влажности ниже этого предела клубеньковые
бактерии обычно уже не размножаются, но, тем не менее, они не
погибают и могут длительное время сохраняться в неактивном
состоянии. Недостаток влаги приводит и к отмиранию уже
сформировавшихся клубеньков. Нередко в районах с недостаточным
увлажнением многие бобовые растения развиваются, не образуя
клубеньков.
Большое влияние на жизнедеятельность клубеньковых бактерий
и образование клубеньков оказывает реакция почвы. Для разных
видов и даже штаммов клубеньковых бактерий значение рН среды
обитания несколько различно. Так, например, клубеньковые бактерии
клевера более устойчивы к низким значениям р.Н, чем клубеньковые
бактерии люцерны. Очевидно, здесь также сказывается адаптация
132
микроорганизмов к среде обитания. Клевер растет на более кислых
почвах, чем люцерна. Реакция почвы как экологический фактор
оказывает влияние на активность и вирулентность клубеньковых
бактерий. Наиболее активные штаммы, как правило, легче выделить
из почв с нейтральными значениями рН. В кислых почвах чаще
встречаются неактивные и слабовирулентные штаммы. Кислая среда
(рН 4,0 - 4,5) оказывает непосредственное влияние и на растения, в
частности нарушая синтетические процессы обмена веществ растений
и нормальное развитие корневых волосков. В кислой среде у
инокулированных
растений
резко
сокращается
срок
функционирования бактероидной ткани, что ведет к снижению
степени азотфиксации.
Размеры симбиотической азотфиксации определяются в
значительной степени условиями питания растения-хозяина, а не
клубеньковых бактерий. Клубеньковые бактерии как эндотрофные
симбионты растений зависят в основном от растения при получении
углеродсодержащих веществ и минеральных элементов питания.
Для клубеньковых бактерий ткань хозяина представляет такую
питательную среду, которая может удовлетворить даже самый
требовательный штамм вследствие содержания в ткани всех типов
питательных веществ. Тем не менее, после внедрения клубеньковых
бактерий в ткань растения-хозяина их развитие определяется не
только внутренними процессами, но и в значительной степени зависит
от действия внешних факторов, оказывающих влияние на весь ход
инфекционного процесса. Содержание или отсутствие того или иного
питательного вещества в окружающей среде может быть
определяющим
моментом для
проявления
симбиотической
азотфиксации.
Обеспеченность бобовых растений доступными формами
минеральных соединений азота определяет эффективность симбиоза.
На основании многочисленных лабораторных и вегетационных
опытов известно, что с увеличением азотсодержащих соединений в
окружающей среде,
внедрение бактерий в корень растений
затрудняется.
Большое значение в активации усвоения азота бобовыми
растениями имеет фосфорное питание. При низком содержании
фосфора в среде проникновение бактерий в корень происходит, но
клубеньки при этом не образуются. Бобовым растениям присущи
некоторые особенности в обмене фосфорсодержащих соединений.
Семена бобовых отличаются повышенным содержанием фосфора.
Запасной фосфор при прорастании семян используется не так, как у
133
других культур, - сравнительно равномерно для формирования всех
органов, а в большей степени сосредоточиваясь в корнях. Поэтому в
ранние сроки развития бобовые растения, в отличие от злаковых, в
большей степени удовлетворяют свои потребности в фосфоре за счет
семядолей, а не запасов почвы. Чем крупнее семена, тем меньше
бобовые растения зависят от фосфора почвы. Однако при
симбиотическом способе существования потребность бобовых
растений в фосфоре выше, чем при росте и развитии растений в среде
без азотфиксаторов. Поэтому при недостатке фосфора в среде у
инокулированных растений ухудшается снабжение растений азотом.
Также бобовые растения выносят с урожаем значительно
больше калия, чем другие сельскохозяйственные культуры. Поэтому
калийные и особенно фосфорно-калийные удобрения существенно
повышают продуктивность азотфиксации бобовыми растениями.
Положительное действие калия на образование клубеньков и
интенсивность азотфиксации связано в значительной степени с
физиологической ролью калия в углеводном обмене растения.
Кальций нужен не только для устранения излишней
кислотности почвы. Он играет специфическую роль в развитии
клубеньковых бактерий и обеспечении нормального симбиоза
бактерий с растением-хозяином. Потребность клубеньковых бактерий
в кальции частично может быть компенсирована стронцием.
Интересно, что клубеньковые бактерии тропических культур,
растущих на кислых латеритных почвах, не нуждаются в кальции. В
этом опять проявляется экологическая адаптация клубеньковых
бактерий, поскольку тропические почвы содержат очень небольшие
количества кальция.
Для симбиотической азотфиксации необходимы также магний,
сера и железо. При недостатке магния тормозится размножение
клубеньковых
бактерий,
снижается
их
жизнедеятельность,
подавляется симбиотическая азот-фиксация. Сера и железо оказывают
также благоприятное влияние на образование клубеньков и процесс
азотфиксации, в частности играя несомненную роль в синтезе
леггемоглобина.
Из микроэлементов особо отмечена роль молибдена и бора. При
недостатке молибдена клубеньки плохо образуются, в них нарушается
синтез свободных аминокислот и подавляется синтез леггемоглобина.
Молибден вместе с другими элементами с переменной валентностью
(Fe, Co, Си) служит посредником при переносе электронов в
окислительно-восстановительных
ферментных
реакциях.
При
134
дефиците бора в клубеньках не формируются сосудистые пучки, и
вследствие этого нарушается развитие бактероидной ткани.
На формирование клубеньков у бобовых растений большое
влияние оказывает углеводный обмен растений, определяемый рядом
факторов: фотосинтезом, наличием в среде углекислого газа,
физиологическими особенностями растений. Улучшение углеводного
питания благоприятно сказывается на инокуляционном процессе и
азотонакоплении. С практической точки зрения большой интерес
представляет использование соломы и соломистого свежего навоза
для удобрения бобовых растений как источника углеводов. Но в
первый год после внесения соломы в почву при ее разложении
накапливаются токсические вещества. Следует отметить, что не все
виды бобовых растений чувствительны к токсическим продуктам
распада соломы; горох, например, не реагирует на них.
Определенное значение в симбиозе клубеньковых бактерий и
бобовых растений имеют биологические факторы. Большое внимание
уделяется влиянию ризосферной микрофлоры на клубеньковые
бактерии, которое может иметь как стимуляционный, так и
антагонистический
характер
в
зависимости
от
состава
микроорганизмов ризосферы.
Много работ посвящено изучению фагов клубеньковых
бактерий. Большинство фагов способны лизировать различные виды
бактерий, некоторые специализированы лишь в отношении отдельных
видов или даже штаммов клубеньковых бактерий. Фаги могут
препятствовать внедрению бактерий в корень, вызывать лизис клеток
в ткани клубенька, они наносят большой ущерб, лизируя препараты
клубеньковых бактерий на заводах, вырабатывающих нитрагин.
Среди различных видов насекомых, наносящих вред
клубеньковым
бактериям,
особенно
выделяется
полосатый
клубеньковый долгоносик, личинки которого разрушают клубеньки
на корнях многих видов бобовых растений (главным образом
однолетних). Широко распространен и щетинистый клубеньковый
долгоносик. Ранней весной самки клубеньковых долгоносиков
откладывают от 10 до 100 яиц. Через 10-15 дней из яиц развиваются
небольшие, до 5,5 мм, червеобразные, согнутые, белые, со светлобурой головкой личинки, питающиеся преимущественно клубеньками
и корневыми волосками. Только что вылупившиеся личинки
проникают в клубенек и питаются его содержимым. Более взрослые
личинки разрушают клубеньки снаружи. Одна личинка за 30-40 дней
уничтожает от 2 до 6 клубеньков. Особенно большой вред они
135
наносят в сухую и жаркую погоду, когда развитие растений
замедляется.
Клубеньки люцерны и некоторых других видов бобовых
растений повреждает также большой люцерновый долгоносик. Самки
жука откладывают до 400 яиц, из которых развиваются безногие,
дугообразные, желтовато-белые, с бурой головкой, покрытые бурыми
щетинками личинки. Их длина 10 - 14 мм. Цикл развития большого
люцернового долгоносика протекает в течение двух лет.
Наличие нематод в корневой зоне различных видов бобовых
растений отмечают многие исследователи. В прикорневой зоне
гороха, например, обнаружено 47 видов нематод, среди них 25
паразитических. На корнях молодых растений фасоли, люпина,
клевера может паразитировать широко распространенная ростковая
нематода. Самки этого вида, питающиеся корнями растений,
откладывают яйца в ткани растения. Весь жизненный цикл
развивающейся из яиц нематоды протекает обычно внутри тканей. В
степных районах на корнях люцерны, клевера и сои обнаружена
степная нематода. Самки перед откладкой яиц проникают в корень,
куда откладывают от 12 до 20 яиц. В корнях личинки проходят три
личиночные стадии развития, нарушая функции корня и клубеньков.
7.1.4 Распространение клубеньковых бактерий в природе
Являясь
симбиотическими
организмами,
клубеньковые
бактерии распространяются в почвах, сопутствуя определенным
видам бобовых растений. После разрушения клубеньков клетки
клубеньковых бактерий попадают в почву и переходят к
существованию за счет различных органических веществ подобно
другим почвенным микроорганизмам.
Почти повсеместное
распространение клубеньковых бактерий является доказательством
высокой степени их приспособляемости к различным почвенноклиматическим условиям, способности вести симбиотический и
сапрофитный способ жизни.
В целинных и окультуренных почвах присутствуют обычно в
больших количествах клубеньковые бактерии тех видов бобовых
растений, которые имеются в составе дикой флоры или
культивируются длительное время в данной местности. Численность
клубеньковых бактерий всегда наивысшая в ризосфере бобовых
растений, несколько меньше их в ризосфере других видов и мало в
почве вдали от корней.
В почвах встречаются как эффективные, так и неэффективные
клубеньковые бактерии. Имеется много данных о том, что длительное
сапрофитное существование клубеньковых бактерий, особенно в
136
почвах с неблагоприятными свойствами (кислых, засоленных), ведет к
снижению и даже утрате активности бактерий.
Перекрестная заражаемость разных видов бобовых растений
нередко приводит в природе и сельскохозяйственной практике к
появлению на корнях клубеньков, недостаточно активно
фиксирующих молекулярный азот. Это, как правило, зависит от
отсутствия в почве соответствующих видов клубеньковых бактерий.
Особенно часто такое явление наблюдается при использовании новых
видов бобовых растений, которые либо заражаются неэффективными
видами бактерий перекрестных групп, либо развиваются без
клубеньков.
7.2 Клубеньки у растений, не относящихся к бобовым
Корневые клубеньки или образования, напоминающие
клубеньки, широко распространены на корнях не только бобовых
растений. Они обнаружены у голосеменных и покрытосеменных
двудольных растений. Имеется до 200 видов различных растений,
связывающих азот в симбиозе с микроорганизмами, образующими
клубеньки на их корнях (или листьях).
Клубеньки голосеменных растений (порядки Cycadales саговники, Ginkgoales - гинкговые, Coniferales - хвойные) имеют
ветвящуюся коралловидную, сферическую или четковидную форму.
Они представляют собой утолщенные, видоизмененные боковые
корни. Природа возбудителя, вызывающего их образование, до сих
пор не выяснена. Эндофиты голосеменных растений относят и к
грибам (фикомицетам), и к актиномицетам, и к бактериям, и к
водорослям. Некоторые исследователи предполагают существование
множественного симбиоза. Например, считают, что у саговников в
симбиозе принимают участие азотобактер, клубеньковые бактерии и
водоросли. Также не решен вопрос и о функции клубеньков у
голосеменных. Ряд ученых пытается в первую очередь обосновать
роль клубеньков как азотфиксаторов. Некоторые исследователи
рассматривают клубеньки подокарповых как резервуары воды, а
клубенькам саговников нередко приписывают функции воздушных
корней. У ряда представителей покрытосеменных двудольных
растений клубеньки на корнях были обнаружены свыше 100 лет назад.
Среди растений, образующих на корнях клубеньки деревья,
кустарники и полукустарники (семейства Coriariaceae, Myricaceae,
Betulaceae, Casuarinaceae, Elaeagnaceae, Rhamnaceae), входящих в эту
группу. Клубеньки большинства представителей данной группы коралловидные гроздья розово-красного цвета, с возрастом
137
приобретающие коричневую окраску. Имеются данные о наличии в
них гемоглобина. У видов рода Elaeagnus (лоховые) клубеньки белого
цвета.
Нередко клубеньки имеют большие размеры. У казуарин
(Casuarina) они достигают в длину 15 см. Функционируют несколько
лет. Растения с клубеньками распространены в разных климатических
поясах или приурочены к определенному ареалу. Так, Shepherdia и
Ceanothus встречаются только в Северной Америке, Casuarina преимущественно в Австралии. Значительно шире распространены
лоховые и облепиха.
Многие растения рассматриваемой группы произрастают на
бедных питательными элементами почвах - песках, дюнах, скальных
породах, болотах. Подробнее всего изучены клубеньки ольхи (Alnus),
в частности A. glutinosa, обнаруженные еще в 70-х годах прошлого
столетия М. С. Ворониным – рисунок 35. Существует предположение,
что клубеньки свойственны не только современным, но и вымершим
видам ольхи, поскольку их находили на корнях ископаемой ольхи в
третичных отложениях долины реки Алдана - в Якутии.
Рисунок 35 - Клубеньки на корнях ольхи (по Дж. Бекингу)
Эндофит в клубеньках полиморфен. Он обычно встречается в
виде гиф, везикул и бактероидов – рисунок 36. Таксономическое
положение эндофита до сих пор не установлено, поскольку
многочисленные попытки выделить его в чистую культуру
оказывались бесплодными, а если и удавалось выделить культуры,
они оказывались невирулентными.
138
Рисунок 36 -. Клубеньковая ткань ольхи (по Дж. Бекингу)
Основное значение всей этой группы растений, по-видимому,
заключается в способности фиксировать молекулярный азот в
симбиозе с эндофитом. Произрастая в областях, где разведение
сельскохозяйственных растений с точки зрения экономики
нерационально, они играют роль пионеров в освоении земли. Так,
ежегодная прибавка азота в почве дюн Ирландии (мыс Верде) под
посадками Casuarina equisetifolia достигает 140 кг/га. Содержание
азота в почве под ольхой на 30-50% выше, чем под березой, сосной,
ивой. В высушенных листьях ольхи азота вдвое больше, чем в листьях
других древесных растений. По расчетам А. Виртанена, сделанным в
1962 году, роща ольхи (в среднем 5 растений на 1 м2) дает за 7 лет
прибавку азота 700 кг/га.
Значительно реже клубеньки встречаются у представителей
семейства Zygophyllaceae (парнолистниковые). Впервые они были
обнаружены Б. Л. Исаченко в 1913 году на корневой системе Tribulus
terrestris. Позднее клубеньки были найдены и у других видов якорцев.
Большинство представителей семейства Zygophyllaceae - ксерофитные
кустарники или многолетние травы. Они распространены в пустынях
тропических и субтропических областей, растут и на песчаных дюнах,
пустошах и болотах умеренного пояса. Некоторые тропические
растения, например парнолистник ярко-красный, образуют клубеньки
только при высокой температуре и низкой влажности почвы.
Увлажнение почвы до 80% от полной влагоемкости препятствует
формированию клубеньков. Как известно, у бобовых растений
умеренного климата наблюдается обратное явление. При
недостаточной влажности они не образуют клубеньков.
139
Клубеньки
у
растений
семейства
парнолистниковых
различаются размерами и расположением на корневой системе.
Крупные клубеньки обычно развиваются на главном корне и близко
от поверхности почвы. Более мелкие находятся на боковых корнях и
на большей глубине. Иногда клубеньки образуются на стеблях, если
они лежат на поверхности почвы. Клубеньки у якорцев наземных на
песках вдоль Южного Буга имеют вид мелких белых слегка
заостренных или круглых бородавок. Они обычно покрыты
сплетением грибных гиф, проникающих внутрь коры корня.
У парнолистника ярко-красного клубеньки представляют собой
концевые утолщения боковых корней растений. В клубеньках
обнаруживаются
бактероиды;
бактерии
очень
напоминают
клубеньковые. Клубеньки тропических растений Tribulus cistoides
твердые, округлые, около 1 мм в диаметре, соединены с корнями
широким основанием, на старых корнях нередко мутовчатые. Чаще
располагаются на корнях, чередуясь, с одной или с двух сторон –
рисунок 37. Для клубеньков характерно отсутствие зоны меристемы.
Подобное явление отмечается при образовании клубеньков у хвойных
растений. Клубенек поэтому возникает за счет деления клеток
перицикла стелы.
Рисунок 37 - Клубеньки на корнях трибулюс (по Е. и О. Аллен)
Гистологическое изучение клубеньков Tribulus cistoides на
разных стадиях развития показало, что в них отсутствуют
140
микроорганизмы. На основании этого, а также скопления в
клубеньках больших количеств крахмала их считают образованиями,
выполняющими функцию обеспечения растений запасными
питательными веществами.
Клубеньки вейника лесного - сферические или несколько
удлиненные образования до 4 мм в диаметре, плотно сидящие на
корнях растений – рисунок 38. Цвет молодых клубеньков чаще всего
белый, изредка розоватый, старых -желтый и бурый. Клубенек связан
с центральным цилиндром корпя широким сосудистым пучком.
Рисунок 38 - Клубеньки на корнях вейштка лесного (по И.Л.
Клевенской)
Так же как и у Tribulus cistoides, клубеньки вейника имеют кору,
коровую паренхиму, эндодерму, перициклическую паренхиму и
сосудистый пучок – рисунок – 39. Бактерии в клубеньках вейника
лесного очень напоминают клубеньковых бактерий бобовых растений.
Клубеньки найдены на корнях капусты и редьки представителей семейства крестоцветных. Предполагается, что их
образуют бактерии, которые обладают способностью связывать
молекулярный азот. Среди растений семейства мареновых клубеньки
встречаются у кофейных Coffea robusta и Goffea klainii. Они
дихотомически ветвятся, иногда уплощены и имеют вид опахала. В
тканях клубенька встречаются бактерии и бактероидные клетки..
141
1 - кора, 2 - коровая паренхима; з - перициклическая паренхима; 4 сосудистый пучок; 5 - эндодерма; 6 - бактерии
Рисунок 39 - Схема строения клубенька вейника лесного: (по И.
Л. Клевенской)
Клубеньки у растений семейства розанных были обнаружены на
дриаде (куропаточьей траве). У двух других представителей этого
семейства - Purshia tridentata и Cercocarpus betuloides - описаны
типичные коралловидные клубеньки. Однако никаких данных о
строении этих клубеньков и природе их возбудителя в литературе пет.
Из семейства вересковых можно упомянуть только одно
растение - медвежье ушко (или толокнянка), имеющее клубеньки на
корневой системе. Многие авторы считают, что это коралловидные
эктотрофные микоризы.
У покрытосеменных однодольных растений клубеньки
распространены среди представителей семейства злаковых:
лисохвоста лугового, мятлика лугового, волоснеца сибирского и
волоснеца солончакового. Клубеньки образуются на концах корней;
бывают продолговатыми, округлыми, веретеновидными. У лисохвоста
молодые клубеньки светлые, прозрачные или полупрозрачные, с
возрастом приобретают бурую или черную окраску. Данные о
наличии бактерий в клетках клубеньков разноречивы.
142
7.3 Внекорневые азотфиксирующие симбионты
Фиксация азота изучена не только в ризосфере, но и в
фитоплане. Скорость азотфиксации здесь зависит от специфических
условий на поверхности листьев разных видов растений. Как правило,
среди листовых экссудатов содержатся углеводы – арабиноза,
ксилоза, рамноза, глюкоза, фруктоза, галактоза, сахароза, лактоза,
дульцит, манит, инозит; органические кислоты – щавелевая, янтарная,
лимонная, малеиновая; аминокислоты – аспарагин, аргинин,
глутаминовая кислота, норвалин, норлейцин, лизин, аланин,
фенилаланин, цистеин, аминоуксусная кислота (всего до 92 мкг / 10 г
сырой массы листа).
На поверхности листа определяются также неорганические
вещества: большие количества соединений натрия и марганца,
кальция, магния, серы, калия, иода, железа, цинка, фосфора и хлора.
Казалось бы, высокое парциальное давление кислорода и высокий
уровень азота должны ингибировать нитрогеназный комплекс, однако
доказано, что численность диазотрофов, развивающихся в филлосфере
в течение вегетационного периода, в среднем составляет 1,4 – 4,3 млн
/г листьев различных растений. Интересно, что это становится
возможным потому, что в сообществе микроорганизмов создаются
совершенно другие, чем на всей поверхности листа, условия. Так,
например, сапрофиты утилизируют различные соединения азота и
снижают их содержание в среде, аэробные организмы потребляют
кислород и уменьшают его концентрацию. Все это приводит к
мгновенному "включению" нитрогеназы диазотрофов. Более того,
обнаружен феномен развития клеток Azotobacter в петлях грибов,
обитающих на поверхности листьев, клеток Pseudomonas – в капсулах
дрожжей.
В эндоризосфере для азотфиксации создаются совершенно
другие условия, поскольку около корня образуется муцигель –
слизистый слой, содержащий полисахариды, пектины, свободные
сахара. Эти вещества не подвергаются в этой зоне быстрому
разложению потому, что вследствие низкой диффузии газов
создаются анаэробные условия. В структуре ризоплановых ценозов
преобладают микроаэрофильные формы диазотрофов, сам процесс
азотфиксации здесь идет постоянно и монотонно, поскольку муцигель
обладает буферными свойствами.
Известно свыше 400 видов различных растений, образующих
клубеньки на листьях. Наиболее хорошо изучены клубеньки у Pavetta
и Psychotria. Они располагаются на нижней поверхности листьев
вдоль основной жилки или рассеяны между боковыми жилками,
143
имеют интенсивный зеленый цвет. В клубеньках сконцентрированы
хлоропласты и танин. При старении на клубеньках часто появляются
трещины.
Сформировавшийся
клубенек
заполнен
бактериями,
инфицирующими листья растения, очевидно, в момент прорастания
семян. При выращивании стерильных семян клубеньки не возникают
и растения развиваются хлоро-тичными. Выделенные из листовых
клубеньков
Psychotria
bacteriophyla
бактерии
оказались
принадлежащими к роду Klebsiella (К. rubiacearum). Бактерии
фиксируют азот не только в симбиозе, но и в чистой культуре — до 25
мг азота на 1 г использованного сахара. Надо полагать, что они
играют немаловажную роль в азотном питании растений на
малоплодородных почвах. Есть основания полагать, что они
снабжают растения не только азотом, но и биологически активными
веществами.
Иногда на поверхности листьев появляются глянцевые пленки
или разноцветные пятна. Их образуют микроорганизмы филлосферы особая разновидность эпифитных микроорганизмов, которые также
участвуют в азотном питании растений. Бактерии филлосферы
преимущественно олигонитрофилы (живут за счет ничтожных
примесей азотсодержащих соединений в среде и, как правило,
фиксируют небольшие количества молекулярного азота), тесно
контактирующие с растением.
7.4 Везикулярно-арбускулярная микориза
Наиболее
древней
формой
симбиоза
растений
с
микроорганизмами является микориза (возникла 400-450 млн. лет
назад, а бобово-ризобиальный симбиоз – 60-70 млн. лет назад),
которая образуется при колонизации грибами корней растений.
Микоризы образуются у 90 % видов наземных растений. При этом
грибы являются посредниками между растениями и почвой,
обеспечивая
хозяев
питательными
веществами.
Выделяют
эндомикоризу (гифы гриба проникают внутрь клеток растений) и
эктомикоризу (факультативна для обоих симбионтов).
Большое распространение имеет неспецифичная форма
эндомикоризы – везикулярно-арбускулярная микориза (ВАМ),
образуемая большинством наземных растений. ВАМ образуется под
действием грибов-зигомицетов из порядка Glomales, для которых
симбиоз является облигатной стадией. Для растений же ВАМ может
быть как облигатным (многолетние формы и растения со слабо
144
развитой корневой системой), так и факультативным. ВАМ растения в
основном образуют при недостатке фосфора.
Развитие ВАМ можно разделить на три этапа: преинфекционные
взаимодействия, формирование межклеточного мицелия, развитие
внутриклеточной симбиотической структуры. На первом этапе споры
гриба прорастают в почве под действием растительных выделений и
образуют специальные структуры прикрепления – апрессории. Во
втором этапе из апрессорий во внутрь корня начинает расти
инфекционная гифа, проникая через эпидермис в ткани кортекса,
ветвится и образует мицелий. На третьем этапе в местах тесного
контакта мицелия с клетками гифы проникают в растительные клетки,
где образуются арбускулы – разветвленные впячивания сложной
формы, содержащие гифу гриба, окруженную растительной
плазмалеммой и клеточной стенкой. Арбускулы являются местами
наиболее интенсивного обмена партнеров метаболитами, в частности
передачи в растение фосфатов, поглощаемых грибом из почвы.
Арбускулы существуют в течение нескольких дней, после лизируются
хозяином, а взамен гифы в кортексе корня образуют новые арбускулы.
Весь процесс образования ВАМ у растений контролируется
комплексом симбиотических генов (например, SYM-8, SYM-19 и
SYM-30 гены гороха), аналогичных nod-генам. У бобовых процесс
образования и бобово-ризобильного симбиоза, и ВАМ контролируется
одними и теми же генами (например, SYM гены гороха).
Мицелии Glomus fasciculatum в ВАМ переводят нерастворимые
формы фосфатов в растворимые, обеспечивая растение фосфатами.
Таким образом, грибы-зигомицеты из порядка Glomales могут быть
использованы в сельском хозяйстве для обеспечения растений
фосфатами.
7.5 Ризосферная микрофлора
Высшие растения, являясь основным источником питательных
веществ для преобладающего числа микробного населения почв гетеротрофов, - оказывают существенное влияние на микробные
ценозы. Зоны, непосредственно примыкающие к корням живых
растений, являются областями активного развития микроорганизмов.
Это связано, прежде всего, с выделениями из корней (экзосмосом)
органических веществ, синтезированных растениями. Совокупность
микроорганизмов, содержащихся в большом количестве в узкой зоне
вокруг корней, называют ризосферной микрофлорой, а саму зону ризосферой.
145
Кроме того, существует представление о ризоплане непосредственной поверхности корня, заселенной микробами. Ясно,
что метаболизм (обмен веществ) корней оказывает большое влияние
на почвенную среду, прилегающую к корням. Считают, например, что
корни увеличивают кислотность примыкающих к ним микрослоев
почвы за счет выделения углекислоты и Н+ ионов. Такие изменения
возможны в пределах нескольких миллиметров вокруг корня. Важным
источником стимуляции почвенной микробиоты является выделение
корнями питательных веществ.
Патогенные и симбиотические микроорганизмы привязаны к
ним или способны растворять стенку клеток корня и проникать внутрь
цитоплазмы. Экзосмос органических веществ из корней растений
обусловлен активными процессами, пассивной диффузией или
выделениями из отмирающих клеток. Молодые корешки обычно
покрыты слизистыми чехликами, обильно заселенными микробами.
В продуктах экзосмоса корней обнаружено большое количество
различных веществ, в том числе 10 разных сахаров, 23 аминокислоты,
10 витаминов, полисахаридные слизи, органические кислоты и другие
вещества. Характер выделений зависит от вида и возраста растений. В
настоящее время еще нет достаточных сведений о процессах
корневого экзосмоса и использования веществ микроорганизмами в
условиях природной нестерильной среды.
Сфера воздействия корней на микрофлору в почве определяется
лишь приблизительно но увеличению числа микробов по мере
приближения
к
поверхности
корня.
Большинство
трупп
микроорганизмов обнаруживается в большем числе в ризосфере (Р),
чем в окружающей почве (П), что можно выразить отношением: Р/П.
Иллюстрации к этому положению приведены в таблице 13.
Не все бактерии одинаково реагируют на стимулирующее
действие корней. Так, грамотрицательные бактерии явно лучше
развиваются
в
ризосфере,
чем
грамположительные
неспорообразующие бактерии. Способность бактерий заселять зону
корня связана не только с выделяемым веществом, но и с отношением
к физическим факторам, антагонизму.
Многие исследователи обнаружили, что бактерии, способные
разлагать целлюлозу, растворять фосфаты, использовать белки и
сахара, синтезировать витамины и бактериальные полисахариды, являются типичными обитателями ризосферы. Удается также
отметить некоторую корреляцию между таксономическими и
физиологическими группами бактерий в ризосфере. Так, например,
виды Pseudomonas доминируют в ризосфере, а виды Arthrobacter - в
146
окружающей почве. Представители обоих родов заметно различаются
по потребностям в ростовых факторах.
Таблица 13 - Сравнение числа бактерий и актиномицетов в ризосфере
пшеницы и в контрольной почве
Организмы
Ризосферная Контрольная
Р/П
почва
почва
6
Бактерии
1200*10
53*106
23
6
6
Актиномицеты
46*10
7*10
7
Группы бактерий:
Аммонификаторы
500*106
4*106
125
4
4
Газообразующие анаэробы
39*10
3*10
13
6
6
Анаэробы
12*10
6*10
2
6
5
Денитрификаторы
126*10
1*10
1260
Аэробные
целлюлозоразлагающие
7*105
1*105
7
Анаэробные
целлюлозоразлагающие
9*103
3*103
1
3
3
Спорообразующие
930*10
575*10
1
Меньше внимания уделялось актиномицетам, хотя их
приуроченность к ризосфере установлена. Возможно, что в этих
условиях они образуют активные вещества (антибиотики),
угнетающие развитие патогенов на корнях. В этом вопросе остается
много неясностей. По видовому составу и особенно физиологии виды
актиномицетов, обитающие в ризосфере и в почве, не отличаются.
На микрофлору ризосферы влияют вид и возраст растений, их
состояние, положение и характер распределения корней, тип почвы и
окружение. Корни растений стимулируют или угнетают микробов в
разной степени. Бобовые растения чаще всего стимулируют развитие
микробов. В ризосфере клеверов, например, обнаруживается
значительно больше микроорганизмов, чем в зоне корней злаков и
деревьев.
Корневые выделения растений в случае длительного
выращивания одних и тех же культур растений (монокультур) на
одних и тех же площадях приводят к так называемому «почвенному
утомлению». Такая обстановка в сочетании с монотонным по составу
растительным опадом вызывает селекцию отдельных групп и даже
видов микроорганизмов и их чрезмерное развитие в почвах.
Следствием этого являются стойкие заболевания растений (при
147
развитии патогенных для растений микробов), уносящие урожай. В
пределах поверхности одного корешка микрофлора оказывается
разной и обилие микроорганизмов нарастает к кончикам корней, где,
например, отмечен наибольший экзосмос аминокислот.
Ризосферный эффект увеличивается после прорастания семени
и достигает максимума в период цветения и плодоношения растений.
Таким образом, возраст и старение растений играет большую роль в
формировании
и
деятельности
ризосферной
микрофлоры.
Представление об этом дано в таблице 14.
Кущение
Колошение
Цветение
Созревание
300000
420000
560000
280000
Целлюлозны
е
микрооргани
змы
20
55
70
45
Грибы
Актиноми
цеты
295000 5000
417000 3000
546000 14000
205000 75000
неспоро
носные
бацилл
ы
Таблица 14 - Групповой состав и численность микрофлоры ризосферы
пшеницы (чило микроорганизмов в тыс. на 1 г почвы). По Е.Н.
Мишустину, 1972 г.
Из числа
Фазы
бактерий
развития
Бакте
растений
рии
40
55
70
45
100
100
1000
10000
Степень освещенности и температура воздуха также влияют на
корневые выделения и, следовательно, на микроорганизмы.
Ризосферный эффект более ярко выражен в песчаных почвах и менее в гумусных. В пустынных районах ризосфера является, по-видимому,
единственной зоной, где активно развивается микрофлора. В любой
почве изменения окружающей среды, включая агротехнические
мероприятия, оказывают меньшее воздействие на микроорганизмы в
ризосфере по сравнению с обитателями почвы. Ризосферная зона
представляет
собой
своеобразную
«буферную»
систему,
препятствующую воздействию среды на микрофлору.
7.6 Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы
В 1901 году М. Бейеринк выделил из почвы аэробную
неспорообразующую грамотрицательную бактерию, фиксирующую
молекулярный азот, и назвал ее Azotobacter chroococcum (в родовом
148
названии отражена способность бактерии фиксировать азот, в
видовом - способность синтезировать коричневый пигмент - chroo и
образовывать кокковидные клетки -coccum). Азотобактер - типичный
представитель
свободноживущих
микроорганизмов.
Свободноживущие - это все те микроорганизмы, которые живут в
почве независимо от того, развивается вблизи растение или нет.
Культуры азотобактера в лабораторных условиях отличаются
полиморфизмом. Клетки разных видов азотобактера в молодом
возрасте показаны на рисунке 40.
1- Az. vinelandii; 2 – Az. chroococcum; 3 - Az. Agilus/
Рисунок 40 - Клетки - представители азотобактера, увеличение
х1000. (по Г. Иенсену)
Молодые клетки азотобактера подвижны; они
многочисленные или единичные жгутики - рисунок 41.
имеют
1 - A. agilis, видны перитрихиалыше жгутики; 2 - A. macrocytogenes,
видны полярные жгутики.
Рисунок 41 - Делящиеся клетки азотобактера (по А. Бейлю и др.)
149
У азотобактера обнаружены выросты, подобные фимбриям рисунок 42.
Рисунок 42 - Фимбрпоподобные образования у
азотобактера. Увеличение х 24 000. (По Э. В. Болтянской.)
клеток
В старых культурах клетки азотобактера покрываются плотной
оболочкой, образуя цисты. Они могут прорастать, давая начало
молодым клеткам – рисунок 43.
1 - Прорастающая циста (растущая молодая клетка разрывает
оболочку цисты; 2 - Зрелая циста, наполненная гранулами жира и
окруженная толстой плотной.
Рисунок 43 - Цисты азотобактера (по И. Чану и др.). Увеличение
х 35 000
150
Полиморфизм азотобактера зависит в значительной степени от
состава среды, на которой он выращивается. На среде с этиловым
спиртом (в качестве единственного источника углерода) азотобактер
длительное время сохраняет подвижность и форму палочек. В то же
время на многих других средах полиморфизм проявляется очень
резко. На плотных питательных средах, не содержащих азота,
азотобактер образует крупные слизистые, иногда морщинистые
колонии – рисунок - 44, окрашивающиеся при старении в желтоватозеленоватый, розовый или коричнево-черный цвет.
Рисунок 44 - Развитие колоний A. chroococcum вокруг комочков
почвы на среде без азота
Колониям разных видов азотобактера присуща своя
специфическая пигментация. К настоящему времени известен ряд
видов азотобактера: Azotobacter chroococcum, Az. beijerinckii, Az.
vinelandii, Az. agilis, Az. nigricans, Az. galophilum. Источником азота
для азотобактера могут служить разнообразные минеральные (соли
аммония, азотной и азотистой кислот) и органические (мочевина,
различные аминокислоты) соединения. Однако если азотобактер
развивается только за счет связанного в среде азота, он не выполняет
своей основной функции - фиксации молекулярного азота.
Азотобактер обычно фиксирует до 10-15 мг молекулярного азота на 1
г использованного источника углерода (например, глюкозы,
сахарозы). Эта величина сильно колеблется в зависимости от условий
151
выращивания культуры, состава питательной среды, ее кислотности,
температуры, аэрации.
Азотобактер хорошо усваивает разнообразные углеводы (монои дисахара, некоторые полисахариды), органические кислоты,
многоатомные спирты (глицерин, маннит) и другие вещества. Многим
исследователям удавалось выращивать азотобактер в чашках с
питательной средой без азота и углерода, если чашки были помещены
в камеру, где находились пары ацетона, этилового спирта или
некоторых других органических соединений. В присутствии
легкодоступных форм углеродсодержащих соединений азотобактер
может частично использовать углекислоту из атмосферы. Повышение
концентрации углекислого газа до 0,5% в воздухе несколько
стимулирует развитие азотобактера. Но азотобактером лучше
усваиваются
легкодоступные
формы
углеродсодержащих
органических соединений. В почве запас подвижного органического
вещества невелик, поэтому именно недостаток легкодоступных
соединений углерода в первую очередь ограничивает развитие
азотобактера в природных условиях.
Перегнойные вещества почвы азотобактером практически не
усваиваются. Поэтому в почвах, даже очень богатых перегноем, при
отсутствии свежих органических остатков интенсивного размножения
азотобактера не происходит. Однако, если в почве имеются
органические соединения и продукты распада растительных и
животных клеток, азотобактер развивается хорошо. В частности, он
усиленно размножается в почвах, удобренных соломой и соломистым
навозом, а также в разнообразных компостах, содержащих целлюлозу.
Азотобактер хорошо ассимилирует вещества, образующиеся при
распаде целлюлозы.
Развитие азотобактера и фиксация им азота в значительной
степени зависят от наличия в среде фосфора. Источником фосфора
могут
служить
как
органические,
так
и
минеральные
фосфорсодержащие
соединения.
Высокая
чувствительность
азотобактера к фосфору позволила разработать микробиологический
метод определения потребности почв в фосфорных удобрениях. В
качестве тест-организма в этом методе используется азотобактер.
Микробиологические методы определения потребности почвы в
удобрении имеют ряд преимуществ перед химическими анализами,
хотя, безусловно, уступают в точности.
Важную роль в обмене веществ азотобактера играет кальций.
Этот элемент необходим азотобактеру при питании как
молекулярным, так и аммонийным азотом. Недостаток кальция в
152
среде приводит к сильной вакуолизации клеток и их вздутию.
Высокая чувствительность азотобактера к кальцию, так же как и к
фосфору, используется для определения потребности почв в
известковании.
Микроэлементы (молибден, бор, ванадий, железо, марганец)
необходимы азотобактеру в первую очередь для осуществления
процесса азотфиксации. Потребность в микроэлементах определяется
в значительной степени геохимическими условиями существования
азотобактера в почвах. Штаммы микроорганизма, выделенные из почв
с высоким естественным содержанием того или иного микроэлемента,
нуждаются, как правило, в более высоких концентрациях этих
элементов.
Радиоактивные элементы (радий, торий, уран) оказывают
стимулирующий эффект на развитие азотобактера и процесс
азотфиксации. Азотобактер чрезвычайно чувствителен к реакции
среды. Оптимальная для его развития область рН 7,2-8.2. Однако
азотобактер способен развиваться и на средах с рН от 4,5 до 9,0;
кислая реакция среды неблагоприятно действует на его развитие. Из
кислых почв выделяются неактивные формы азотобактера,
утратившие способность связывать молекулярный азот.
Большое влияние на развитие азотобактера оказывает влажность
почвы. Клетки азотобактера имеют меньшее осмотическое давление,
чем клетки грибов и актиномицетов; потребность во влаге аналогична
потребности высших растений. Азотобактер распространен в пресных
водоемах, илах, затопляемых рисовых полях, сточных водах, сильно
увлажненных почвах, на водных растениях в прудах и
водохранилищах. Это свидетельствует о его высокой гидрофильности.
На основании значительной потребности во влаге почвенных форм
азотобактера предполагается, что предки некоторых морских и
почвенных видов азотобактера могли быть общими.
В отношении температуры азотобактер является типичным
мезофильным организмом, с оптимумом развития около 25-30 °С.
Понижение температуры азотобактер переносит хорошо, поэтому
зимой даже в северных широтах численность его клеток в почве
заметно не уменьшается.
Из биологических факторов, влияющих на развитие
азотобактера, следует прежде всего отметить почвенные
микроорганизмы. Они могут оказывать влияние на жизнедеятельность
азотобактера в почве косвенно, изменяя, например, рН или
окислительно-восстановительные условия, и непосредственно,
вырабатывая питательные и биологически активные вещества. Так,
153
активирующее влияние целлюлозоразрушающих и маслянокислых
микроорганизмов на развитие азотобактера и его антагонистические
отношения с представителями почвенной микрофлоры отмечали
многие исследователи. Биоценоз микроорганизмов, формирующийся
в условиях той или иной почвы, меняется в значительной степени под
влиянием растительного покрова. И азотобактер как член биоценоза
также зависит от этого фактора. С помощью метода радиоавтографии
установлено, что при нанесении меченных по фосфору клеток
азотобактера на семена зерновых культур клетки обычно
концентрируются вокруг растущей корневой системы проростков.
Имеются, однако, данные, что клеток азотобактера в ризосфере
растений очень мало. В самом лучшем случае (при полном отсутствии
антагонистов и благоприятных окружающих условиях) их количество
не превышает 1 % от общего числа ризосферной микрофлоры.
Культуры азотобактера, как правило, образуют значительное
количество биологически активных веществ: витамины группы В,
никотиновую и пантотеновую кислоты, биотин, гетероауксин и
гиббереллин. Однако, несмотря на то, что культуры азотобактера
вырабатывают целую серию биологически активных веществ,
внесение витаминов, гиббереллина и гетероауксина в среду ускоряет
рост азотобактера. Реакция на дополнительное внесение витаминов в
среду является индивидуальной особенностью штаммов.
Азотобактер может продуцировать ростовые вещества типа
ауксинов. Это подтверждается опытами, в которых было установлено
образование дополнительных корешков у черенков фасоли под
влиянием ауксинов, вырабатываемых азотобактером. Биологический
тест - карликовая форма гороха сорта Пионер - позволяет определить
в культуре азотобактера гиббереллиноподобные соединения.
Все эти соединения в совокупности способны стимулировать
прорастание семян растений и ускорять их рост в тех, конечно,
случаях, когда на корневой системе растений находится достаточное
количество клеток азотобактера. Кроме того, была обнаружена
антагонистическая активность азотобактера по отношению к
возбудителям бактериальных болезней растений. Азотобактер
синтезирует фунгистатический (задерживающий развитие грибов)
антибиотик группы анисомицина. Ряд грибных организмов,
встречающихся на семенах и в почве (виды из родов Fusarium,
Alternaria, Penicillium), может угнетать развитие многих видов
растений, особенно в холодную погоду. Азотобактер, продуцируя
противогрибные антибиотические вещества, помогает растениям
154
расти и развиваться, что имеет особенно большое значение в ранние
фазы развития.
К сожалению, способность азотобактера активно размножаться
в почве и проявлять с: многогранные качества весьма ограничена изза дефицита легкодоступных органических веществ в почве и высокой
требовательности мироорганизма к условиям среды обитания.
Поэтому стимулирующий эффект азотобактера проявляется лишь на
плодородных почвах.
Распространение азотобактера в почвах имеет определенные
закономерности. В целинных подзолах и дерново-подзолистых
почвах, характеризующихся кислой реакцией, условия для развития
азотобактера неблагоприятны. Только окультуривание таких почв
создает возможности для его развития. В почвах с повышенным
увлажнением и преобладанием луговой растительности (почвы пойм)
азотобактер обычно встречается в течение всего вегетационного
периода в больших количествах. В торфяниках азотобактер или
отсутствует, или развивается очень слабо. В зоне достаточно
увлажненных северных мощных черноземов азотобактер развивается
хорошо, а в зоне обычных и южных черноземов при отсутствии
орошения, а также в целинных и неполивных окультуренных
каштановых почвах только как весенний эфемер.
Некоторые представители микроорганизмов, обеспечивающих
фиксацию молекулярного азота приведены в приложении В.
7.7 Ассоциативные азотфиксаторы
Ассоциативные азотфиксаторы, принадлежащие к различным
родам и видам, имеют индивидуальные особенности в анатомическом
строении, физиологии, биохимии и, естественно, в процессах
взаимоотношения с растением. Разнообразие ассоциативных
взаимоотношений растений с микроорганизмами очень велико. Часто
микробиологи не делают различия между ассоциативными и
свободноживущими азотфиксаторами.
Однако ассоциативные взаимоотношения касаются, прежде
всего, так называемых ризосферных микроорганизмов, то есть тех
микроорганизмов, которые живут на поверхности корневой системы
растений. Микробы как бы колонизируют поверхность корневой
системы. При этом просматриваются черты взаимоотношений,
напоминающие взаимоотношения с растением симбиотических
азотфиксаторов. Имеются те же этапы: хемотаксическое узнавание,
лектин-углеводное узнавание и этапы установления прочных связей,
обусловленные обменом веществ, полезным и растению, и
155
микроорганизмам. При этом отсутствует этап образования
клубеньков.
Эффективность азотфиксации ассоциативной микрофлорой, по
сравнению с симбиотической, не столь велика, однако у
ассоциативных
азотфиксаторов
имеются
важные
свойства,
позволяющие помочь растению в его росте и развитии (синтез
фитогормонов, защита от фитопатогенов, разрушение токсических
веществ).
Из числа хорошо изученных азотфиксаторов выделяются
микроорганизмы рода азоспирилл. Они очень интересны, так как
колонизируют корни злаков и могут быть полезны в технологии их
выращивания. Азоспириллы, впервые выделенные М. Бейеринком в
1925 году в виде Spirillum lipoferum Beijerinckii, были вновь открыты
доктором Дж. Доберейнер в 1976 году и с тех пор благодаря ее
инициативе быстро попали в сферу интенсивного изучения.
Очень интересны ассоциативные взаимоотношения синезеленых
водорослей с водным папоротником азоллой, растущим в воде
рисовых полей Вьетнама, Китая, Индонезии. Естественно, что
биология этого явления и особенности самих синезеленых водорослей
имеют свою специфику и привлекают к себе внимание многих
биологов и технологов-рисоводов. Грань между симбиозом и
ассоциативностью при анализе многих азотфиксирующих пар
растение – микроорганизм размыта.
8 Механизм биологической фиксации молекулярного азота
Атомы в молекуле азота (N2) соединены тремя ковалентными
связями, энергия диссоциации которых равна 9,4 • 105 дж/молъ.
Наибольшей энергией - 5,3•105 дж/молъ - обладает первая связь,
вторая - 2,5•105 дж/молъ, третья - 1,6 • 105 дж/молъ. Эти связи очень
прочны, в связи, с чем молекулы азота химически инертны. Именно
инертность азота обусловливает необходимость его активации, так же
как и повышения химической активности вступающего с ним в
реакцию соединения или элемента.
Синтез аммиака из атмосферного азота химическим путем,
осуществляемый методом Габера - Боша, происходит при температуре
400 - 500 °С и высоком давлении (200-1000 атм). Клетки
микроорганизмов проводят процесс азотфиксации в обычных
условиях. У азотфиксаторов, как показал В. Л. Кретович,
интенсивность энергии обмена, в частности степень потребления
кислорода, значительно выше, чем у бактерий, неспособных
156
фиксировать азот. Также у них более активны ферменты. Однако,
каким путем эта энергия используется в процессе азотфиксации, до
настоящего времени еще точно не установлено.
В современных гипотетических схемах механизма азотфиксации
несомненное предпочтение отдается восстановительному характеру
превращений молекулярного азота, о чем в 20-е годы этого столетия
утверждали С. П. Костычев и С. Н. Виноградский, выдвигая
«аммиачную теорию» фиксации атмосферного азота. У всех
свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов, а также и при
симбиотической азотфиксации аммиак (NH3) обнаружен в качестве
первого стабильного продукта этого процесса.
Наиболее вероятно, что разрыв связей в молекуле азота
происходит не сразу, а последовательно, в результате действия
ферментных систем. В. Е.Шилов и Г.И.Лихтенштейн (1971)
предложили механизм активации азота ферментом нитрогеназой рисунок 45.
Рисунок
45 Шильниковой, 1974)
Схема действия нитрогеназы. (по В.
157
Молекулярный азот через щель размером 4-5 ангстрем, что
соответствует длине молекулы азота, поступает внутрь фермента и
здесь активируется. В его активации большая роль принадлежит
молибдено- и железосодержащим центрам, по цепям атомов которых
происходит эстафетная передача активирующих азот электронов от
восстановителя.
Реакции
активации
способствует
близость
группировок серы.
В результате активации и хемосорбции азота нитрогеназой
высвобождается энергия и происходит разрыв двух связей в молекуле
азота. На это расходуется 7,8*105 дж/моль. Третья связь разрывается
при внедрении в молекулу активированного азота: водорода,
активированного, в свою очередь, ферментами дегидрогеназной и
гидрогеназной систем. Получающийся аммиак или другие
восстановленные продукты азота реагируют с кетокислотами, образуя
аминокислоты.
В.С. Шевелуха с соавторами приводят следующую схему
нитрогеназной активности, сопровождающей фиксацию азота –
рисунок .46. На схеме показано, что он состоит из трех типов белков
(α, β и γ) и двух кофакторов: молибден-железо-(MoFe)-содержащего
и железо (Fe)-содержащего. Нитрогеназа состоит из двух субъединиц:
большой - динитрогеназы, в состав которой входит MoFe-кофактор
(которую также называют компонентом 11) и малой – редуктазы
динитрогеназы, содержащей Fe-кофактор (компонент 1).
Восстановление молекул азота происходит при ее
взаимодействии с MoFe-кофактором (см. рисунок 45), то есть на
динитрогеназе. Функция редуктазы заключается в передаче
электронов на динитрогеназу. Ионы железа входят в состав обоих
компонентов в геминовой (редуктаза динитрогеназы) или
негеминовой (динитрогеназа) формах.
Несмотря на сложность структуры, нитрогеназа обладает низкой
субстратной специфичностью: она способна восстанавливать
широкий спектр соединений с тройной связью, в том числе
превращать ацетилен в этилен. Суммарная реакция, катализируема
нитрогеназой, выражается уравнением:
N2 + 8H+ + 8e- + 16ATФ = 2NH3 + H3 + 16АДФ +16Фн
Большое количество молекул АТФ, необходимых для реакции,
показывает ее высокую энергоемкость, которая гораздо выше, если
учесть энергетические затраты на синтез нитрогеназы и
обслуживающих ее ферментов. Подсчитано, что для фиксации 1 г
158
азота необходимо затратить 100-200 г глюкозы, поэтому понятно, что
азотфиксация будет происходить при дефиците доступных форм азота
и достаточных источниках энергии.
nif H – ген, кодирующий структуру γ-белков нитрогеназы; nif K–
ген, кодирующий структуру β -белков нитрогеназы; nif D – ген,
кодирующий структуру α -белков нитрогеназы.
Рисунок 46 - Структура и функции нитрогеназы (по В.С.
Шевелуха с соавт)
Наиболее
эффективным
источником
энергии
для
микроорганизмов являются окислительное фосфорилирование и
фотосинтез. Однако нитрогеназа очень чувствительна к свободному
кислороду и необратимо инактивируется даже при небольших
концентрациях кислорода, что затрудняет сопряжение аэробных
энергетических процессов и фиксации азота. Поэтому у
159
микроорганизмов-азотфиксаторов появились различные механизмы,
позволяющие решать эту проблему. У свободноживущих диазотрофов
это достигается либо тем, что гены, кодирующие нитрогеназу,
активизируются
только
в
анаэробных
условиях
или
микроаэрофильных
условиях
(свободноживущие
эубактерии,
архебактерии), либо тем, что азотфиксирующие клетки образуют
плотную оболочку, которая очень медленно пропускает кислород
(гетероцисты цианобактерий). В симбиотических системах, функцию
защиты нитрогеназы от кислорода выполняет, как правило, хозяин.
Синтез и созревание нитрогеназы кодируется сложной системой
nif-генов, многие из которых являются общими для всех
азотфиксаторов. У наиболее изученного из них – энтеробактерии
Klebsiella pneumoniae – эта система включает 25 генов, собранных в
единый кластер и организованных в семь транскрипционных единиц.
Гены nif H, nif D, nif K кодируют структуру γ-, α- и β-белков
нитрогеназы; гены nifМ, nifS, nifU, nifY – процессинг этих белков.
Специальная группа генов – nifВ, nifЕ, nifN, nifV – контролирует
синтез MoFe-кофактора. Помимо генов, кодирующих структуру
компонентов нитрогеназного комплекса, nif - оперон Klebsiella
содержит два регуляторных гена, nifА кодирует белок, активирующий
транскрипцию генов nifHDK и других nif-генов, а продукты nif гена
nifL репрессируют транскрипцию nif-генов в присутствии кислорода
или связанного азота. У многих азотфиксаторов nifL отсутствует, и
его функцию выполняют другие гены.
8.1 Преинфекционные (сигнальные) взаимодействия
Развитие
бобово-ризобиального
симбиоза
сложный
многостадийный процесс, который включает четыре группы
процессов:
- ранние (преинфекционные) взаимодействия;
- морфогенез клубеньков;
- регуляция развития эндосимбионтов;
- функционирование клубеньков, как органов азотфиксации.
Все эти процессы находятся под контролем взаимодействующих
организмов – растения-хозяина и микроорганизмов. Обмен партнеров
молекулярными сигналами происходит при любых симбиотических
взаимодействиях. На ранних этапах симбиоза это обеспечивает
переход организмов из свободноживущего в симбиотическое
состояние, на более поздних – метаболические и морфогенетические
процессы, обеспечивающие функционирование симбиоза. Сигналы
160
часто действуют на уровне транскрипции и трансляции геновмишеней.
Образование симбиоза клубеньковых бактерий начинается с
реакции ризобий на растительные флавоноиды, которые активируют
бактериальные гены вирулентности nod (от англ. nodulation –
клубенькообразование). На рисунке 47 показана структура nodфакторов ризобий, показаны наиболее важные заместители – ацильная
группа на нередуцирующем конце (С18:1 или С18:4) и варианты
заместителей в позиции R5 на редуцирующем конце.
Рисунок 47
Шевелуха с соавт.)
- Структура
161
nod-факторов ризобий (по В.С.
Под контролем этих генов ризобии синтезируют липо-хитоолигосахаридные nod-факторы, которые инициируют ранние стадии
развития клубеньков. К настоящему времени известно более 50 генов
вирулентности у ризобий. Некоторые из этих генов одинаковы, как
структурно, так и функционально, для разных ризобий, другие
специфичны для каждого вида или даже штамма.
Мутации в одинаковых nod-генах (nodА, nodВ, nodС) приводят к
нарушению самой ранней стадии развития симбиоза – скручивания
корневых волосков. При мутациях генов хозяйской специфичности
(nodH, nodP, nodQ, nodZ, nodX) обычно нарушаются более поздние
стадии взаимодействия, связанные с формированием инфекционных
нитей и клубеньковых меристем. Важные различия между этими
группами генов вирулентности выявляются и при переносе их между
разными видами ризобий.
Перенос генов хозяйской специфичности обычно приводит к
тому, что штамм-реципиент приобретает способность формировать
клубеньки у растений–хозяев штамма-донора. При переносе
одинаковых, неспецифичных nod-генов такого эффекта не
наблюдается, однако, если реципиентом является вирулентный
мутант с нарушением собственных nod-генов, одинаковых для разных
видов, то у него наблюдается восстановление способности
формировать клубеньки на исходных растениях-хозяевах.
Гены обеих групп являются индуцибельными: их активность
первоначально удавалось зарегистрировать только после попадания
ризобий в ризосферу растения. При этом флавоноиды, выделяемые в
почву семенами или корнями бобовых, взаимодействуют с
бактериальным белком NodD, который в результате приобретает
способность активировать транскрипцию остальных nod-генов (nodD
– единственный конститутивно работающий ген вирулентности
ризобий).
Белок NodD связан с внутренней мембраной ризобиальной
клетки, через которую проникают флавоноиды. Взаимодействуя с
ним, белок NodD изменяет свою конформацию, в результате чего
становится возможным его связывание с консервативной
последовательностью «nod-box», расположенной в промоторах
индуцибельных генов вирулентности. В результате повышается
сродство этих промоторов к РНК-полимеразе и индуцируется их
транскрипция. Схема обмена сигнальными молекулами между
горохом и бактерией Rhizobium leguminosarum приведена на рисунке
48.
162
Рисунок 48 - Схема обмена сигнальными молекулами между
горохом и бактерией Rhizobium leguminosarum (по В.С. Шевелуха с
соавт)
Как показано на рисунке, корни растений выделяют
специфические флавоноиды, которые в комплексе с бактериальным
белком NodD активизируют синтез бактериальных сигнальных
молекул - Nod-факторов. Их биосинтез кодируется nod-генами,
расположенными на Sym-плазмиде.
Конечным продуктом действия генов вирулентности являются
Nod-факторы, способность к синтезу которых – уникальное свойство
ризобий. Эти факторы представляют собой модифицированные
синтезируют липо-хито-олигосахариды, которые состоят из 3-6
остатков N-ацетилглюкозамина и радикала ненасыщенной жирной
кислоты, содержащего 16-20 атомов углерода – рисунок 47.
Биосинтез этих факторов включает процессы:
- полимеризация N-ацетилглюкозамина (синтезируемых из
фукозы под контролем белка NodМ) с образованием 1—4-βгликозидных связей. Эта реакция, катализируемая белком NodС,
приводит к образованию олигомеров хитина;
- деацетилирование «нередуцирующего» концевого остатка
глюкозамина в положении R1 (катализируется белком NodВ) и
последующее присоединение к атому азота жирнокислотного остатка
(катализируется белком NodА);
163
- модификация образовавшегося липо-хито-олигосахарида
(коровая часть Nod-фактора): атомы водорода на «редуцирующем» и
«нередуцирующем» концах замещаются на различные радикалы
(фукозил, сульфат, метил, ацетил и др.) – рисунок 49.
GlcNac - N-ацетилглюкозамин; GDP-Fucose - гуанозиндифосфофукоза; Acetyl Coa - ацетил-кофермент; PAPC 31-фосфоаденозин-51фосфосульфат; SAM – S-аденозил-метионин.
Рисунок 49 - Биосинтез Nod-факторов (по В.С. Шевелуха с
соавт.)
164
Приведенные стадии биосинтеза Nod-факторов контролируются
разными группами nod-генов: синтез коровой части происходит под
контролем «общих» nod-генов, а его модификация – под контролем
генов хозяйственной специфичности.
Очищенные Nod-факторы в
-8
-12
концентрации всего 10 - 10
М инициируют ранние стадии
формирования симбиоза, скручивание корневых волосков, закладку
клубеньковых меристем, а у некоторых бобовых, даже начальные
стадии гистогенеза клубеньков. Отмечено, что Nod-факторы – это те
сигналы, которые в значительной степени определяют специфичность
всего процесса симбиотического взаимодействия. Наибольшую роль в
этом играют модификации Nod-факторов, осуществляемые под под
контролем генов хозяйственной специфичности.
Синтез и фенотипические эффекты Nod-факторов достаточно
изучены, так как выделяются бактериями в среду, и их действие
может быть легко промоделировано в системах in vitro. В меньшей
степени изучены процессы рецепции бактериального сигнала и его
последующей передачи в растении. В настоящее время показано, что
перенос генов, контролирующих синтез некоторых фракций корневых
лектинов, между разными бобовыми может сопровождаться
расширением симбиотической специфичности. Выявлены фракции
корневых лектинов бобовых, которые специфически связываются с
Nod-факторами in vitro и при этом важны для образования симбиоза
(обработка корней антителами, полученными на данные лектины,
блокируют образование клубеньков). По-видимому, растительные
лектины являются по меньшей мере одним из компонентов системы
рецепции Nod-факторов.
8.2 Структурная основа симбиоза
Клубеньки
бобовых
растений
выполняют
комплекс
взаимосвязанных функций, обеспечивая экологическую нишу для
эндосимбионтов, создавая структурную основу для обмена
партнерами метаболитами, а также осуществляя контроль
численности и активности бактерий. Развитие клубеньков базируется
на сигнальных процессах, вызывающих дифференциальную
экспрессию генов. В случае симбиоза эти процессы связаны с
экзогенными сигналами, поступающими от другого организма. Кроме
того,
формирование
клубеньков
является
для
растений
факультативным, не обязательным для нормального развития и
репродукции, при этом основная генетическая информация,
необходимая для морфогенеза клубеньков, находится в геноме
ризобий.
165
Среди наиболее изученных клубеньков «недетерменированного
стеблевого» типа - представители бобовых – горох, клевер, люцерна.
На рисунке 50 показано развитие азотфиксирующего клубенька
гороха.
Рисунок 50 - Развитие азотфиксирующего клубенька гороха
(по В.С. Шевелуха с соавт.)
Инфицирование этих бобовых ризобиями происходит через
корневые волоски, которые при этом скручиваются, как это показано
на рисунке. В месте наиболее резкого сгиба волоска происходит
гидролиз клеточной стенки и глубокая инвагинация плазмалеммы, в
которой участвуют мембранные структуры растительной клетки
(аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум), происходит не
активное внедрение бактерий в корневые волоски, а скорее захват ими
бактерии-симбионта.
В
результате
этих
событий
вокруг
бактериальных клеток образуется особое пространство, называемое
инфекционной нитью, стенки которого сходны со стенками
166
растительных клеток, а
внутреннее пространство заполняется
веществом, в образовании которого участвуют оба партнера.
Параллельно с описанным выше процессом происходит
закладка клубеньковой меристемы, связанная с митотической
реактивацией, дифференцировкой и пролиферацией клеток кортекса,
индуцируемой Nod-факторами. в возникающем клубеньковом
примордии начинаются процессы гистогенеза, в результате чего
формируются покровная, проводящая и азотфиксирующая ткани
клубенька. Развивающаяся инфекционная нить, через 2-3 суток после
инокуляции достигает основания корневого волоска, проникает в
кортекс, а затем и в растущий клубенек, где разрастается и ветвится.
Ключевой стадией развития эндосимбиоза является переход
бактерий из инфекционной нити в растительные клетки,
происходящий путем эндоцитоза. В месте впячивания инфекционной
нити в растительную ткань образуются временные структуры –
инфекционные капли, от которых отшнуровываются мембранные
пузырьки, содержащие бактерии. Таким образом, бактерии никогда не
располагаются свободно в растительной цитоплазме – они заключены
в «перибактероидные» мембраны, которые образуются с участием
телец аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума, однако
содержат и бактериальные белки. Бактериальная клетка или группа
клеток, окруженные такой мембраной выделяются как основная
субклеточная единица симбиоза – симбиосома.
Некоторое время после выхода из инфекционной нити ризобии
сохраняют свои размеры и палочковидную форму, а затем
дифференцируются в особые формы – бактероиды, которые, как уже
отмечалось, значительно превосходят по размерам свободноживущие
бактерии, а их форма варьирует от шарообразной и грушевидной у
клевера до Y- или Х-образной у гороха.
Дифференциация бактерий связана репрессией многих генов,
которые необходимы для автономного роста. Эта репрессия настолько
глубока, что бактероиды уже не могут превращаться в
свободноживущие клетки и гибнут после отмирания клубеньков. В
бактероидах активируется синтез нитрогеназы, катализирующей
восстановление молекулярного азота до аммонийной формы, а также
других ферментов, обслуживающих нитрогеназную реакцию, после
чего начинается фиксация атмосферного азота. Гистологическая
структура клубенька недетерменированного типа в его развитии
показана на рисунке 51.
167
Рисунок
51
- Гистологическая структура
недетерменированного типа (по В.С. Шевелуха с соавт.)
клубенька
Параллельно с формированием симбиосом происходит и
дифференцировка инфицированных растительных клеток. Она
выражается в возрастании количества внутриклеточных мембранных
структур, которые участвуют в формировании перибактероидных
мембран и в биосинтетических процессах. Для инфицированных
клеток характерна полиплоидизация и декоденсация хроматина,
связанная с усилением транскрипционной активности. На
биохимическом их дифференцировка выражается в синтезе de novo
ряда белков.
Этот процесс завершается формированием сложно устроенного
клубенька
«недетерменированного»
типа.
Его
основными
структурами являются:
- инфицированная бактериями ткань, в которой происходит
фиксация молекулярного азота;
- проводящие пучки, по которым поступают растительные
продукты фотосинтеза и выносятся продукты азотфиксации;
- апикальная меристема, за счет которой происходит рост
клубенька.
Она
обеспечивает
постоянное
обновление
азотфиксирующей ткани
168
8.3 Механизм взаимодействия растения и азотфиксатора
В симбиотических азотфиксирующих системах фиксация азота
осуществляется
в
результате
сложного
взаимодействия
микроорганизма и высшего растения. Несомненно, механизм процесса
азотфиксации в клубеньках имеет своеобразные особенности,
обусловленные совместным функционированием двух совершенно
различных по своим свойствам партнеров, присутствием
леггемоглобина, принимающего участие в процессе фиксации, и
наличием бактероидов.
Процесс фиксации в симбиотической системе иллюстрируется
схемой - рисунок 52, где видно, что растение и бактерии
функционируют в единстве и что электрон-транспортной цепью
между ними является леггемоглобин.
Высшее
растение
по
схеме
является
источником
углеродсодержащих соединений. Их трансформация обеспечивает
получение энергетического материала для процессов активации и
восстановления N2. Активированный азот - конечный акцептор
электронов. Продукты неполного окисления углеродсодержащих
соединений служат акцепторами NH3 и в клубеньках образуют
аминокислоты, которые становятся доступными высшему растению.
Растения
выполняют
роль
накопителя
углеродсодержащих
соединений (продуктов фотосинтеза) и поставщика энергии.
Клубеньковые бактерии в стадии бактероидов проявляют
способность с помощью нитрогеназы переносить активированный
водород к азоту. Путь от N2 до NH3 рассматривается как
восстановительный процесс. В последнее время получены
доказательства локализации процесса азотфиксации в бактероидах с
помощью измерения азотфиксирующей активности у фракции
бактероидов, которую отделяли центрифугированием от других
фракций клубенька.
8.4 Энергетическое обеспечение азотфиксации
Основным
источником
энергии
для
симбиотической
азотфиксации, служит фотосинтез растения хозяина. Продукты
фотосинтеза транспортируются в клубеньки преимущественно в виде
сахарозы. Затем растение осуществляет анаэробный этап катаболизма
сахарозы (гликолиз), в ходе которого вырабатывается относительно
небольшое количество энергии.
На долю микросимбионта
приходится выполнениеболее
выгодной энергетической части катаболизма – цикла трикарбоновых
кислот (ЦТК). Основными углеводами, поступающими в бактероиды
169
от растения-хозяина, являются С4 –дикарбоновые кислоты – главным
образом сукцинат и малат., которые непосредственно включаются в
ЦТК.
Рисунок 52 - Схема симбиотической азотфиксации (по В.
Шильниковой, 1974)
170
Поэтому интенсивность работы нитрогеназной системы
бактероидов в значительной степени определяется генами,
обеспечивающими транспорт дикарбоновых кислот в бактероиды.
Основную роль в этом процессе играют три гена: dctA (кодирует
мембранную сукцинат-пермеазу), dctB и dctD (кодируют белки
двухкомпонентной
регуляторной
системы,
определяющие
транскрипцию dctA). Белок DctВ является сенсором, встроенным в
мембрану бактероидов
и реагирующим на присутствие
дикарбоновых кислот, а DctD взаимодействует с промотором гена
dctA, облегчая посадку на него РНК-полимеразы. Система транспорта
дикарбоновых кислот является одним из «узких мест»,
лимитирующих интенсивность симбиотической азотфиксации.
Со
стороны
растения-хозяина
энергетика
клубеньков
обеспечивается синтезом клубенек-специфичных изоформ ферментов
С-метаболизма – рисунок 53. среди них одно из центральных мест
занимает сахарозосинтетаза (SS), гидролизующая сахарозу с участием
уридиндифосфата. Образующиеся в результате гидролиза гексозы
(глюкоза и фруктоза) претерпевают обычный путь катаболизма –
гликолиз. Альтернативный путь – пентозофосфатный цикл, повидимому, имеет в клубеньках второстепенное значение.
Так как количество углерода в клубеньках является одним из
основных факторов, лимитирующих азотфиксацию, важное значение
приобретает нефотосинтетическая (темновая) фиксация углекислого
газа, катализируемая фосфоенолпируваткарбоксилазой (PEPC):
Фосфоенолпируват + СО2 = малат.
Эта реакция – источник около четверти атомов углерода,
поступающих в составе малата и других энергетических субстратов в
бактероиды. Таким образом за счет работы PEPC рециклизируется
существенная часть двуокиси углерода, выделяемой при дыхании,
которое в клубеньках идет очень активно.
8.5 Ассимиляция фиксированного углерода
Органические соединения, поступающие в клубеньки, являются
не только источниками энергии для азотфиксации, но и углеродных
«заготовок, структур»
для ассимиляции фиксированного азота.
Образовавшийся в процессе азотфиксации аммоний поступает из
бактериоидов в цитоплазму растительных клеток клубенька либо в
свободной форме, либо в составе аланина (который образуется из-за
171
SSase – сахарозосинтаза, PEP - фосфоенолпируват, PEPCase фосфоенолпируваткарбоксилаза, OA оксалоацетат, MDH малатдегидрогеназа,
DctA сукцинатпермеаза, GS глутаминсинтетаза, GOGAT - глутаматсинтаза, dcA - дикарбоновые
кислоты (малат, сукцинат), TCA - цикл трикарбоновых кислот, GLU глутамин, GLN - глутамат, αketoGLU – α-кетоглутарат, FixGHIS и
FixNOQP - специфические для бактероидов цитохромы с высоким
сродством к кислороду, PBM - перибактероидная мембрана, BM мембрана бактероида.
Рисунок 53 – Метаболическая интеграция партнеров при
образовании азотфиксирующего симбиоза (по В.С. Шевелуха с соавт.)
172
активности бактериальной аланин-дегидрогеназы. Фиксированный
азот включается и в метаболизм растительной клетки. В этом
процессе различают стадии первичной ассимиляции азота (вовлечение
аммония в клеточный метаболизм), образование транспортных форм
фиксированного азота (которые поступают из клубеньков в
проводящую систему корня) и транслокации фиксированного азота
(его перераспределение между разными органами растения). В
первичной ассимиляции и образовании транспортных форм
фиксированного азота ключевую роль играют клубенек-специфичные
формы ферментов азотного обмена, синтезируемые растением.
В растительных клетках усвоение аммония начинается
реакциями,
которые
контролируются
ферментами
«глутаматсинтазного цикла» - глутаминсинтетазой (GS) и NADH –
зависимой глутаматсинтазой (NADH-GOGAT). Вторым ферментом
глутаматсинтазного цикла является NADH-GOGAT, локализованная,
в отличие от клубенек-специфичной GS, в пластидах растительных
клеток.
Помимо глутамина, главной транспортной формой азота у
большинства бобовых, произрастающих в умеренных широтах
(гороха, люцерны и др.), являются амиды – в основном, аспарагин.
Эти бобовые выделяют в «амидный» тип. У других бобовых ( фасоль,
соя) транспорт азота происходит в виде уреидов – аллантоина и
аллантоиновой кислоты. Эти бобовые относят к «уреидному» типу.
У «амидных» бобовых все основные реакции усвоения
фиксированного азота происходят в тех же клетках, которые содержат
симбиосомы.
При
этом
важную
роль
играет
аспартатаминотрансфераза (ААТ), которая катализирует реакцию
образования аспартата – предшественника аспарагина. В метаболизме
«уреидных» клубеньков важную роль играет
уриказа. Она
осуществляет один из конечных этапов биосинтеза уреидов –
образование аллантоина путем окисления мочевой кислоты,
образующейся при окислении пуринов.
9 Иммобилизация фосфора микроорганизмами
Биогеохимия фосфора очень сильно отличается от биогеохимии
других биофильных элементов – углерода, кислорода, азота, серы.
Газообразная форма этих соединений является обязательным звеном в
их биогеохимии. Газовые формы соединений фосфора, например, РН 3,
в его биогеохимическом круговороте почти не представлены. Однако
значение фосфора в жизни всех живых организмов очень велико. Без
173
фосфора нарушается состав тканей мозга, скелета, панцирей,
энергетика клетки, становится невозможным процесс биосинтеза
белка. Соединения фосфора играют огромнейшую роль в
жизнедеятельности всех организмов, отдельных экосистем и
биосферы в целом. Являясь таким же облигатным биогенным
элементом, как углерод, кислород, азот, фосфор вовлекается в
биогеохимический круговорот совместно с этими элементами.
Проблема обеспечения растений фосфором может решаться
разными путями. Один из них – использование жизнедеятельности
почвенных микроорганизмов для повышения усвояемости растениями
фосфатов почв и удобрений. Некоторые
микроорганизмы,
в
особенности микоризные грибы и некоторые ризобактерии, способны
усиливать поступление фосфора в растение. Бактерии могут
использовать две системы повышения концентрации экзогенного
фосфата:
- за счет гидролиза органических фосфатов под действием
фосфатаз;
- путем растворения минеральных фосфатов за счет продукции
кислот.
Еще в начале века было установлено, что некоторые почвенные
микроорганизмы способны при наличии доступного органического
вещества растворять фосфаты кальция. В разных типах почв
микроорганизмы, способные растворять фосфаты кальция, могут
составлять 5 – 95% от общей численности микробов, причем
корреляция между их количеством в почве и ее механическим
составом, кислотностью, содержанием гумуса, азота, фосфора не
обнаружена.
Так,
изучение
почв
Приморья
показало,
что
фосфатрастворяющие микроорганизмы были выделены из всех
исследуемых почв. Количественно они составляют 13-50% от общей
численности,
высокая
численность
фосфатрастворяющих
микроорганизмов свойственна только верхним горизонтам. Вниз по
профилю она резко падает. Численность микроорганизмов
растворяющих железофосфаты, в 4-5 раз больше, чем
микроорганизмов, растворяющих алюмофосфаты. Микроорганизмы
способны растворять даже такой стойкий фосфорсодержащий
минерал, как фторапатит, благодаря образованию органических
кислот. Но подкисление не единственный, хотя, по-видимому,
главный механизм биологической мобилизации фосфора кальциевых
фосфатов.
174
Большой интерес представляет работа С.И. Воронова (1966),
установившего по данным стерильных опытов на кварцевом песке,
что мобилизация Р2О5 фосфоритов бактериями, растворяющими
фосфаты, происходит не вследствие подкисления среды, а является
результатом других процессов.
В зависимости от кислотности среды, создаваемой
физиологически
кислыми
солями,
происходит
накопление
углекислорастворимого Р2О5 . Максимальное накопление было
отмечено в варианте с сульфатом аммония при наибольшем
подкислении среды. С уменьшением кислотности снижается
содержание углекислорастворимого Р2О5. Бактерии, растворяющие
фосфаты, не изменяют кислотности среды, но способствуют
расщеплению фосфорита. За первые 10 дней они усиленно
размножались, усваивая растворенный Р2О5 .В этот период
наблюдалось резкое снижение Р2О5 , в дальнейшем его содержание
резко возросло и через 28 дней достигло 50 мг на 1г фосфорита.
Влияние
бактерий
на
динамику
накопления
углекислорастворимого Р2О5 отмечено и при нейтрализации среды
СаСО3 с доведением рН до 7,3. В период инкубирования заметного
изменения рН не наблюдалось, однако, растворение фосфорита было
значительным. Так через 21 день содержание Р2О5 достигло – 21,8 мг
на 1 г фосфорита, в контроле оно составило – 12,25 мг/1 г.
Существует немало
органических веществ, продуктов
жизнедеятельности микроорганизмов, которые связывают кальций
сильнее, чем фосфорная кислота. В частности, многие органические
соединения
(кислоты,
сахара)
образуют
с
кальцием
недиссоциирующие хелатные комплексы. Если поместить фосфат
кальция в раствор такого вещества, то кальций будет им связываться,
а фосфор освобождаться и переходить в раствор, который может быть
при этом нейтральным и даже щелочным.
Гораздо устойчивее к растворению, чем фосфаты кальция,
фосфаты железа и алюминия. В отличие от фосфатов кальция они
стойки при умеренно кислой реакции среды. Именно поэтому такие
соединения накапливаются в кислых почвах.
В красноземной почве с высоким содержанием окислов
алюминия и железа фосфатрастворяющие микроорганизмы (бактерии
и грибы) были обнаружены под всеми изученными субтропическими
культурами (чайный куст, лавр благородный, мандарин) причем их
численность и видовой состав были различны. Наибольшее
количество фосфатрастворяющих микроорганизмов обнаружено на
мандариновых плантациях.
175
Микроорганизмы способные к растворению фосфатов
полуторных окислов, распространены также в южном и
выщелоченном черноземах, лугово-черноземной, серой лесной,
дерново-подзолистой почвах Западной Сибири. Результаты опытов
показали, что максимальное количество фосфора, которое могло быть
в течение 10-24 суток переведено в раствор из фосфата железа
(внесено 252 мг Р/л), составило для Neocosmopora vasinfecta - 66,1%,
Penicillum luteum – 44,4%, Penicillum purpurogenum – 38,8%, а из
такого же количества фосфата алюминия составило для Acpergillus
niger – 85,4% и Р.fluarescens – 67,1%.
Зависимость между рН среды и интенсивностью растворения
микроорганизмами фосфатов алюминия и железа в этих опытах
отсутствовала. В целом ортофосфаты алюминия несколько легче
растворялись под воздействием продуктов жизнедеятельности
почвенных микроорганизмов, чем фосфаты железа.
По-видимому, для растворения фосфатов железа и алюминия
наибольшее значение имеет механизм, основанный на связывании
катионов микробными метаболитами. Процесс растворения
минеральных фосфатов в почве не имеет специфических
“возбудителей” может вызываться деятельностью самых разных
представителей почвенных микроорганизмов.
Другая большая группа почвенных фосфатов, малодоступных
растениям – органические соединения. Среди почвенных
органофосфатов важное место занимает фитин, точнее, соли
фитиновой кислоты, в силу их особой стойкости. В 1975 году
Муромцевым и Самойловой впервые были описаны микроорганизмы
(бактерии и грибы), способные к растворению фитатов кальция,
железа и алюминия. Было показано их широкое распространение в
почвах СССР, где они составляют от 1 до 50% от общей численности
микроорганизмов при выделении на плотной глюкозо-аспарагиновой
среде.
При изучении микрофлоры корней пшеницы были обнаружены
бактерии, способные использовать фосфор из органических
фосфатных соединений. В результате работы было установлено что
способностью использовать фосфор из органических соединений
обладают представители 14 видов микроорганизмов, но не все
штаммы данного вида имеют это свойство. Так, из 8 культур Bacillus
agile denitrificans две способны расти на среде без растворимого
фосфора; из 7 культур Pseudomonas liquida – одна, из 16 Ps.
Radiobacter – 6; из 13 культур Ps. Fluorescens и Ps. Zelinckii четыре; из
176
8 Chromobacterium denitrificans – 1; Mycobacterium luteum – 1; из двух
культур Proactinomyces albicans – 1.
Механизм растворения микроорганизмами ортофосфатов и
фитатов по-видимому одинаков. И в том и в другом случаях соли
кальция растворяются в первую очередь при подкислении среды, а
соли железа и алюминия – в результате конкурентного связывания
металлов продуктами жизнедеятельности микроорганизмов. Однако в
случае фитатов одного растворения недостаточно – ортофосфат
должен быть отщеплен от органической части молекулы инозита.
Полученные данные позволили сформулировать концепцию
двухфазности микробиологической мобилизации фосфора фитатов,
наиболее распространенных органофосфатов почвы:
- первая фаза (неспецифическая) – растворение фитатов
кальция, железа, алюминия – весьма сходна с растворением
аналогичных минеральных фосфатов и может осуществляться
разнообразными микроорганизмами;
- вторая фаза (специфическая) – ферментативное разрушение
водорастворимых фитатов с высвобождением ортофосфата. Как
показали эти исследования, эта фаза осуществляется в разных почвах
(подзолистый чернозем, серозем, краснозем) специфической группой
микроорганизмов, среди которых ведущую роль играют Agrobacterium
tumefascins и Fusarium sp.
Для оценки эффективности минерального фосфорного питания
растений, вышеописанных мобилизующих процессов важно учесть
следующее. Свободные минеральные фосфаты (в первую очередь
ортофосфаты) активно связываются в почве, и срок их существования
там должен быть велик. Соответственно невелики шансы, что эти
растворимые фосфаты успевают достигнуть корня, если процесс
произошел в некотором отдалении от него. Правда, и в этом случае,
замена стойких первичных фосфатов на свежеосажденные – процесс,
безусловно, положительный.
Картина радикально изменяется, если эти процессы происходят
в ризосфере, активной прикорневой зоне почвы. Здесь действует
градиент движения растворенных питательных минеральных
элементов из почвы в корень, и есть основание считать, что фосфор,
освобожденный ризосферной микрофлорой, может быть использован
растениями. Тем более, что в ризосфере сравнительно много
доступного для микроорганизмов органического вещества (корневые
остатки и выделения), необходимого для осуществления описанных
процессов.
177
Исследователи, изучающие динамику фосфора в почве, стали
обращать внимание на связь процессов мобилизации фосфора
труднодоступных фосфатов с динамикой содержания органического
вещества в почве. Разнообразные органические вещества – продукты
жизнедеятельности микроорганизмов, могут образовывать с
кальцием, железом и алюминием соединения, более устойчивые, чем
фосфаты соответствующих оснований. В этом случае реакция между
труднорастворимыми фосфатом и органическим соединением будет
идти в одну сторону; с образованием недиссоциирующего
органометаллического комплекса и выделением в почвенный раствор
эквивалентного количества фосфата.
Такими органическими веществами являются анионы
различных карбо- и аминокислот, некоторые сахара, а также гумус и
лигнин. Среди наиболее активных анионов отличаются цитрат,
тартрат и оксалат, кроме того, на интенсивное растворение фосфатов
железа и алюминия оказывают анионы изоаскорбиновой, галловой и
муциновой кислот. Эти же анионы, в основном ди-, трикарбоновых
кислот (сюда же относятся яблочная и янтарная кислоты), дают
трудно растворимые соединения с кальцием.
Если по отношению к рН растворимость фосфатов кальция и
фосфатов железа и алюминия в чистых растворах не одинакова, то
при взаимодействии с анионами органических кислот между ними
обнаруживается большое сходство, а
именно, интенсивное
растворение в присутствии солей лимонной, щавелевой, винной и
некоторых других. С одной стороны, сохраняет свое значение
непосредственное воздействие Н+ и ОН- ионов на фосфат, а с другой
рН будет в большей степени определять устойчивость
органометаллического комплекса.
Например, при повышении рН с 3,4 до 6,3 растворимость
фосфатов железа и алюминия повысилась при взаимодействии с
цитратом и понизилась при взаимодействии с тартратом. Это связано
с тем, что цитраты железа и алюминия устойчивы при более высоких
значениях рН, чем тартраты этих металлов. Отсюда вытекает, что при
наличии в среде специфических органических веществ, в частности
анионов некоторых органических кислот, растворение фосфатов
кальция, железа и алюминия может происходить при любом значении
рН, в зависимости от природы образующегося органометаллического
комплекса. Это позволяет объяснить процесс растворения фосфатов
кальция почвенными микроорганизмами при самых различных
значениях рН. Продукты жизнедеятельности бактерий образуют
178
соединения, не диссоциирующие в тех или иных зонах рН, при этом
высвобождается соответствующее количество фосфора.
Схематически этот процесс можно представить так:
Ме–фосфат (осадок) + В  Ме-В (осадок или комплекс) +
фосфат,
где В – продукт жизнедеятельности микроорганизмов; образующий с
кальцием, железом и алюминием не диссоциирующий комплекс или
осадок.
Наибольшее количество фосфата будет переходить в раствор в
том диапазоне рН, при котором данное органометаллическое
соединение наиболее растворимо.
Широко распространенное, мнение о почве как о субстрате,
подобии питательной среды, которую можно заселить любыми
микроорганизмами, глубоко неверно. Заселение микробами
отдельных участков (как было показано, часто очень мелких) может
иметь место в течение непродолжительного времени. Затем вступают
в действие регуляторные механизмы, и популяции «пришельцев»
оказываются сведенными к минимуму. Настойчивые попытки на
протяжении многих лет применить бактеризацию (внесение) почвы
микроорганизмами с полезными для растений свойствами
(фиксаторов азота, активных минерализаторов фосфорсодержащих
веществ) оказались неуспешными, однако практическая важность
использования
эффективной
способности
микроорганизмов
мобилизовывать
многие
элементы
минерального
питания
обеспечивают большой интерес к этой проблеме.
До последнего времени исследования мобилизации фосфатов
алюминия и железа не проводились из-за отсутствия эффективных
методов выделения активных культур. Метод, разработанный
Муромцевым и Павловой (1975) открыл широкие возможности для
выделения микроорганизмов, растворяющих фосфаты алюминия и
железа. Применение этого метода позволило впервые выделить из
разных типов почв (дерново-подзолистой, красноземной, сероземной
и черноземной) микроорганизмов, способных растворять фосфаты
полуторных окислов. Их численность составляет от 1 до 40% от
общего количества микроорганизмов, учитываемых при высеве
почвенной суспензии на агаризованную глюкозо – аспарагиновую
среду.
179
9.1 Действие фосфатмобилизующих микроорганизмов на
минеральные частички
В почвах общие запасы фосфора очень малы, 0,1-0.2% Р2О5, и
незначительная доля - 10-20% представлена соединениями,
относительно доступными для растений, на 50-60% соединениями,
малодоступными и на 20-40% соединениями, недоступными для
растений. Из всего количества фосфора пахотного слоя почвы 2/3
приходится на минеральные соли ортофосфорной кислоты, а 1/3 – на
органические соединения, половина которого представлена фитатами.
При высоких урожаях из почв выносится до 50-60 кг Р2О5 на га.
Поскольку притока соединений фосфора в виде биогенной фиксации
из воздуха не существует, большинство фосфорных соединений слабо
растворима в почвенном растворе, дефицит этого элемента в почвах и
водах суши и океана постоянно ограничивает биологическую
продуктивность нашей планеты.
Даже самые лучшие почвы без регулярных внесений фосфорных
удобрений через 40-50 лет использования очень сильно истощаются, и
урожаи на них падают. Дефицит фосфора в почвах для растений
обостряется
низкой
физиологической
доступностью
его
нерастворимых соединений и особенно необратимой фиксацией в
почве самого фосфора, которая достигает зачастую огромных
величин, от 500 мг Р2О5 до 1800 мг на 1 кг почвы. Это обстоятельство
– основная причина того, что для получения высоких урожаев на
полях даются завышенные нормы фосфорных удобрений, на 15-20 кг
Р2О5 на га почвы больше, чем его выносится с урожаем.
Как правило, урожаи зерновых выносят только 50-70% от
внесенных фосфорных удобрений, при этом 30-50% из них остаются в
малодоступной форме в почве. Поскольку этот процесс повторяется
из года в год, идет так называемое "зафосфачивание" почв. Фиксация
фосфатов почвами бывает настолько полная и необратимая, что даже
растворы 0,2-0,5 Н соляной кислоты не извлекают весь связанный
фосфор. Сильными фиксаторами и сорбентами анионов фосфорной
кислоты являются гидроокислы железа, марганца, алюминия, которые
постоянно возникают в природных почвах.
Так, свежеосажденные аморфные полуторные окислы
поглощают Р2О5 до 10-13% от веса геля, а ионы РО4 сорбируются
точками положительных зарядов кристаллической решетки глинных
минералов. В кислых почвах фосфор связывается быстрее, чем в
черноземах, обычно в виде фосфатов железа или алюминия низкой
растворимости и невысокой физиологической доступности.
180
Однако, в почве обитают кислотообразующие бактерии, что
способствует десорбции фиксированных анионов РО4 , растворению
фосфатов и усилению их миграции и выноса в виде растворов.
Наиболее доступен бактериям и растениям фосфор органических
соединений и гумуса, из которых в процессе минерализации
образуются растворимые формы фосфатов в низких концентрациях.
Органические кислоты, выделяемые и бактериями, и корнями
растений, связывают двухвалентные катионы и подкисляют
ризосферу, при этом ускоряются процессы перехода фосфора в
обменную форму: НРО43- → НРО42- → НРО4- .
Ниже
представлены
некоторые
микроорганизмы,
способствующие процессам гипергенеза и высвобождению фосфора в
доступное для растений состояние и фотографии изменений частичек
породы, вызванные биогенным действием. На рисунке 54 приведена
фотография клеток и спор Bacillus megaterium var. Phosphaticum, а на
Рисунок 54 – Клетки и споры Bacillus megaterium var.
phosphaticum. Увеличение х20000
181
рисунке 55 - Спора Bacillus megaterium var. phosphaticum под
увеличением в 50000 раз.
Рисунок 55 – Спора Bacillus megaterium var. phosphaticum.
Увеличение х50000
Электронные микрофотографии 30-дневного действия бактерий
Bacillus mucilaginosus и Bacillus megaterium, мобилизующих фосфор и
кремний из неорганического субстрата приведены на рисунках 56 65. На рисунке 56 показан контрольный вариант после инкубации с
питательной средой без бактерий с увеличением в 300 раз, а на
рисунке 57 - то же, но с увеличением 2000 раз. На рисунке 58 крупная частица руды после 30-дневной инкубации с комплексом
бактерий естественного биоценоза, выделенных из серой лесной
почвы Томской области под увеличением в 300 раз. На рисунке 59
часть той же частицы под увеличением в 5000 раз.
На рисунке 60 - показан опытный вариант после 30-дневной
инкубации гладкой частицы руды с Bacillus mucilaginosus под
увеличением в 300 раз, а на рисунке 61 - тот же опытный вариант
после 30-дневной инкубации с Bacillus mucilaginosus но с
увеличением поверхности гладкой частицы руды (рисунок 60) в 5000
раз.
182
Рисунок 56 - Контрольный вариант после инкубации с
питательной средой без бактерий. Увеличение х300
Рисунок 57 - Контрольный вариант после инкубации с
питательной средой без бактерий. Фрагмент поверхности частицы,
изображенной на рисунке 56. Увеличение х2000
183
Рисунок 58 - Крупная частица руды после 30-дневной
инкубации с комплексом бактерий естественного биоценоза,
выделенных из серой лесной почвы Томской области. Увеличение
х300
Рисунок 59 - Фрагмент крупной частицы руды после 30-дневной
инкубации с комплексом бактерий естественного биоценоза,
выделенных из серой лесной почвы Томской области. Увеличение
х5000
184
Рисунок 60 - Опытный вариант после 30-дневной инкубации с
Bacillus mucilaginosus. Гладкая частица руды. Увеличение х300
Рисунок 61 - Опытный вариант после 30-дневной инкубации с
Bacillus mucilaginosus. Поверхность гладкой частицы руды на
рисунке 60. Увеличение х5000
185
На рисунке 62 - опытный вариант после 30-дневной инкубации
с Bacillus megaterium. Рыхлая частица руды после разрушающего
действия бактерий. Увелич. х500
Рисунок 62 - Опытный вариант после 30-дневной инкубации с
Bacillus megaterium. Рыхлая частица руды после разрушающего
действия бактерий. Увелич. х500
На рисунке 63 показан опытный вариант "изъеденной" после
выщелачивания элементов бактериями поверхности частицы руды
после 30-дневной инкубации с Bacillus megaterium под увеличением в
2000 раз. Опытный вариант на котором видна рыхлая частица руды
после разрушающего действия бактерий после 30-дневной инкубации
с Bacillus mucilaginosus под увеличением в 2000 раз приведен на
рисунке 64, та же частица руды на рисунке 65 показана под
увеличением в 5000 раз.
186
Рисунок 63 - "Изъеденная" после выщелачивания элементов
бактериями поверхность частицы руды. Опытный вариант после 30дневной инкубации с Bacillus megaterium. Увеличение х2000
Рисунок 64 - Опытный вариант после 30-дневной инкубации с
Bacillus mucilaginosus. Рыхлая частица руды после разрушающего
действия бактерий. Увеличение х2000
187
Рисунок 65 - Опытный вариант после 30-дневной инкубации с
Bacillus mucilaginosus. Фрагмент поверхности рыхлой частицы руды с
рисунка 64. Увеличение х5000
10 Применение микроорганизмов в качестве «живых
удобрений»
Уничтожение лесов и микоризы, замена бобовых растений
злаковыми, разрушение гумусовых горизонтов почв, богатых
микрофлорой, сокращение свободных земель – все это сильно
изменило биогеохимию азота. На этом фоне нарушений нормального
круговорота азота – именно бактериальные удобрения являются
могущественным и «экологичным» фактором восстановления
устойчивого, на многие годы, баланса различных форм соединений
азота в атмосфере и почве.
Внесение минеральных азотных удобрений уже давно является
эффективным приемом повышения урожайности агрокультур.
Недостатком большинства азотных удобрений является их быстрое
окисление до нитратов, которые не сорбируются гумусовым
горизонтом почвы и, как правило, вымываются в нижележащие
горизонты почвы.
Кроме того, их применение ограничивается
дороговизной, потерями при транспортировке и внесении в почву,
188
улетучиванием
вследствие
денитрификации,
загрязнением
окружающей среды нитратами и окислами азота.
В связи с этим в настоящее время возрастает интерес к
биологическому
азоту
и
к
проблеме
восстановления
азотфиксирующей
функции
почвы
после
длительной
агроэкологической нагрузки. Активно развивающееся в настоящее
время биологическое земледелие требует разработки подходов к
управлению функционированием микробоценозов, существенно
повышающих плодородие почв.
Важный вопрос – каким должно быть соотношение
"технического" и биологического азота. Промышленный синтез
аммиака из атмосферного воздуха требует очень больших
энергетических затрат, несмотря на применение катализаторов,
процесс идет при температуре около 500 0С, и давлении – около 300350 атм. Биологическая фиксация азота – это также энергоемкий
процесс, но при этом используется бесплатный источник энергии –
солнечная энергия. При этом диазотрофы являются не только
источником биологического азота, они еще и окультуривают почву и
являются одним из факторов борьбы с эрозией.
Согласно статистическим данным, из трех наиважнейших
элементов минерального питания растений – азота, фосфора и калия –
наиболее дефицитным является именно азот. Так, при внесении в
почву 1 кг азота ожидаемая прибавка урожая в условиях севооборота
составляет 16 кг, при внесении 1 кг фосфора – 8 кг, а 1 кг калия - 4 кг .
Придание конкурентоспособности бактериальным препаратам –
перспективное направление в разработке "стимулирующих"
технологий азотфиксации. Наиболее простой путь к стимуляции
азотфиксации – применение агротехнических приемов, позволяющих
регулировать работу не отдельных видов диазотрофов, которые не
всегда выживают после внесения в почву, а сообществ диазотрофов,
обитающих в почве.
Микроорганизмы в сообществах подвержены действию тех же
экологических законов, что и другие организмы. Так колонизация
почвы микроорганизмами (в том числе не содержащимися в
ассоциациях в данном участке) все же ограниченно возможна, если не
лимитируется следующими условиями:
- наличием пригодного места в данный момент (в реальных
микрозонах обитания микроорганизмов, а не вообще в почве);
- присутствием в достаточном количестве субстрата,
обеспечивающего длительное развитие данного организма;
189
- способностью использовать многие источники энергии и пищи
в экосистеме, и причем более эффективно, чем аборигенная
микрофлора;
- высокой толерантностью (выносливостью) попадающего
организма к микроэкологическим факторам - колебаниям рН и
температуры, осмотическому давлению, содержанию кислорода,
окислительно-восстановительному потенциалу, влажности и другим,
обеспечивающим вегетативный рост;
- наличием механизмов активного воздействия на другие
организмы - образованием физиологически активных метаболитов,
способностью к антагонизму и устойчивостью к продуктам
жизнедеятельности других организмов.
Несоблюдение указанных условий и даже некоторых из них
делает невозможным активное поселение микроорганизмов в почве.
Более того, как уже отмечалось, входящие в состав ценоза микробы
при отсутствии возможностей приспособиться к изменившимся
условиям среды выпадают из активного участия в деятельности
ценоза, переходя в переживающее состояние.
Каждый вид микроорганизма способен расти, развиваться и
размножаться в рамках внешних условий, которые отражают их
уровень толерантности или экологическую амплитуду. Эти рамки
определены критическими величинами факторов. Отдельные
организмы способны существовать при крайних (экстремальных)
значениях
факторов
среды
и
часто
становятся
узкоспециализированными - облигатными (обязательными) по
отношению к уровню действующего фактора.
10.1 Применение азотфиксаторов на практике
Открытие азотфиксаторов привело к созданию так называемых
микробных удобрений. Уже в 1895 году Наббе и Хилтнером
запатентован препарат микробной культуры Nitragin. Он выпускался в
17 вариантах для различных растений. Препарат представлял собой
культуры азотфиксирующих микроорганизмов, смешанных с почвой,
торфом, песком, навозом и другими субстратами. Внесение нитрагина
в почву или обработка семян назывались инокуляцией и позволяли
фермеру повысить качество и количество продукции. В первой
половине нашего столетия наблюдался неуклонный рост научноисследовательских работ по созданию перспективных микробных
препаратов для бобовых и не бобовых культур.
Нитрагин - удобрение для бобовых растений. Его готовят из
активной специфической для каждого вида растений этого семейства
190
расы клубеньковых бактерий, размножаемых на стерилизованном и
богатом органическим веществом субстрате. По действующему
стандарту в 1 г нитрагина должно содержаться не менее 70 млн.
клеток клубеньковых бактерий для люпина, сои, сераделлы, арахиса и
300 млн. - для остальных бобовых растений.
Однако после второй мировой войны бурное развитие
химической промышленности породило надежду на решение многих
вопросов технологии выращивания сельскохозяйственных культур с
использованием химических удобрений. Начался период химизации
сельскохозяйственного производства. Работы по исследованию
микробиологических препаратов стали свертываться. Если к середине
40-х годов в мире продавалось 40 тыс. препаратов микробных
удобрений, то в 1964 году – всего 1-2 тыс. Возможности большой
химии, дешевизна азотных удобрений, простота их использования как
бы отодвигали на второй план микробные препараты.
Период переосмысления методов и стратегии использования
биологических и химических источников минерального, и, в первую
очередь, азотного питания сельскохозяйственных растений наступил в
конце прошлого века, когда во многих странах, возникла проблема
«экологизации» сельскохозяйственного производства. Постоянно
растущие мощности по производству синтетических азотных
удобрений и их интенсивное использование кроме положительного
эффекта (роста урожайности) несут в себе большую опасность загрязнение азотсодержащими веществами почвы, подпочвенных вод,
рек и озер. Минеральные удобрения вымываются из почвы,
выщелачиваются и становятся вредными для человека соединениями
– нитритами, нитрозаминами и т.д.
Проблема "занитрачивания" питьевых водоемов вблизи
больших площадей сельскохозяйственных угодий, на которых
применяют азотные удобрения, требует своего решения как в России,
так и во многих промышленно развитых странах. Все это заставляет
ученых и практиков искать альтернативные пути решения
сельскохозяйственных
задач,
уделяя
серьезное
внимание
биологической азотфиксации.
В настоящее время спектр применяемых микропрепаратов под
бобовые, злаковые и другие культуры довольно широк. В конце XX
века во многих странах нитрагенизации подвергается 70-80 %
бобовых культур. В районах традиционного возделывания бобовых
культур прибавка урожая от применения нитрагина оставляет 2-4 ц/га
зерна сои, 1-2 ц/га зерна гороха и люпина, 80-100 ц/га зеленой массы
бобовых культур, 6-12 ц/га сена клевера и люцерны. На почвах, где
191
бобовые культуры ранее не возделывались и в которых нет
специфичных для них клубеньковых бактерий, дополнительный сбор
сельскохозяйственной продукции за счет применения препаратов
клубеньковых бактерий достигает 50-100 % и более.
Штаммы
ризобий,
используемые
для
инокуляции
сельскохозяйственных бобовых культур, обычно выделяются из
клубеньков этих же видов. Но данные ряда авторов показывают, что в
качестве источника таких штаммов могут быть использованы и
некоторые дикорастущие виды бобовых. Так штаммы Bradyrhizobium,
выделенные из клубеньков дикорастущего вида Arachis duranensis
Benth., превосходят штаммы, выделенные из клубеньков культурного
вида A. hypogaea L., по эффективности симбиоза с A. hypogaea.
Штаммы R. leguminosarum bv. viceae, выделенные из клубеньков
дикорастущих видов Vicia L. в Средней Азии, проявили неменьшую
эффективность симбиоза с V. villosa, чем штаммы, выделенные из V.
villosa. При этом степень таксономического родства V. villosa и видов
– источников штаммов не связана с эффективностью симбиоза,
образуемого этим штаммом с V. villosa. Штаммы R. leguminosarum bv.
trifolii, выделенные из клубеньков дикорастущих видов Trifolium (T.
paucifolium Nutt., T. glomeratum L.), не менее эффективны в симбиозе
с культурными видами T. subterraneum L. и T. repens L., чем штаммы,
выделенные из этих культурных видов.
Использование препаратов с активными по азотфиксации
штаммами ризобий не всегда может дать полную гарантию получения
высокого хозяйственного эффекта, так как доминантная роль
принадлежит растению, предопределяющему эффект азотфиксации. К
тому же высокая продуктивность бобовых при инокуляции штаммами
ризобий на Севере тормозится низкими температурами, коротким
вегетационным периодом и другими неблагоприятными факторами.
К этим жестким условиям наиболее приспособлены природные
популяции
штамма
Rhizobium
leguminosarum
bv.
trifolii.
Следовательно, в условиях Севера при выращивании традиционных
бобовых культур (клевер луговой, клевер красный, астрагал и т.д.)
перспективна аналитическая селекция ризобий из дикорастущих
видов бобовых. Для относительно "новых" бобовых растений
(козлятник восточный, люпин многолистный, донник белый и т.д.) на
Севере желательна инокуляция ризобиями, специфичными для
"новых" бобовых, так как видоспецифичных для этих культур
штаммов ризобий часто в почве нет.
Местные популяции некоторых видов Fabaceae (Medicago sativa
L., Pisum sativum L., Phaseolus vulgaris L., Trigonella foenum-gracum L.)
192
весьма изменчивы по активности азотфиксации, осуществляемой при
симбиозе с клубеньковыми бактериями, и могут быть использованы в
качестве источника исходного материала при селекции этих растений
на повышение симбиотической активности.
Таким образом, в условиях Севера (низких температур, pH
почвы 4-5, обусловленная Al3+, нерастворимых форм фосфатов в
почве, короткого вегетационного периода) перспективна:
1) аналитическая селекция штаммов ризобий из дикорастущих
популяций бобовых для инокуляции сельскохозяйственных бобовых;
2) инокуляция культурных растений грибами-зигомицетами из
порядка Glomales, переводящими нерастворимые формы фосфатов в
растворимые. В частности инокуляция Glomus fasciculatum;
3) совместная инокуляция бобовых ризобиями и Agrobacterium,
Arthrobacter;
4)
инокуляция
злаковых
Agrobacterium,
Arthrobacter,
Flavobacterium.
10.1.1 Азотфиксирующие препараты
Кроме уже упоминавшегося нитрагина, широкое применение
нашли и другие азотфиксирующие препараты, среди которых
наиболее известен азотобактерин. Азотобактерин, азотоген является
бактериальным препаратом, содержащим бактерии азотобактер,
способные усваивать атмосферный азот и переводить его в доступное
для растений состояние. По действующему стандарту в 1 г почвенного
азотобактерина должно быть не менее 50 млн. клеток азотобактера.
Азотобактерин вносят в почву с семенами или обрабатывают им
клубни, корни рассады с.-х. культур, не относящихся к семейству
бобовых. Азотобактер активно развивается лишь в плодородных,
содержащих много органических веществ почвах; улучшает азотное
питание и рост растений.
Среди азотфиксирующих организмов современного типа, как
правило, используются уже известные представители азотфиксаторов,
под различными торговыми
марками,
часто выделяются
определенные виды или штаммы микроорганизмов, обладающие
более
высокой
азотфиксирующей
способностью.
Иногда
предлагаются препараты с неопределенной группой микроорганизмов,
как например - бактериальный препарат Ризоторфин. В рекламном
проспекте говорится, что бактерии, входящие в Ризоторфин,
поселяясь на корнях бобовых растений, образуют клубеньки.
Находящиеся в клубеньках микроорганизмы способны фиксировать
азот, который находиться в почве в газообразном состоянии, и
поставлять этот элемент питания растениям прямо в корень.
193
Использование Ризоторфина под бобовые культуры заменяет
внесение в почву 80-100 кг минеральных азотных удобрений на
гектар. Применять Ризоторфин очень просто его наносят на семена
перед высевом. Для каждой бобовой культуры подобраны
специфичные штаммы клубеньковых бактерий, которые наиболее
эффективны на данном растении.
В качестве «живых удобрений» часто используются
азоспириллы, которые легко инфицируют корневую систему злаков и
других растений. Подобно ризобиям они делятся на виды,
колонизирующие преимущественно те или иные сорта злаков,
фиксируют азот воздуха, могут продуцировать гормоны роста
растений и обладают еще другими свойствами, положительно
влияющими на рост и развитие растений.
Действие азотфиксаторов на растение многогранно: возможно,
они не столько улучшают азотное питание, сколько усиливают
витаминный обмен, продуцируя биологически активные вещества, и
способствуют развитию растений, подавляя грибную флору зоны
корня вырабатываемыми им фунгистатическими веществами.
10.1.2 Фосфатмобилизирующие препараты
В настоящее время на основе некоторых видов почвенных
микроорганизмов создаются “фосфорные биоудобрения”. Наиболее
известным среди них является фосфоробактерин – препарат,
содержащий культуру бактерий, которые переводят труднодоступные
соединения фосфора в усвояемую форму (легкорастворимые соли
фосфорной кислоты), улучшая фосфорное питание растений.
Фосфоробактерин применяется широко, производство его составляет
80% всех видов бактериальных препаратов. Выпускается в сухом
виде. Внесение фосфоробактерина дает хорошие результаты только на
почвах, богатых органическим веществом (черноземных, торфяных и
др.).
Фосфоробактерин - порошок белого, светло-серого или
желтоватого цвета, в котором содержатся в большом количестве (8,5 16 млрд. в 1 г) споры микроорганизмов, обладающих повышенной
способностью переводить фосфорорганические соединения в
удобоусвояемую для растений форму. Наиболее эффективен на фоне
органических и минеральных удобрений.
Среди других
фосфатмобилизирующих культур - штамм
бактерий Bacillus megaterium var. Phosphaticum, относяцийся к
отделу:
Firmicutes, классу:
Firmibacteria, семейству:
Bacilliacea, роду: Bacillus.
194
Штамм Bacillus megaterium var. рhosphaticum был селекционирован
из лабораторного штамма по оригинальной методике
Объектом исследования служил штамм бактерий отнесенный к
роду Bacillus. На основе чистой бактериальной культуры штамма был
разработан биопрепарат. Действие препарата основано на
способности данных бактерий мобилизовать малоподвижные формы
фосфора и делать их доступными для растений. Эффективность
препарата проверена в лабораторных условиях
и опытах в
производственных условиях.
Фосфоромобилизирующий препарат Микофил создан на основе
почвообитающего эндомикоризного гриба, который проникает в
корень и образует с растением симбиоз. Микофил, прежде всего,
обеспечивает питание растений фосфором. Известно, что при
внесении в почву минеральных фосфорных удобрений, растения
поглощают только 20-25% вносимого фосфора. Остальной фосфор
частично вымывается, а большая его часть переходит в
нерастворимую форму, которая недоступна растениям. В итоге
складывается парадоксальная ситуация, когда в почве накапливается
фосфор, приводя к загрязнению грунтов и акваторий, и в то же время
растения испытывают фосфорное голодание, т. к. неспособны этот
фосфор усвоить.
Микроорганизм, входящий в Микофил, обладает уникальным
свойством он способен поглощать фосфор как раз из этих
недоступных растению соединений и транспортировать в корень.
Таким образом, Микофил обеспечивает поступление в растения
фосфора, который накопился в почве за многое годы использования
минеральных удобрений и который лежит там мертвым капиталом.
Применение Микофила заменяет внесение 80-150 кг фосфорных
удобрений на гектар и гарантирует практически полное усвоение
растениями поставляемого фосфора.
У микроорганизма, лежащего в основе биопрепарата, есть еще
одно полезное свойство он регулирует водный и солевой обмен
растений, с которыми образует симбиоз. В результате у растений
существенно увеличивается устойчивость к засухе, а также к
тепловому и солевому стрессам, что делает Микофил чрезвычайно
привлекательным для использования в засушливых регионах. Этот
биопрепарат можно применять как под овощные, так и под зерновые
культуры, исключение составляют только крестоцветные, с которыми
эндомикоризный гриб не образует симбиоз. Следует отметить, что
способность Микофила снабжать растения микроэлементами и
195
усиливать устойчивость к водным стрессам повышает приживаемость
рассады и саженцев на 50-60%. При использовании биопрепарата
прибавки урожая колеблются от 15 до 50% в зависимости от
культуры. Применение Микофила под сорго стабильно обеспечивает
увеличение урожая на 60-100%.
10.1.3 Кремнебактерин
Кремнебактерин является бактериальным препарат на основе
ризосферных микроорганизмов Bacillus mucilagenosus var. siliceous.
Систематическое
положение:
отдел:
Firmicutes,
класс:
Firmibacteria, семейство: Bacilliacea, род: Bacillus.
Bacillus mucilagenosus var. Siliceous, благодаря своим
выделениям способны подвергать почвенные силикаты распаду.
Микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности, прямо или
косвенно, разрушают кристаллические решетки минералов, что
является причиной перехода содержащихся в них элементов в
подвижное, то есть доступное для растений состояние. Бактерии
могут действовать двумя путями: проводить либо ферментативное
разрушение кристаллических решеток, либо деструкцию их с
помощью микробных слизей.
Например, бактерии Bacillus mucilagenosus выделяют фермент
силиказу, который разрушает минералы, и в результате их деструкции
высвобождаются минеральные элементы. Выделяющаяся при этом
энергия используется бактериями на биосинтетические нужды клетки.
Многофункциональный, абсолютно безопасный для человека,
оригинальный, длительного действия препарат на основе живых
бактерий:
- поставляет обменные формы элементов питания для растений
из природных силикатов – неорганических компонентов почвы;
- накапливает биогенный кремний в клеточных стенках растений
и упрочняет стебли томатов, перцев, баклажанов, огурцов;
- защищает растения от пониженных температур;
- повышает урожайность овощных и ягодных культур на 15 –
20%.
Бактерии, на основе которых изготовлен кремнебактерин,
обладают способностью к слизе- и кислотообразованию, развиваются
на частичках минералов, разрушат его и вызывают переход в раствор
значительных количеств калия, магния, марганца, цинка, кадмия,
кобальта, меди, кремния, алюминия, натрия. Это все потребляется
микроорганизмами и лишь после их гибели поступает в распоряжение
растений.
196
Широкие исследования роли кремния в жизни растений ведутся
в Китае, Германии, США, Италии, России и, особенно, в Японии, где
основной продовольственной культурой является рис, отличающийся
исключительно высокой потребностью в этом элементе. С 1955 г. в
Японии кремниевые удобрения официально внесены в реестр
минеральных удобрений. О возросшем, особенно в последнее
десятилетие, интересе к вопросу о роли Si в питании растений
свидетельствует проведение международных конференций в США,
Японии, России и заметно возросший объем публикаций.
10.1.4 Комплексные микробиологические удобрения
Среди
проводимых
исследований
большой
интерес
представляет направление по комплексному использованию
различных групп микроорганизмов, способных обеспечивать растения
не только различными элементами минерального питания, но и
защитой от патогенов, веществами, регулирующими развитие. Эти
функции выполняют различные представители микробиоты, в том
числе внутриклеточные симбионты (эндомикоризные грибы,
клубеньковые бактерии), эндофиты тканей надземных и подземных
органов (азотфиксаторы Acetobacter, Azoarcus или спорыньевые
грибы), а также эктосимбионты на поверхности растений.
Одним из препаратов, широко рекламируемых в последние
годы, является группа препаратов под общей маркой ЭМ-технологий.
По
мнению
авторов
главной
причиной
исключительной
многофункциональности ЭМ-препарата является широчайший
диапазон действия входящих в его состав микроорганизмов. Вот лишь
наиболее крупные группы входящих в ЭМ-препарат микроорганизмов
и основные выполняемые ими функции.
Фотосинтезирующие
бактерии
независимые
самоподдерживающиеся микроорганизмы. Эти бактерии синтезируют
полезные вещества из корневых выделений растений, органических
веществ и ядовитых газов (например, сероводорода), используя
солнечный свет и тепло почвы как источники энергии. Полезные
вещества включают в себя аминокислоты, нуклеиновые кислоты,
другие биологически активные вещества и сахара, способствующие
развитию и росту растений. Эти вещества поглощаются растениями
непосредственно и также выступают в качестве пищи для
развивающихся бактерий. Так, в ответ на увеличение числа
фотосинтезирующих бактерий в почве растет содержание других
эффективных микроорганизмов. Например, содержание микоризных
грибков увеличивается из-за доступности азотных соединений
197
(аминокислот), используемых как субстрат, который выделяется
фотосинтезирующими бактериями. А микориза, в свою очередь,
улучшает растворимость фосфатов в почвах, доставляя, таким
образом, растениям недоступный ранее фосфор.
Молочнокислые бактерии вырабатывают молочную кислоту из
сахара и других углеводов, произведенных фотосинтезирующими
бактериями и дрожжами. Напитки типа йогурта и рассолов
производят с использованием молочнокислых бактерий уже очень
давно. Молочная кислота - сильный стерилизатор. Она подавляет
развитие вредных микроорганизмов и ускоряет разложение
органического вещества. Кроме того, молочнокислые бактерии
способствуют разложению лигнинов и целлюлозы и ферментируют
эти вещества.
МК бактерии способны подавить распространение вредного
микроорганизма, вызывающего болезни растений. Увеличение
численности ослабляет растения, что вызывает развитие других
болезней и часто заканчивается вспышкой нематод. Численность
нематод падает постепенно, по мере того, как бактерии молочной
кислоты подавляют распространение Fusarium.
Дрожжи синтезируют антибиотические и полезные для растений
вещества
из
аминокислот
и
сахаров,
продуцируемых
фотосинтезирующими бактериями, органическими веществами и
корнями растений. Биологически активные вещества типа гормонов и
ферментов, произведенные дрожжами, стимулируют точку роста и,
соответственно, рост корня. Они секретируют (выделяют) полезные
субстраты для эффективных микроорганизмов типа молочнокислых
бактерий и актиномицетов.
Актиномицеты, которые по своему строению занимают
промежуточное положение между бактериями и грибами, производят
антибиотические
вещества
из
аминокислот,
выделяемых
фотосинтезирующими бактериями и органическим веществом. Эти
антибиотики подавляют рост вредных грибов и бактерий.
Актиномицеты могут сосуществовать с фотосинтезирующими
бактериями. Таким образом, обе группы улучшают состояние почвы.
Ферментирующие грибы. Грибы типа Aspergillus и Penicillium
быстро разлагают органические вещества, производя этиловый спирт,
сложные эфиры и антибиотики. Они подавляют запахи и
предотвращают заражение почвы вредными насекомыми и их
личинками.
Каждая
разновидность
эффективных
микроорганизмов
(фотосинтезирующие бактерии, молочнокислые бактерии, дрожжи,
198
актиномицеты, грибы) имеют собственную важную функцию, но при
этом, с одной стороны, поддерживают действие других
микроорганизмов, с другой - используют вещества, произведенные
этими микроорганизмами. Это явление «сосуществования и
сопроцветания» и есть симбиоз. Когда эффективные микроорганизмы
развиваются в почвах как сообщество, количество полезных
микроорганизмов увеличивается. Микромир почвы становится богаче,
и микробные экосистемы в почве хорошо сбалансированы, причем
определенные
микроорганизмы,
особенно
патогенные,
не
развиваются. Таким образом, подавляются болезни почвы. Корни
растений выделяют вещества типа углеводов, аминокислот,
органических кислот и активных ферментов. ЭМ используют их для
роста. В течение этого процесса они, в свою очередь, выделяют и тем
самым обеспечивают растения аминокислотами, нуклеиновыми
кислотами, разнообразными витаминами и гормонами. Кроме того,
ЭМ в околокорневой зоне образуют симбиоз с растениями.
Следовательно, в почвах, заселенных ЭМ, растения развиваются в
исключительно благоприятных условиях.
Исходя из имеющихся сведений об экологии микроорганизмов,
частично изложенных в данном пособии, нужно с известной долей
скептицизма относиться подобным рекламам и проводить
предварительные
исследования
в
конкретных
почвенноклиматических условиях перед их широким внедрением. Однако
работы, проводимые в данном направлении, представляют большой
интерес и имеют огромные перспективы при переходе на так
называемое «органическое земледелие».
Важно отметить, что производство микробных «удобрений» не
только возможно, но и необходимо организовать непосредственно в
регионах с использованием наиболее активных представителей
аборигенных форм симбионтов. На рисунке 66 показан общий вид
биокультиватора "УИС-0.25" для масштабирования жидких культур
микроорганизмов, с помощью которого возможно производство
микробиологических препаратов в объемах достаточных для крупных
регионов.
Некоторые методики по выделению и поддержанию чистых
культур приведены в приложении Г, там же показаны способы
проверки активности культур. Организация рабочего места
микробиолога и способы работы с почвенными микроорганизмами
описаны авторами в пособии «Микроорганизмы и биогеохимический
потенциал».
199
Рисунок 66 - Общий вид биокультиватора "УИС-0.25" для
масштабирования жидких культур микроорганизмов
200
Литература
Основная
1 Ежов Г.И. Руководство к практическим занятиям по
сельскохозяйственной микробиологии. — М. : Высшая школа, 1981.
— 271 с.
2 Генетика симбиотической азотфиксации с основами селекции.
— СПб. : Наука, 1998. — 208 с.
3 Гусев М.В., Минеева Л.А.. Микробиология. — М. : МГУ,
1992. — 384 с.
4 Жизнь растений. Т 1. — М. : Просвещение, 1974. — 487 с.
5 Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. —
М. : МГУ, 2005. — 447 с.
6 Доросинский Л.М. Клубеньковые бактерии и нитрагин. Л. :
1970. 191 с.
7 Мишустин Э.Н., Емцев В.Т. Микробиология. — М. :
Агропромиздат, 1987. — 368 с.
8 Почвенная микробиология. — М. : Колос, 1979. — 316 с.
9 Сельскохозяйственная биотехнология. — М. : Высшая школа,
2003. — 469 с.
10 Шлегель Г. Общая микробиология. — М. : Мир, 1987. —
567 с.
11 Яхонтова Л. К., Зверева В. П. Основы минералогии
гипергенеза. — Владивосток : Дальнаука, 2000. — 331 с.
Дополнительная
12
Аристовская
Т.
В.
Микробиология
процессов
почвообразования. — Л. : Наука, 1980. — 187 с.
13 Биогеохимические циклы в биосфере. Материалы VII
Пленума SCOPE. — М, : Наука, 1976. — 356 с.
14 Боронин А.М. Ризосферные бактерии рода Pseudomonas,
способствующие росту и развитию растений. // Соросовский
образовательный журнал, 1998, — С. 25—31.
15 Добровольская Т.Г. Структура бактериальных сообществ
почв. — М. : Академкнига, 2002. — 282 с.
16
Ковалева
Г.В.,
Щапова
Л.Н..
Распространение
микроорганизмов, разлагающих труднорастворимые фосфаты в
почвах Приморья. // Сб. матер. регион. науч. конф., посвящ. 40-летию
ДВО Докучаевского общества почвоведов при РАН, Владивосток,
15—17 января,1997. Кн .1. 1997. — С. 222—226.
201
17 Кудеяров В.Н. Цикл азота в почве и эффективность
удобренный. — М. : Наука, 1989. — 216 с.
18 Муромцев Г.С., Маршунова Г.Н., Павлова В.Ф., Зольникова
Н.В. Роль почвенных микроорганизмов в фосфорном питании
растений.// Успехи микробиологии, 1985. т.20. — С. 174—195.
19 Муромцев Г.С. О роли продуктов жизнедеятельности
почвенных микроорганизмов в мобилизации Р2О5 фосфоритов.//
Агробиология, , №1. 1957. — С. 96—103.
20 Самсонова Н.Е. Кремний в почве и растениях. // Агрохимия, ,
№ 6, 2005. — С. 76—86
21 Худяков Я.П., Возняковская Ю.М. Микрофлора корней
пшеницы и некоторые ее свойства.// Микробиология,. Т. 15. №2. 1956.
— С. 184—190.
22 Шумный В.К., Сидорова К.К., Клевенская И.Л.
Биологическая фиксация азота. — Новосибирск : Наука, 1991. —
271 с.
23 Экология организмов. — М. : Academia, 2004. — 268 с.
202
Приложение А
(информационное)
Глоссарий
Акропетальное ветвление – ветвление боковых ветвей растения
от основания к вершине.
Альдегидокислоты - органические соединения, в молекулах
которых, наряду с присущей кислотам
карбоксильной группой
содержится
группа
Аменсализм (от греч. а - отрицательная частица и лат. mensa стол, трапеза) - форма взаимоотношений между организмами,
полезная для одного вида, но вредная для другого.
Ангстрем - единица длины, равная десятимиллиардной доле
метра. Обозначается Å. Å = 10-10м = 10-8см = 0,1 нм.
Апатит (от греч. арate – обман) - минерал из группы
фосфорнокислых солей кальция, содержащий переменное количество
фтора и хлора. Химическая формула апатита: 3Ca3(PO4)2·Ca(F, Cl)2; в
качестве второстепенных примесей минерал иногда содержит до 10%
окислов марганца, стронция, редкоземельных элементов, а также
менее 1% натрия, калия, бария, замещающих часть кальция. Наряду с
F- и Cl- присутствуют (OH)-, O2-, CO32-.
Аппарат
Гольджи, Гольджи комплекс, внутриклеточный
сетчатый аппарат, зона (система) Гольджи - органоид клетки, с
которым связано формирование различных внутриклеточных
включений.
Атаксия (греч. ataxia - беспорядок, от а - отрицательная частица
и taxis - порядок) - расстройство координации произвольных
движений.
Ауксины (от греч. аuхо - выращиваю, увеличиваю) вырабатываемые в клетках растений вещества, стимулирующие
ростовые процессы (рост корней у черенков, растяжение клеток у
отрезков стеблей, деление клеток в культуре растительной ткани);
группа фитогормонов. В малых концентрациях ауксины ускоряют
рост растений, в больших - действуют угнетающе.
Бактероиды (от бактерии и греч. eidos - вид) - крупные
ветвящиеся клетки клубеньковых бактерий, содержащиеся в
клубеньках на корнях бобовых растений (клевер, люцерна и др.). Их
возникновение связано с жизненным циклом клубеньковых бактерий
и наблюдается у всех видов. Молодые клетки имеют форму палочки;
203
проникнув в корневой волосок, они вызывают образование
клубеньков и приобретают характерный для бактероидов внешний
вид.
Биокосное
тело – по Вернадскому, биокосное вещество
образуется в результате совместного действия биологических и
неорганических процессов).
Биоценоз (от био... и греч. koinós - общий) - совокупность
растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши
или водоёма и характеризующихся определёнными отношениями, как
между собой, так и с абиотическими факторами среды.
Вирулентность (от лат. Virulentus - ядовитый) - степень
болезнетворности (патогенности) данного инфекционного агента
(штамма микроба или вируса).
Гиббереллины - ростовые вещества растений. Известно 27
гибберелинов; все они принадлежат к тетрациклическим
дитерпеноидам и являются карбоновыми кислотами.
Гистогенез (от греч. histos - ткань и ...генез) - развитие тканей,
совокупность закономерно протекающих процессов, обеспечивающих
возникновение, существование и восстановление тканей животных
организмов с их специфическими в разных органах свойствами.
Дефолиант (от де... и лат. folium - лист) - химические препараты
для удаления листьев с растений. Одним из дефолиантов является
этилен, который, образуется в растениях и вызывает естественный
листопад.
Дорзальный, дорсальный (позднелат. dorsalis, от лат. dorsum спина) - спинной, в анатомии животных и человека - часть тела, его
поверхность, орган, расположенные на спине, обращённые в сторону
спины.
Дорзовентральная, дорсо-вентральная симметрия (от лат. dorsum
- спина и venter - живот) - в анатомии животных и человека направление от спинной поверхности к брюшной. Различают
дорзовентральную ось и дорзовентральную, или сагиттальную,
плоскость, проходящую через ось и разделяющую тело двусторонне
симметричных организмов на правую и левую половину. В
морфологии растений этот термин употребляют по отношению к
строению плоских органов (например, листьев), у которых можно
различить верхнюю и нижнюю стороны.
Инвагинация (от лат. in - в, внутрь и vagina - ножны, оболочка) –
впячивание.
Инокуляция (от лат. inoculatio - прививка) - введение живых
микроорганизмов, инфицированного материала, сыворотки или др.
204
веществ в ткани растений, животных или человека (а также в
питательные среды).
Интеркалярный, вставочный (от лат. intercalarius - вставной,
добавочный) - вставочный рост, рост растений в длину в результате
деления клеток образовательной ткани, находящейся ниже верхушки
органа (например, в междоузлиях стеблей злаков, в основании
листьев).
Каинит (нем. Kainit, от греч. kainós - новый) - минерал из
группы сложных сульфатов. Химический состав RMg (S04) CI·3H2O.
Камбий (от позднелат. cambium - обмен, смена) образовательная ткань (меристема) в корнях и стеблях
преимущественно двудольных и голосеменных растений. Камбий
расположен однорядным цилиндрическим слоем (на поперечном срезе
- в виде кольца).
Каротиноиды - жёлтые, оранжевые или красные пигменты
(циклические или ациклические изопреноиды), синтезируемые
бактериями, грибами и высшими растениями.
Катаболизм (от греч. katabole - сбрасывание, разрушение) совокупность
биохимических
процессов,
составляющих
противоположную анаболизму сторону обмена веществ; процессы
катаболизма направлены на расщепление сложных соединений.
Каустобиолиты (от греч. kaustós - горючий, bíos - жизнь и líthos
- камень) - горючие ископаемые органического происхождения,
представляющие собой продукты
преобразования остатков
растительных, реже животных, организмов под воздействием
геологических факторов.
Кетокислоты - органические соединения, в молекулах которых,
наряду с присущей кислотам карбоксильной
группой содержится группа
.
Кинины (от греч. kinéo - двигаю, побуждаю) - цитокинины,
распространённые в растениях и микроорганизмах вещества,
производные 6-аминопурина, стимулируют деление клеток,
участвуют в образовании корней и стеблей, дифференциации новых
органов, способствуют продлению жизни срезанных листьев.
Ковалентная
связь – вид химической связи, которая
образованапарой электронов, находящейся в общем владении двух
атомов, которые образуют связь.
Консорций, консорция (от лат. consortium - соучастие,
сообщество) в биогеоценологии - совокупность популяций
организмов, жизнедеятельность которых связана с центральным
видом фитоценоза - автотрофным растением. В роли центрального
205
вида консорция обычно выступает эдификатор - основной вид,
определяющий особенности фитоценоза.
Конститутивные ферменты - постоянно присутствующие в
клетках (в отличие от индуцируемых ферментов, синтез которых
зависит от адаптации организма к специфическому субстрату).
Конус нарастания - закругленно-конусовидная верхушка
растущего осевого органа (стебля, корня) растения, состоящая из
образовательной ткани.
Корневое давление - давление, возникающее в проводящих
сосудах корней растений. В основе корневого давления. лежит
явление осмос - клетки корня активно выделяют в окружающую среду
минеральные и органические вещества, что и создаёт более высокое,
чем в почвенном растворе, осмотическое давление. Корневое
давление. обычно равно 1-3 ат (в некоторых случаях до 10 ат; 1 ат =
105 н/м2) и зависит от условий жизнедеятельности корня.
Ксерофиты (от греч. xērós - сухой и phytón - растение) растения сухих местообитаний, способные благодаря ряду
приспособительных признаков и свойств переносить перегрев и
обезвоживание.
Ксилема (от греч. xýlon - срубленное дерево) - ткань наземных
растений, служащая для проведения воды и минеральных солей от
корней вверх по растению. Располагается сплошным кольцом или в
так называемых проводящих (сосудисто-волокнистых) пучках.
Состоит из собственно проводящих (трахеиды и трахеи, или сосуды) и
механических клеток, а также из древесинной и лучевой паренхимы.
Кутикула (от лат. cuticula - кожица) - у растений тонкая плёнка,
покрывающая эпидермис листьев и стеблей и выполняющая
защитную функцию; состоит из кутина. Представляет собой
бесструктурное
образование,
лишённое
корпускулярных
и
фибриллярных элементов; устойчива к химическим воздействиям.
Леггемоглобин, легоглобин - красный железосодержащий белок,
по ряду свойств сходный с гемоглобином крови; образуется в
корневых клубеньках бобовых растений рода Leguminosae, активно
фиксирующих атмосферный азот. Леггемоглобин - продукт симбиоза
двух организмов: он состоит из гема, синтезируемого клубеньковыми
бактериями (бактероидами), и глобина, образуемого клетками
высшего растения.
Луб, флоэма - сложная ткань высших растений, служащая для
проведения органических веществ к различным органам. Луб
выполняет также запасающую, нередко механическую и отчасти
выделительную функции.
206
Меристема (от греч. meristós - делимый) - образовательная
ткань, ткань растений, долго сохраняющая способность к делению и
образованию новых клеток. Одни клетки меристемы - инициальные задерживаются на эмбриональной фазе развития и, делясь,
обеспечивают непрерывное нарастание массы растения. Другие
клетки
постепенно
дифференцируются,
образуя
различные
производные - постоянные ткани (покровные, проводящие,
механические, основные и др.).
Микоплазмы (Mycoplasmatales) - очень мелкие микроорганизмы,
отличающиеся от истинных бактерий (Eubacteriae) отсутствием
клеточной стенки.
Микориза (от греч. mýkes - гриб и rhiza - корень), грибокорень взаимовыгодное сожительство мицелия гриба с корнем высшего
растения.
Паренхима (от греч. parénchyma, буквально - налитое рядом) основная ткань растений, состоит из клеток более или менее
одинакового размера по всем направлениям.
Перицикл (от пери..- вокруг, около, возле. и греч. kýklos - круг),
перикамбий - образовательная ткань в корнях и иногда в стеблях
растений, расположенная вокруг проводящего цилиндра. Представлен
одним или нескольких (у голосеменных) слоями паренхимных клеток
меристемы, отграниченных от клеток первичной коры ее внутренним
слоем – эндодермой.
Пластиды (греч. plástides - создающие, образующие, от plastós вылепленный, оформленный) - внутриклеточные органеллы
цитоплазмы автотрофных растений, содержащие пигменты и
осуществляющие синтез органических веществ..
Побег (cormus) - в ботанике, один из основных органов высших
растений; состоит из стебля и сидящих на нём листьев и почек.
Примордий - зачаточный, ещё не дифференцированный орган
растения.
Прокамбий (от лат. pro - вперёд, впереди, вместо и камбий) боковая меристема растения, из которой дифференцируются его
первичные проводящие ткани и пучки.
Протопласт (от прото..(protos - первый). и греч. plastós вылепленный, оформленный) - содержимое растительной клетки;
состоит из клеточной мембраны, цитоплазмы и ядра, но не включает
клеточную оболочку.
Преципитат - дигидрат дикальций фосфата, CaHPO42H2O,
минеральное фосфорное удобрение. Белый или светлосерый порошок,
207
пылит при внесении в почву, не слёживается, хорошо рассевается
туковыми сеялками. Содержит 27-35% P2O5.
Пролиферация (от лат. proles - отпрыск, потомство и fero - несу)
- разрастание ткани организма путём новообразования и размножения
клеток (в отличие от любого др. способа увеличения объёма ткани,
например отёка).
Сильвинит - осадочная горная порода, состоящая из
чередования тонких прослоев галита и сильвина - минерала из класса
галогенидов с химическим составом - KCl; содержит 52,48% К, а
также примеси Br, реже I. Включенные пузырьки газа (N2, CO2, CH4,
Не и др.) придают прозрачным и бесцветным кристаллам сильвина
молочно-белый цвет. В виде примесей содержит также галит (NaCI) и
окись железа Fe2O3, сообщающую минералу красную окраску.
Синузия (от греч. synusia - совместное пребывание, сообщество)
- пространственно и экологически обособленная часть растительного
сообщества, состоящая из видов растений одной или нескольких
экологически близких жизненных форм.
Спорофит (от споры и греч. phytón - растение) - бесполое
поколение у растений, в цикле развития которых имеется чередование
поколений; развивается из зиготы. На спорофите формируются
спорангии, в которых в результате мейоза образуются споры.
Стела, стель (лат. stela, от греч. stele - столб, колонна) - в
ботанике, центральная, или осевая, часть стебля и корня высших
растений, состоящая из проводящих и механических тканей и
окруженная первичной корой; то же, что осевой, или центральный
цилиндр.
Таллом (от греч. thallós - молодая ветка, росток, побег) - тело
низших растений (водорослей, грибов, миксомицетов, лишайников),
не расчленённое на стебель и листья.
Томасшлак, Томасов шлак (по имени С. Дж. Томаса) - щелочное
фосфорное удобрение; побочный продукт переработки богатых
фосфором чугунов в сталь. Тёмный порошок, не растворим в воде, не
слёживается. Содержит не менее 14% P2O5 в цитратнорастворимой
форме.
Транспирация (от транс… и лат. spiro - дышу, выдыхаю) испарение воды растением. Основной орган транспирации – лист.
Феллоген (от греч. phellos – пробка и ...ген) - пробковый камбий,
вторичная образовательная ткань растений, состоящая из
вакуолизированных тонкостенных паренхимных клеток.
Фимбрии (от лат. firnbriac – бахрома) - длинные, тонкие, прямые
выросты, состоящие из гидрофобного белка и находящиеся в большом
208
количестве (иногда до нескольких тысяч) на поверхности клеток
грамотрицательных бактерий.
Флоэма (от греч. phloiós – кора, лыко) - ткань высших растений,
служащая для проведения органических веществ к различным
органам. Вместе с ксилемой составляет т. н. проводящие пучки.
Фосфатшлак - щелочное фосфорное удобрение, побочный
продукт при выплавке стали из чугуна при мартеновском
производстве. Тёмный тяжёлый порошок, нерастворим в воде, не
слёживается. Содержит 16–19% P2O5 в виде силикофосфата
(4CaOP2O5CaSiO3) в усваиваемой растениями форме, 26–41% CaO,
4–12% MgO.
Фосфориты - осадочные горные породы, сложенные более чем
на 50% аморфными или микрокристаллическими минералами группы
апатита (или в пересчёте на P2O5 свыше 18%). В геологоразведочной
практике к фосфоритам часто относят также породы, содержащие от 5
до 18% P2O5, особенно при условии открытой добычи и лёгкой
обогатимости полезного ископаемого.
Хлоропласт (от греч. chlorós - зелёный и plastós - вылепленный,
образованный) - внутриклеточные органеллы растительной клетки пластиды, в которых осуществляется фотосинтез. Окрашены в
зелёный цвет благодаря присутствию в них основного пигмента
фотосинтеза - хлорофилла.
Эдификаторы (от лат. aedificator - строитель) - виды растений с
сильно выраженной средообразующей способностью, т. е.
определяющие строение и, в известной степени, видовой состав
растительного сообщества - фитоценоза. Оказывают сильное
воздействие на среду и через неё на жизнь прочих растений
сообщества. В качестве примера можно привести ель в еловом лесу,
которая, образуя густую крону, задерживает до 50% осадков и
пропускает мало света. В связи с этим в густом еловом лесу царит
полусумрак, что позволяет жить в нём только теневыносливым
растениям. Кроме того, под пологом ели наблюдается повышенное
содержание водяных паров и углекислоты, а также пониженная днём
и повышенная ночью (по сравнению с соседними открытыми
местами) температура, что отражается на средней годовой
температуре внутри леса.
Экзогенный – вызванный извне, внешнего происхождения.
Экзодерма (от экзо... и греч. dérma - кожа) - наружный одноили многорядный слой плотно сомкнутых опробковевших клеток
первичной коры корня, выполняющий покровную функцию после
отмирания корневых волосков.
209
Экссудат (от лат. exsudo - выпотеваю; выделяю) - жидкость,
выпотевающая при воспалении из кровеносных сосудов в ткани и
полости тела (например, в плевральную полость при экссудативном
плеврите) и накапливающаяся в них; то же, что выпот. Часто под
экссудатами понимают выделения из различных, в том числе и из
растительных тканей.
Эндогенный – внутренний, внутреннего происхождения.
Эндодерма (от эндо... и греч. dérma - кожа, оболочка) внутренний однорядный слой плотно сомкнутых паренхимных клеток
первичной коры, прилегающий к центральному цилиндру осевых
органов высших растений.
Эндоплазматический ретикулум, эндоплазматическая сеть –
клеточный органоид; система канальцев, пузырьков и «цистерн»
отграниченных мембранами. Расположена в цитоплазме клетки.
Участвует в обменных процессах, обеспечивая транспорт веществ из
окружающей среды в цитоплазму и между отдельными
внутриклеточными структурами.
Энтерит (от греч. énteron - кишка) - воспаление тонкой кишки.
У человека по преимущественной локализации воспалительного
процесса различают дуоденит (воспаление двенадцатиперстной
кишки), еюнит (тощей кишки) и илеит (подвздошной кишки).
Эпиблема (от греч. epíblema - покрывало, покрытие) ризодерма,
волосконосный
слой,
поверхностная
первичная
однослойная всасывающая ткань корня, возникающая вблизи его
конуса нарастания.
Эпидермис (от эпи... и дерма) - у растений (эпидерма, кожица),
первичная поверхностная однослойная ткань, возникающая на всех
молодых органах побега, цветка, плода, семени. Клетки эпидермы.
таблитчатой формы, без межклетников, с утолщенной наружной
стенкой, покрытой на поверхности кутикулой, часто и восковым
налетом, живыми или отмершими волосками (выполняют роль экрана,
отражающего часть солнечных лучей).
Эпифиты (от эпи...- греч. ерí - на, над, при, после и греч. phytón растение) - растения, поселяющиеся на других растениях, главным
образом на ветвях и стволах деревьев, а также на листьях - так
называемые эпифиллы, и получающие питательные вещества из
окружающей среды (а не из растения-хозяина, как паразиты).
Эфемеры - группа однолетних травянистых растений,
заканчивающих полный цикл развития за очень короткий период. Это
- растения осенне-зимне-весенней вегетации, продолжающейся от 1,52 мес (спайноцветник спайноплодный, лебеда диморфная и др.)
210
L-формы, L-варианты бактерий - бактерии образующиеся в
результате почти полного или частичного разрушения клеточной
стенки или утраты клетками способности к её формированию. В
отличие от сферопластов и протопластов, сохраняют способность к
росту и размножению.
NPK – элементы минерального питания – азот, фосфор, калий.
211
212
Приложение В
(информационное)
Представители азотфиксаторов
Аэробные бактерии рода Бейеринкия (Beijerinckia)
Впервые аэробные бактерии рода Beijerinckia были выделены из
кислых почв рисовых полей в Индии (в 1939 г.). Г. Деркс (1950),
обнаружив эту бактерию в почве Ботанического сада в Богоре (Ява),
предложил назвать ее именем М. Бейеринка - одного из первых
исследователей фиксаторов азота.
Клетки бактерий рода Beijerinckia имеют круглую, овальную
или палочковидную формы; палочки иногда искривлены. Размеры
молодых клеток 0,5-2,0 х 1,0-4,5 мкм. Встречаются подвижные и
неподвижные формы. Цист и спор не образуют. Культуры
характеризуются
медленным
ростом.
Типичные
колонии
формируются обычно через 3 недели при 30 °С. Большинство культур
Beijerinckia образует на безазотном агаре с глюкозой выпуклые,
нередко складчатые, блестящие слизистые колонии очень вязкой
консистенции рисунок В1. При старении культуры, как правило,
образуют темноокрашенный пигмент.
На 1 г использованного энергетического материала организмы
рода Beijerinckia фиксируют 16-20 мг молекулярного азота. Спектр
углеродсодержащих соединений, доступных бейеринкии, значительно
уже, чем у азотобактера. Хорошо используются моно- и дисахариды,
хуже - крахмал, органические кислоты, ароматические вещества не
усваиваются. Минеральный азот и многие аминокислоты бактерии
рода Beijerinckia предпочитают молекулярному азоту.
Основные отличия бейеринкии от азотобактера - высокая
кислотоустойчивость(могут расти даже при рН 3,0), кальцефобность
(ничтожные дозы кальция подавляют рост), устойчивость к высоким
концентрациям железа, алюминия.
Бактерии рода Beijerinckia широко распространены в почвах
южной и тропической зоны, реже встречаются в зоне умеренного
климата. Beijerinckia часто встречается на поверхности листьев
тропических растений в Индонезии. Раньше полагали, что бактерии
рода Beijerinckia могут существовать только в кислых почвах. Сейчас
установлено, что они неплохо развиваются и в нейтральных и
щелочных почвах. Тем не менее следует полагать, что Beijerinckia
играют значительную роль в азотном балансе главным образом
кислых почв (латеритах, красноземах), не имея существенного
агрономического значения для нейтральных почв.
213
Рисунок В1 - Колонии бейеринкии разных типов (гладкие и
складчатые варианты): 1-2, 4-5 - по Н. И. Гогорикидзе; 3 - по Дж.
Бекингу.
Анаэробные бактерии рода Клостридиум (Clostridium)
Первый
анаэробный
микроорганизм,
усваивающий
молекулярный азот, был выделен и описан С. Н. Виноградским в 1893
г. Он оказался спорообразующей бактерией, которой было дано
наименование Clostridium pasteurianum (родовое название происходит
от латинского слова clostrum - веретено; видовое - pasteurianum - дано
в честь Луи Пастера).
Клетки Cl. pasteurianum крупные, их длина 2,5-7,5 мкм, ширина
0,7 - 1,3 мкм. Располагаются они поодиночке, парами или образуют
короткие
цепочки.
Молодые
клетки
подвижны,
имеют
перитрихиально расположенные жгутики, плазма их гомогенна. При
старении клетки плазма становится гранулированной, в ней
накапливается гранулеза (вещество типа крахмала). В центре клетки
или ближе к ее концу формируется спора, которая в поперечнике
214
значительно шире, чем вегетативная клетка, и поэтому клетка в этот
период приобретает форму веретена. Размер спор 1,3 х 1,6 мкм. На
рисунке В2 изображены клетки Cl. pasteurianum со спорами.
Рисунок В1 Клетки Clostridium pasteurianum со спорами.
Увеличение х 3500 (по В.И. Дуде)
Азотфиксирующая функция выявлена у многих представителей
рода Clostridium: Cl. pasteurianum, Cl. butyricum, Cl. butylicum, Cl.
beijerinckia, Cl. pectinovorum, Cl. acetobutyli-cum и других видов.
Наиболее энергичный азотонакопитель - Cl. pasteurianum - фиксирует
5-10 мг азота на 1 г потребленного источника углерода.
Наряду с молекулярным азотом бактерии рода Clostridium
хорошо усваивают минеральные и органические азотсодержащие
соединения. В качестве источника углеродного питания бактерии рода
Clostridium используют различные соединения, которые обычно
одновременно служат для них и источником энергии. К фосфору,
калию и кальцию они значительно менее чувствительны, чем
азотобактер. Однако удобрение почв фосфорно-калийными солями,
известкование почв или компостов всегда приводит к возрастанию
численности. Клостридии относительно устойчивы к кислой и
щелочной реакции среды. Область рН, при которой их развитие
протекает нормально, довольно широка; минимальное значение рН
ниже 4,5, максимальное - выше 8,5.
Влияние воздушно-водного режима на развитие бактерий рода
Clostridium изучено достаточно полно. Будучи анаэробными, они
215
хорошо переносят высокое насыщение почвы влагой. Однако
оптимальная степень увлажнения для них определяется типом почвы
и обеспеченностью органическим веществом. Лучше всего
клостридий развивается при влажности почвы, равной 60-80% от
полной влагоемкости.
Больше всего бактерий рода Clostridium в верхних слоях почвы,
которые богаты органическими веществами. Бактерии рода
Clostridium но-разному относятся к температуре, встречаются как
мезофильные. так и термофильные бактерии. Молекулярный азот
фиксируют лишь мезофилы. У мезофильных форм оптимальная
температура развития чаще всего находится в диапазоне 25-30 °С.
Предел максимальных температур 37-45 °С.
Споры клостридиев весьма устойчивы к высоким температурам.
Они выдерживают нагревание при 75 °С в течение 5 ч и в течение 1 ч
нагревание при 80 °С. Споры термофильных клостридиев погибают
при кипячении через 30 мцн. Более высокая температура (110 °С)
быстро убивает их.
Со многими микроорганизмами в почве Clostridium находится в
метабиотических отношениях, при которых предполагается обмен
продуктами метаболизма. Так, азотобактер улучшает условия жизни
клостридия, поглощая кислород, а клостридий вырабатывает из
органических соединений, недоступных азотобактеру, органические
кислоты, которые может ассимилировать азотобактер. «Всеядность»
Clostridium, малая взыскательность к условиям внешней среды, а
также способность в неблагоприятных условиях переходить в
состояние спор объясняют их широкое, практически повсеместное
распространение.
Накопления азота в почвах за счет деятельности Clostridium,
однако,невелики и не превышают, как правило, нескольких
килограммов на один гектар почвы.
Другие роды азотфиксирующих бактерий
До недавнего времени считалось, что монополия азотфиксации
принадлежит только представителям родов Azotobacter, Clostridium и
Rhizobium. За последнее время использование высокочувствительного
изотопного метода и других точных приемов исследовании позволило
установить способность многих почвенных микроорганизмов
связывать атмосферный азот.
Список азотоусвоителей пополнился новыми видами бактерий:
Azotomonas insolita, Azotomonas fluorescens, Pseudomonas azotogensis.
Установлена азотфиксирующая способность у ряда известных
216
бактерий,
таких,
как
актиномицеты
(Actinomycetes),
фотосинтезирующие бактерии (Rhodospirillum rubrum), представители
эубактерий (семейств Thiorhodaceae, Athiorhodaсеае, а также родов:
Pseudomonas, Bacterium, Bacillus). Наконец, выявлено, что некоторые
виды микроорганизмов, не фиксирующие азот в обычных условиях
культивирования, могут стать энергичными азотфиксаторами в
ассоциациях с другими видами микроорганизмов.
Сейчас известно свыше 80 видов и разновидностей бактерий,
несколько видов актиномицетов, дрожжей, дрожжеподобных
организмов и плесневых грибов, способных фиксировать азот. Они
населяют почву, дно морей и пресных водоемов.
Способность фиксировать азот присуща ряду представителей
семейства Pseudomonadaceae. Они довольно широко распространены в
природе. К наиболее интересным представителям этого семейства
относится несколько видов: Azotomonas insolita, фиксирующий до 12
мг азота на 1 г использованного сахара и встречающийся нередко не
только в почве, но и как эпифит на растениях; Azotomonas fluorescens,
выделенный впервые из компостов Н. А. Красильниковым (1945),
продуктивность азотфиксации которого не меньше, чем у первого
вида; Pseudomonas azotocolligans, населяющий кислые и щелочные
почвы Америки; Pseudomonas azotogensis, широко распространенный
в почвах Канады и легко выделяющийся из парниковых почв, и,
наконец, Pseudomonas methanitrificens, который встречается в почвах,
имеющих выход источников природных газов. Последняя бактерия
особенно интересна тем, что она использует метан и другие
газообразные углеводороды в качестве единственного источника
углерода, за счет энергии разложения, которых она усваивает азот
атмосферы.
Представители
семейства
Spirillaceae,
фиксирующие
молекулярный азот, распространены преимущественно в рыбоводных
прудах, озерах, морской воде, морских отложениях. Возможно, они
играют немаловажную роль в фиксации азота в водоемах.
Не только азотобактеру, как члену семейства Azotobacteriaceae,
свойственна азотфиксирующая функция. В почвах Индии встречаются
еще два представителя этого семейства - Derxia gummosa и Derxia
indica - активные, хотя и медленнодействующие, азотфиксаторы. В
азотном балансе почв они, как и бактерии Agrobacterium radiobacter из
семейства Rhizobiaceae, по-видимому, не играют сколько-нибудь
значительной роли. Молекулярному азоту они предпочитают
связанные источники азота, такие, как мочевина, пептон,
аминокислоты и минеральные соединения.
217
Среди
спорообразующих
грамположительных
бактерий
семейства Bacillaceae азотфиксирующая способность выявлена у
факультативных анаэробов Bacillus polymyxa, аэробов Bacillus
megaterium и Thermobacillus azotofigens. Последняя бактерия,
выделенная из удобренной навозом дерново-карбонатной почвы
Эстонской ССР, оказалась термофильной с оптимумом роста 45-50 °С
и максимумом 60-65°С. При температурах ниже 20°С она не
развивается.
Распространение функции азотфиксации в ряде семейств
фотосинтезирующих
бактерий
(семейства
Thiorhodaceae,
Athiorhodaceae, Chlorobacteriaceae, Hyphomicrobiaceae) не случайно,
так как, по-видимому, они являются представителями одной из
древнейших групп азотфиксаторов на Земле.
Небольшие количества молекулярного азота способны
усваивать почвенные микобактерии. Усвоенный микобактериями азот
в
сочетании
с
азотом,
ассимилированным
другими
олигонитрофильными
микроорганизмами,
сине-зелеными
водорослями, лишайниками и мхами, настолько обогащает
примитивную почву азотом, что ее могут заселять высшие растения.
218
Приложение Г
(обязательное)
Некоторые методики изучения активности микроорганизмов
Как альтернатива использования химических средств защиты и
стимуляции роста растений развиваются представления о
возможностях регуляции внутрибиоценотических взаимоотношений
между отдельными компонентами агросистем. Существенную роль в
естественной защите растений от разнообразных патогенов, питании и
стимуляции роста играет эндофитная, эпифитная и ризосферная
микрофлора. Это обстоятельство послужило основой разработки и
применения разнообразных бактериальных и грибных препаратов.
Эффективность применяемых бактериальных препаратов, а также
активность естественной эпифитной микрофлоры в значительной
мере определяется спектром веществ, секретируемых растением.
Пониженный иммунитет растений может быть связан с низкой
активностью микрофлоры, обусловленной недостатком или
отсутствием продуцируемых растением отдельных регуляторных
метаболитов. В ряду таких сигнальных веществ особое значение
отводят фенолам, в частности, флавоноидам, которые могут
выступать как стимуляторы, так и ингибиторы симбиоза, определяя
спектр взаимодействующих с растением микроорганизмов и их
метаболизм. В сельскохозяйственной практике используется ряд
содержащих флавоноиды препаратов, полученных на основе
экстракции растительного сырья органическими растворителями.
Подобные препараты повышают урожайность и иммунитет
сельскохозяйственных растений.
Для традиционной экстракционной технологии характерны ряд
недостатков:
использование
токсичных
и
пожароопасных
органических экстрагентов (ввиду малой растворимости в воде
действующих веществ), невысокая степень извлечения за цикл,
загрязнение среды отходами производства. В качестве альтернативы
предлагается использование водной экстракции растительного сырья,
которое с целью повышения эффективности экстракции подвергнуто
предварительной механохимической обработке.
Роль механохимической обработки состоит в снижении
диффузионных
ограничений
экстракции
через
увеличение
поверхности раздела фаз, разрушении клеточных оболочек,
включении в состав смеси микрочастиц реагентов вступающих в
реакции с целевыми и балластными веществами, что увеличивает
выход целевых веществ. Экстрагируемость водой и стабильность
219
концентрированных растворов малорастворимых в воде флавоноидов
обеспечивается присутствием в экстрагируемом сырье (древесина
лиственницы)
значительных
количеств
полисахарида
арабиногалактана,
обладающего
диспергирующими
и
дефлокулирующими свойствами и традиционно используемого для
стабилизации эмульсий.
Методика изучения влияния биопрепаратов на микрофлору
пшеницы
При изучении влияния препаратов на рост патогенного гриба
Fusarium oxysporum Schiecht. - факультативного возбудителя
корневых фузариозных гнилей и трахеомикозного увядания растений,
используют стандартную процедуру, применяемую для оценки
фунгитоксичной активности веществ. Препараты в концентрации
0,01% сухого вещества включали в состав стерильной агаризованной
среды Чапека, в центр которой помещали цилиндрическую высечку,
из агаризованной среды Чапека с 5-и суточным газоном мицелия
гриба. Через 7 суток инкубации по диаметру разросшегося мицелия
характеризовали рост мицелия гриба. По каждому варианту делали не
менее 3-х повторов. Процент ингибирования роста определяли по
формуле: % ингибирования = (100 x [диаметр контроля - диаметр
опыта]) /(диаметр контроля - диаметр высечки).
Методика изучения влияния биопрепаратов на рост
бактерий Pseudomonas fluorescens в культуре.
Изучали бактерии Pseudomonas fluorescens, часто используемых
в составе
препаратов для сельского хозяйства. Ps. fluorescens
культивировали в жидкой, полусинтетической пептонно-глюкозной
среде, содержащей исследуемые препараты. Состав среды: (0,05М
K,Na -фосфатный буфер рН 7,2; 0,02М (NH4)2SO4; 0,01M MgSO4; 0,5%
- глюкоза; 1% ферментативный лактальбуминовый пептон. К 100 мл
среды добавляли по 100 мкл бактериальной суспензии, содержащей
5х109 бактериальных клеток/мл.
Инкубацию проводили в колбах Элмеера (1 л) на качалке при
30ºС. Инкубацию останавливали через различные сроки после начала
роста культуры. По завершении инкубации проводили измерения
концентрации микроорганизмов в разведениях полученной суспензии
по оптической плотности на 629 нм, из расчета 1х10 8 клеток/мл = 0,1
оптической единицы в диапазоне 0,15-0,4. Такой метод определения
концентрации клеток ранее описан специально для бактерий
Pseudomonas. В предварительных экспериментах было подтверждено
220
хорошее соответствие величин концентрации бактерий рассчитанных
по оптической плотности суспензии и определенных методом высева
разведений суспензии бактерий на твердую питательную среду
(пептонно-глюкозная среда, содержащая 2% агара).
Методика получения реизолятов исходных культур
ризосферных бактерий
Чтобы добиться стабильного результата при выращивании
бактериальной культуры с заданными свойствами, необходимо
контролировать качество продукции на каждом этапе производства.
Часто штаммы микроорганизмов, хранящиеся в чистой музейной
культуре на искусственных средах, теряют свои изначальные свойства
как продуценты активных веществ, либо азотфиксирующую и
фосфатмобилизующую активность.
Поэтому перед производственным сезоном необходимо
восстанавливать свойства штаммов, пропуская микроорганизмы через
естественную их среду обитания, проводя их через корни растений в
стерильных условиях по следующей методике. Стерилизованные
семена помещали в пробирки со стерильной почвой, инокулировали
изучаемой бактериальной культурой. Стерильные семена пшеницы
получали путем двухэтапной стерилизации 0,1% раствор HgCl2 в
течение 20 минут смесью 96% C2 H2 OH и 30% H2O2 в течение 2 минут
с последующим отмыванием стерильной водой.
Стерильность семян проверяли, помещая обработанные семена
на картофельный агар и МПА. Почву стерилизовали три раза с
суточными перерывами в сухо- жаровом шкафу при плюс 160 оС по 2
часа. Предварительно обработанные семена проращивали в чашках
Петри на фильтровальной бумаге, смоченной стерильной
дистиллированной водой. Через 7 суток после посева проростков у
выросшего растения отделяли корни и гомогенизировали в ступке в
стерильных условиях. Гомогенизат помещали в 30 мл флакон,
добавляли 5 мл среды Эшби и получали накопительную культуру.
Из полученной культуры делали истощающий посев для
получения отдельных колоний. Каплю биомассы, с накопительной
культурой из корней микробиологической петлей помещали на
первую чашку Петри. Растирая каплю в первой чашке Петри
шпателем, и, не обжигая его в пламени спиртовки, последовательно
проводили посев в следующих шести чашках для получения
отдельных бактериальных колоний. Отдельные операции методик
показаны на фотографиях – рисунки Г1 – Г 2.
221
Рисунок Г1 - Отбор колоний бактерий с ярко выраженной
фосфатмобилизующей
активностью
по
зонам
осветления
агаризованной среды со свежеосажденным Сa3(PO4)2.
Рисунок Г2 - Введение в чистую культуру микроорганизмов
222
Полученные таким образом реизоляты микроскопировали и
проверяли на заданные свойства (накопление биомассы,
фунгистатическая и ростостимулирующая активность, способность
колонизировать ризосферу, фосфатмобилизация).
Методика уменьшения лизогенности штаммов Bacillus sp.
Известно, что основой получения любого бактериального
препарата
является
классическая
схема
асептического
биотехнологического
производства.
Однако
при
этом
культивирование каждого конкретного штамма предполагает
выполнение
специфических
условий,
необходимых
для
максимального проявления штаммом его промышленно значимых
свойств. Особенно важно сохранить свойства исходной матричной
культуры после допустимого периода хранения препарата. В
современном промышленном биотехнологическом производстве
многие биопрепараты изготавливаются на основе различных штаммов
бактерий рода Bacillus sp. Одним из существенных негативных
эффектов подобного производства является фаголиз бактериальной
культуры, особенно Bacillus megaterium. Основными способами
борьбы с лизогенными вирусами бактерий являются поддержание
строжайшей стерильности исходной матричной культуры для
производства препарата и селекция устойчивых к бактериофагам
штаммов.
Патентуемый штамм Bacillus megaterium var. phosphaticum Pl-04
селекционирован из лабораторного штамма по оригинальной
методике
путем
постепенной
адаптации
к
полигексаметиленгуанидину. Данное вещество относится к классу
биоцидных катионных полиэлектролитов, который помимо
флокуляции обладает высокой и разнообразной биоцидной
активностью:
бактерицидной,
фунгицидной,
вирулицидной,
алгицидной. Проведенные исследования показали, что соли
полигексаметиленгуанидина существенно понижают лизогенность
культуры Bacillus megaterium var. phosphaticum, что позволяет, с одной
стороны, оптимизировать технологический процесс производства
бактериальных препаратов, а с другой стороны, в три раза увеличить
срок хранения чистых культур на агаризованной среде между
посевами для сохранения заявленных свойств промышленных
штаммов бактерий.
Устойчивость к полигексаметиленгуанидину определяли в ходе
посева Bacillus megaterium var. phosphaticum на скошенный мясопептонный агар. Для этого в не застывший мясо-пептонный агар
223
добавляли полигексаметиленгуанидин следующих концентраций: 50
мкл на 10 мл среды; 100 мкл на 10 мл среды и 150 мкл на 10 мл среды.
В качестве исходного раствора использовали промышленный 20 %
водный
раствор
полигексаметиленгуанидина
гидрохлорида,
представляющий собой прозрачную жидкость от бесцветного до
желтого цвета (рН раствора 7,7-9,5). Затем давали агару застыть и
засевали
полученные
косяки
бактериями
с
помощью
микробиологической петли. Пробирки помещали в термостат при
температуре плюс 31 градус по Цельсию. Через двое суток отмечали
рост колоний Bacillus megaterium var. phosphaticum на косяках
соответственно добавленному к питательной среде количеству
полигексаметиленгуанидина.
Выросшие
колонии
визуально
выглядели как складчатые, округлые, крупные, 6-7 мм в диаметре,
беловато-кремовые образования. При повторных пересевах на
косяках, содержащих 100 мкл полигексаметиленгуанидина на 10 мл
среды, наблюдали пигментацию колоний в виде окрашивания до
розовато-кремового цвета.
При хранении косяков мясо-пептонного агара с культурой
Bacillus megaterium var. phosphaticum в холодильнике при температуре
плюс 4 градуса по Цельсию происходит лизирование бактериальных
колоний через 4-8 недели. Однако в тех пробирках, где к мясопептонному агару был добавлен полигексаметиленгуанидин, колонии
Bacillus megaterium var. phosphaticum сохраняли характерные для
данного штамма признаки - исходную форму, цвет и консистенцию.
Жизнеспособность
выращенных
с
добавлением
полигексаметиленгуанидина бактерий сохранялась в течение шести
месяцев, что в три раза превышает срок, который обычно необходим
для пересева колоний Bacillus megaterium с целью поддержания
морфофизиологических свойств определенной исходной чистой
культуры бактерий.
Добавка полигексаметиленгуанидина в агаризованные
питательные среды увеличивает в три раза продолжительность
хранения маточных культур и позволяет существенно уменьшить
трудность хранения коллекций продуктивных штаммов. Таким
образом, целесообразно использование полигексаметиленгуанидина в
качестве стабилизатора, позволяющего сохранять и поддерживать
длительное время функционально активную жизнеспособность и
заявленные свойства различных штаммов Bacillus sp.
224
Методика проверки и поддержания промышленных свойств
бактериальных культур
Установлено, что некоторые азотфиксаторы вырабатывают
фунгистатическое вещество, которое представляет собой метиловый
эфир алифатической тетраеновой кислоты, содержащей гидроксильную
и β-метильную группы (антибиотик группы антисомицина).
Обнаруженный антибиотик активен против значительного числа
фитопатогенных грибов. Благодаря этому свойству азотфиксаторов при
бактеризации в ризосфере угнетается развитие микроскопических
грибов из родов Fusarium, Alternaria, Peniciliium, многие из которых
задерживают рост растений, проявляя так называемый «санитарный
эффект» азотобактерина.
Проводилось изучение фунгистатической активности штамма Az
d10 в отношении гриба Fusarium oxysporum, выделенного с семян
пшеницы. Fusarium oxysporum Schiecht. – это факультативный
возбудитель корневых фузариозных гнилей и трахеомикозного
увядания растений, специализированная пшеничная форма гриба. Для
оценки фунгитоксичной активности веществ использовали ранее
описанную стандартную процедуру.
Для выращивания грибов Fusarium oxysporum использовалась
среда сусло-агар, приготовленная из не охмеленного пивного сусла с
водой (1/4) с добавлением агар-агара (2 %) . Стерилизация при 0,5 атм.
в течение 25 мин. Для изучения влияния бактерий Azotobacter
chroococcum на рост колоний фузариума был поставлен эксперимент,
в ходе которого на чашки Петри с сусло-агаром по стандартной
методике помещались агаровые блоки с мицелием гриба. Во всех
опытных вариантах на агаризованную питательную среду газоном
высевали 0,1 мл бактериальной суспензии с концентрацией клеток 1x
106 кл/мл. После растирания шпателем, бактериальные посевы
заливали тонким слоем агаризованной среды для предотвращения
физического контакта бактериальных и грибных колоний.
В контроле осуществляли «ложный» посев – засевали по 0,1 мл
стерильной жидкой питательной среды. В ходе опыта регистрировали
изменение диаметра колоний гриба в течение семи дней. Результаты
использованы для разработки методики контроля фунгистатической
активности биопрепаратов на основе ризосферных микроорганизмов.
225
Методика
определения
фосфатмобилизующей
активности штаммов Bacillus megaterium var. phosphaticum
Фосфатмобилизующая активность можно изучать двумя
методами – высевом разбавленной бактериальной суспензии на
агаризованную среду со свежеосажденным Сa 3(PO4) 2 и
определением растворенных фосфатов в культуральной среде.
Наиболее удобный метод выделения фосфатрастворяющих
микроорганизмов – чашечный, когда активные микроорганизмы
отбирают из колоний на агаровой пластинке в зонах растворения
фосфата. По образованию зон просветления вокруг колоний
отбирали наиболее активные фосфатмобилизующие штаммы
микроорганизмов.
Метод
определения
растворенных
фосфатов
в
культуральных средах основан на определении полифосфатов в
кислой среде, при которой они переходят в растворенные
ортофосфаты, определение калориметрическим методом в виде
фосфомолибденового комплекса окрашенного в синий цвет. В
отдельной пробе определяют ортофосфаты, первоначально
бывшие в воде, содержание которых вычисляют из результата
полученного при определении полифосфатов. Чувствительность
метода 0.01 мг/л. В качестве источника фосфора использовали
фосфат кальция Са 3 (РО 4 ) 2 , нерастворимый при нейтральной рН.
Контролем в экспериментах служила среда, на которой выращивались
исследуемые микроорганизмы. В качестве контрольного штамма
бактерий был взят штамм кишечной палочки Escherichia coli B- 899,
который не является почвенным микроорганизмом.
Была проанализирована зависимость между кислотностью
среды и концентрацией (РО4)3-. Показано, что с увеличением
кислотности увеличивается содержание фосфора в культуральной
среде, что соответствует литературным данным. С целью определения
сравнительной эффективности мобилизации фосфата исследуемых
штаммов бактерий была рассчитана удельная концентрация фосфата в
расчете на единицу биомассы. Расчет удельной концентрации
производили следующим образом: концентрация РО43 в варианте с
бактериями минус концентрация РО43 в контроле, деленные на
концентрацию бактериальных клеток. Расчет удельной способности
выщелачивать фосфат из нерастворимого осадка производили для
каждого варианта по всем точкам измерений. Результаты
представлены на рисунке Г3.
226
1 - Вас PO4 – реизолят штамма Bacillus megaterium Pl – 04;
2 - Nв PO4 – исходный штамм
Pl-04 Bacillus megaterium var.
phosphaticum;
3 - Is PO4 – фосфатмобилизующий изолят ВКМ 2134 Д, принятый за
стандарт;
4 - Ес PO4 – штамм кишечной палочки E. coli B – 899;
Рисунок Г3 - Изменение концентрации РО43 в бактериальных
культурах
Из полученных данных следует, что наибольшей удельной
способностью к мобилизации фосфата обладает штамм Baсillus
megaterium var. phosphaticum Pl-04.Одним из главных механизмов
мобилизации фосфатов является закисление среды за счет продуктов
жизнедеятельности микроорганизмов.
Методика оптимизации состава питательных сред для
промышленного культивирования
Известно, что применение соединений селена при производстве
бактериальных удобрений и средств защиты растений имеет большие
227
перспективы. Данный элемент является мощным стимулятором роста
для грибов, бактерий и актиномицетов, что позволяет увеличить на 15
- 20% выход маточной культуры и препаратов без дополнительных
затрат.
Ультрамалые
концентрации
используемых
веществ
практически не сказываются на жизнеспособности микроорганизмов.
В питательную среду для выращивания маточной культуры и в
питательную среду для культивирования рабочей культуры различных
биопрепаратов вносят водный раствор селената натрия с тем, чтобы
конечная концентрация селената натрия составила 1х10 -4 г/л жидкой
питательной среды.
Значительное повышение концентрации бактериальных клеток
наблюдается также при добавлении в питательную среду для
культивирования, например, Azotobacter, chroococcum смеси
микроэлементов по Федорову в количестве 1мл / 1 л среды
следующего состава: Н3ВО3 – 5г; (NH4)2 MoO4 – 5 г; KJ – 0,5г; NaBr –
0,5 г; ZnSO4 – 0,2 г; Al2 (SO4)3 – 0,3 г; дистиллированная вода – 1000
мл. Описанные добавки являются дополнительным фактором,
стабилизирующим ростовые процессы азотобактера. В ходе опыта
было изучено влияние микроэлементных добавок на рост
исследуемых штаммов. Результаты показаны на графиках - рисунки
Г4 – Г6.
B.m.+ - кривая роста Bacillus megaterium на оптимизированной
питательной среде; B.m.- кривая роста исходного штамма Bacillus
megaterium на среде МПБ без специфических добавок.
Рисунок Г4 - Кривая роста Bacillus megaterium var. phosphaticum
штамма Pl-04 № ВКМ В-2357Д.
228
Az d10+ - кривая роста Azotobacter chroocoсcum Az d10 на
оптимизированной питательной среде; Az d10 - кривая роста штамма
Azotobacter chroocoсcum Az d10 на стандартной среде без добавок.
Рисунок Г5 - Кривая роста Azotobacter chroocoсcum Az d10
B.m.s.+ - кривая роста Bacillus mucilaginosus на оптимизированной
питательной среде; B.m.- кривая роста Bacillus mucilagenosus на среде
МПБ без специфических добавок
Рисунок Г6 - Кривая роста Bacillus mucilagenosus
229
Полученные данные свидетельствуют о том, что снижение
лизогенности маточных культур при выращивании на агаризованной
среде с ПГМГ, добавление соединений селена и смеси
микроэлементов существенно влияют на рост изучаемых
бактериальных культур. В результате это позволяет получить
бактериальные препараты с более высокой численностью клеток в 1
мл культуральной среды, до 1x1011 кл/мл
по сравнению с
культивированием на стандартной среде.
Методика контроля ростостимулирующей активности
биопрепаратов
Известно, что некоторые штаммы почвенных бактерий
способствуют значительному улучшению роста и развития растений.
В настоящее время бактерии, обладающие совокупностью полезных
для растений свойств, принято обозначать как PGPR (Plant GrowthPromoting Rhizobacteria – ризобактерии, способствующие росту
растений). Селекционирование подобных штаммов в качестве
альтернативы пестицидам позволяет создать современные технологии
в земледелии, увеличить урожай и улучшить его качество, а также
сохранить здоровье и окружающую среду экологически чистыми.
Контроль ростстимулирующей способности данного препарата
проводился
путем
измерения
количества
фитогормонов,
продуцируемых в культуральную среду бактериями Azotobacter
chroococcum штамм Az d 10, составляющих основу биопрепарата
"Вайс-А", а также путем влияния препарата на параметры роста
растений кукурузы.
Из культуральной среды бактериальные клетки осаждали в
рефрижераторной центрифуге «К-24» в режиме 8000 оборотов в
минуту при плюс 4 градусах по Цельсию. Надосадочную жидкость
выпаривали, в сухом остатке определяли содержание фитогормонов с
помощью наборов для иммуноферментного анализа фирмы OlChemim
(Чехия). Содержание свободных и связанных форм фитогормонов в
культуральной среде бактерий биопрепарата «Вайс-А» в мкг в 10 мл
приведено в таблице Г1.
Анализ данных по определению уровня гормонов в
культуральной среде бактерий позволил сделать заключение, что по
сравнению с активным реизолятом штамма
Azotobacter
сhroococcum Az d 10, культивируемым на лабораторном
оборудовании, микроорганизмы опытной партии препарата
"Вайс-А", произведенного на биокультиваторе "Алант-5",
230
продуцируют фитогормоны группы ауксинов и цитокининов
примерно на таком же уровне.
Таблица Г1 - Содержание свободных и связанных форм фитогормонов
в культуральной среде бактерий биопрепарата «Вайс-А», мкг в 10 мл
Индолилуксусная
Цитокинины
кислота
Вариант
Изопентеопыта
Свободная Связанная
Рибозид
ниладеЗеатин
форма
форма
зеатина
нин
Реизолят
штамма
6,7+1,1
Azotobacter
53,9+3,2
72,6+2,0
38,1+2,3 24,2+1,1
сhroococcum
Az d 10
Исходный
штамм
9,3+0,9
Azotobacter
58,4+4,7
71,8+3,4
32,4+1,4 18,4+0,7
сhroococcum
Az d 10
Питательная
среда без
0
0
0
0
0
бактерий
Ростостимулирующий эффект биопрепарата "Вайс-А" изучали
также в ходе модельных экспериментов на растениях кукурузы сорта
"Молдавский 245" с помощью трехкомпонентной экосистемы: "песок
- Zea mays- бактериальные препараты". В ходе проведения
эксперимента изучали такие ростовые характеристики растений, как
биомасса корней, масса надземной части растений, число боковых
побегов.
Результаты микровегетационных опытов позволили сделать
вывод об увеличении скорости роста инокулированных бактериями
Azotobacter chroocoсcum растений кукурузы. При сравнении
ростактивирующего действия реизолята Azotobacter chroocoсcum
Az d 10; штамма Azotobacter sp. из лабораторной коллекции и
промышленного образца биопрепарата "Вайс-А" показано, что
процесс промышленного получения тестируемой партии
биопрепарата "Вайс-А" достоверно не изменил промышленно
значимых свойств исходной
матричной культуры для
231
производства препарата на такие параметры роста, как биомасса
корней, масса надземной части растений и число боковых побегов.
Контроль
фунгистатической
активности
бактерий,
содержащихся в биопрепарате «Вайс-А», партия № 12-А от 21. 06.
2006
Для проверки фунгистатической активности опытной партии
биопрепарата "Вайс-А" были использованы чистые культуры грибов
Fusarium oxysporum var. sp., выделенного с поверхности семян
пшеницы, Fusarium oxysporum var. sp, выделенного с растений льна и
Fusarium oxysporum var. gladioli с растений гладиолуса.
Фунгистатическая
активность
биопрепарата
"Вайс-А"
проверялась также в микровегетационном опыте, в котором семена
кукурузы помещались в пробирки на субстрат из вермикулита с
питательным раствором Кнопа и обрабатывались питательной средой
без бактерий (контроль) или бактериальными суспензиями.
Поражение растений фитопатогенным грибом Bipolaris sorokiniana в
контроле (семена кукурузы с питательным раствором Кнопа без
добавления бактерий) достигало 100%.
В вариантах тестирования реизолята Az d 10 и биопрепарата
"Вайс-А" симптомы инфицирования либо полностью отсутствовали,
либо были слабо выражены – таблица Г2. В обоих случаях показано,
что фунгистатическая активность опытной партии биопрепарата
"Вайс-А" соответствует уровню таковой у реизолята штамма
Azotobacter сhroococcum Az в 10.
Таблица Г2 - Количество пораженных растений Zea mays L. с
симптомами инфицирования грибом Bipolaris sorokiniana
Реизолят Биопрепарат
Вариант опыта
Контроль
Az d10
"Вайс-А"
Общее количество
100
100
100
инфицированных растений
Количество инфицированных
растений при обработке
бактериальными культурами
100
6
7
или питательной средой без
бактерий
232
Контроль мобилизации кремния и фосфора бактериями,
содержащимися в опытной партии биопрепарата "Вайс-Ф" № 76Ф от 14.06.2006 и бактериями, содержащимися в опытной партии
биопрепарата "Вайс-К" № 10-К от 27.06.2006
Применение данных препаратов позволяет снизить норму
внесения
минеральных
удобрений
и
улучшить
качество
сельхозпродукции. Известно, что использование бактериальных
культур особенно эффективно на плодородных почвах. Поскольку
таких почв на нашей планете осталось немного, целью проверки
качества опытной партии биопрепаратов "Вайс-Ф" и "Вайс-К"
являлось изучение их потенциальных возможностей в мобилизации
биогенных элементов из неорганической составляющей почвы.
Поставлено две серии опытов, в качестве тест-объекта
выщелачивания использована фосфоритная порода следующего
состава, %: P2O5 – 13,6; CaO – 44,75; MgO – 1,05; CO2 – 20,88; Fe2O3 –
3,03; SiO2 – 2,7; Cорг – 0,11. В опытных вариантах навеска стерильной
измельченной породы заливалась стерильной питательной средой,
содержащей 0,1 мл суточной суспензии, полученной из
соответствующего
бактериального
препарата
путем
его
асептического разведения в 100 раз. Соотношение твердого и
жидкого компонентов составляло 1:3. Контрольные варианты ставили
по аналогии с опытными, но без добавления бактерий.
Стерилизацию фосфоритной породы, измельченной до размера
0,2 мм, осуществляли в колбах в жарочном шкафу при +130°С
ежедневно по 20 минут в течение трех дней. Остальные необходимые
материалы, а также питательные среды стерилизовали в автоклаве
при +120°С в течение 30 минут. Раствор глюкозы стерилизовали при
+100°С по 10 минут ежедневно в течение трех дней. Общий срок
опыта составил 30 суток, которые были разделены на 5, 10 и 30 дней
По истечении каждого временного этапа растворы сливали в
чистую стерильную посуду с целью определения количества
бактерий к данному сроку, а также количества мобилизованных из
породы кремния и фосфора. Подсчет бактерий в экспериментальных
растворах осуществляли в конце каждого временного отрезка методом
10-кратных разведений с последующим высевом на агаризованную
среду соответствующего состава. Определение потенциальной
активности бактерий данных препаратов в мобилизации кремния и
фосфора проводили по методике РД 52.24.3.-82 (SiO2) и ГОСТ 1830972. Результаты исследований по выщелачиванию кремния и фосфора
233
из фосфоритной руды с участием бактерий биопрепаратов "Вайс-Ф" и
"Вайс-К" приведены в таблице Г3.
Таблица Г3 - Выщелачивание кремния и фосфора из фосфоритной
руды с участием бактерий биопрепаратов "Вайс-Ф" и "Вайс-К"
Биопрепарат "Вайс-К"
Переход кремния
Число
Переход фосфора
Срок
(SiО2) в раствор,
бактерий,
(РО4)2- в раствор, мг/л
опыта, дни
8
мг/л
х10 ,
кл/мл
Опыт Контроль
Опыт
Контроль
5
0,0026
9,25
6,25
0,55
0,45
10
11,5
16,75
6,88
1,25
0,63
30
22,0
17,25
7,10
1,63
0,72
Биопрепарат "Вайс-Ф"
Переход кремния
Срок
Число
Переход фосфора
опыта, дни бактерий, (SiО2) в раствор, (РО4)2- в раствор, мг/л
мг/л
х108,
кл/мл
Опыт Контроль
Опыт
Контроль
5
0,00021
5,62
4,75
0,07
0,05
10
0,05
6,62
5,25
0,19
0,06
30
1,25
20,0
6,38
0,32
0,09
Установлено, что исследуемые биопрепараты способны
мобилизовать кремний и фосфор из объектов литосферы, в данном
случае горной породы. В количественном аспекте, характеризующем
геохимическую активность биопрепаратов, более активно идет
выщелачивание кремния, но на одну микробную клетку "Вайс-Ф"
приходится больше выщелоченных фосфора и кремния.
Электронно-микроскопические исследования поверхности
руды после 30–дневного инкубирования с бактериями
биопрепаратов "Вайс-Ф" и "Вайс-К"
Параллельно с определением скорости выщелачивания кремния
и фосфора проводили электронно-микроскопические исследования
породы после 30-дневного инкубирования с бактериями Bacillus
megaterium var. phosphaticum, штамм Pl-04. Для этого объектный
столик покрывали тонким слоем клея, на него насыпали исследуемый
порошок. После высыхания клея объектный столик помещали в
234
вакуумный пост JEE-4B, где на поверхность наносили тонкий (20 - 30
нм) слой серебра методом термического напыления в вакууме.
Полученный препарат исследовали в растровой приставке ASID-4D
("JEOL", Япония) к электронному микроскопу “JEM-100 CXII”
(“JEOL”, Япония) при ускоряющем напряжении 20 кВ.
Некоторые результаты представлены на рисунках в данном
пособии, где изображены электронные микрофотографии поверхности
измельченной руды (горной породы) после 30-дневной инкубации с
бактериями или без них при различных увеличениях. Для
сравнительного изучения прямого разрушающего действия бактерий
на неорганический субстрат, руду "Джерой" были выбраны
однотипные частицы руды округлой формы. Контролем служила
питательная среда без бактерий, в качестве естественного биоценоза
использовали комплекс бактерий, выделенных из серой лесной почвы
Томской области, опытным вариантом служили бактерии Bacillus
megaterium var. phosphaticum, штамм Pl-04. Полученные снимки
свидетельствуют о прямом биогенном воздействии данного штамма
Bacillus megaterium var. phosphaticum на минеральный субстрат, что
приводит к увеличению доступных форм элементов питания для
растений.
Тестирование опытной партии биопрепаратов серии "Вайс"
подтвердило полное соответствие их заявленных свойств
агропромышленного назначения: бактерии "Вайс-А" обладают
фитогормон-продуцирующей и фунгицидной активностью, бактерии
"Вайс-Ф" и "Вайс-К" способны выщелачивать обменные формы
фосфора и кремния из неорганического субстрата.
235
Содержание
Введение .............................................................................................................. 3
1 Экология микроорганизмов ......................................................................... 4
1.1 Среды обитания микроорганизмов............................................................ 4
1.2 Взаимоотношения организмов .................................................................. 13
2 Экология микроорганизмов почвы .......................................................... 17
2.1 Сукцессия .......................................................................................................... 19
3 Свойства почвы, как среды обитания ..................................................... 20
3.1 Гипергенез ........................................................................................................ 21
3.2 Почвообразовательный процесс ............................................................... 32
3.3 Состав и свойства почвы ............................................................................. 35
3.4 Основные типы почв и их распространение ........................................ 42
3.5 Плодородие почвы ......................................................................................... 43
4 Растения ............................................................................................................. 45
4.1 Вегетативные органы растений ................................................................ 47
5 Минеральное питание растений ............................................................... 65
5.1 Роль азота в питании растений.................................................................. 68
5.2 Роль фосфора в питании растений ........................................................... 73
5.3 Роль калия в питании растений................................................................. 76
5.4 Роль микроэлементов в питании растений ........................................... 84
6 Удобрения в сельскохозяйственном производстве ........................... 86
6.1 Азотные удобрения ....................................................................................... 89
5.4 Фосфорные удобрения ................................................................................. 93
6.3 Калийные удобрения ................................................................................... 97
7 Взаимодействие микроорганизмов и растений ................................. 101
7.1 Азотфиксация микроорганизмами......................................................... 101
7.2 Клубеньки у растений, не относящихся к бобовым ........................ 137
7.3 Внекорневые азотфиксирующие симбионты..................................... 143
7.4 Везикулярно-арбускулярная микориза ................................................ 144
7.5 Ризосферная микрофлора ............................................................... 145
7.6 Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы .............. 148
7.7 Ассоциативные азотфиксаторы .............................................................. 155
8 Механизм биологической фиксации молекулярного азота .......... 156
8.1 Преинфекционные (сигнальные) взаимодействия ............................ 160
8.2 Структурная основа симбиоза .................................................................. 165
8.3 Механизм взаимодействия растения и азотфиксатора .................... 169
8.4 Энергетическое обеспечение азотфиксации ....................................... 169
8.5 Ассимиляция фиксированного углерода .............................................. 171
9 Иммобилизация фосфора микроорганизмами .................................... 173
10 Применение микроорганизмов в качестве «живых удобрений» .. 188
236
Литература ............................................................................................................ 201
Приложение А ..................................................................................................... 203
Приложение В ..................................................................................................... 213
Приложение Г...................................................................................................... 219
237
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
25 357 Кб
Теги
bondarenko, vedernikov, rizosferi, mikroorganizmi, vayshlya, 221
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа