Главное меню
Реклама

`

Удивительное сотрудничество в почве

Химический элемент азот жизненно важен для растений, поскольку входит в состав многих органических соединений, таких как аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты. Так, в молекулах белков на долю его атомов приходится 15–19% массы, а растительная масса в среднем содержит от 2 до 4% азота.

Едва ли в истории найдется много таких открытий, которые были бы таким благодеянием для человечества, как включение клевера и вообще бобовых в севооборот,
так поразительно увеличивающих производительность труда земледельца.


К. А.Тимирязев


Химический элемент азот жизненно важен для растений, поскольку входит в состав многих органических соединений, таких как аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты. Так, в молекулах белков на долю его атомов приходится 15–19% массы, а растительная масса в среднем содержит от 2 до 4% азота.
Между тем слово «азот» с греческого переводится как «безжизненный» («а» — отрицание, «зоос» — живой). Почему древние греки назвали этот элемент так странно? Откуда такое несоответствие между названием и биологическим значением? Дело в том, что, хотя атмо­сфера Земли и содержит колоссальное количество азота (78–79%), он инертен и недоступен для основных производителей органических веществ, каковыми являются растения.
Если из одинаковых семян вырастить одно растение на питательном растворе, содержащем все необходимые элементы, а другое — на растворе без азота, то они будут резко различаться размерами и развитием. На среде без азота вырастет крошечное растение, состоящее из мелких клеток с грубыми клеточными стенками. Его химический анализ покажет, что азота в нем ровно столько, сколько было в семени, из которого оно выросло. И это несмотря на то, что во время роста оно буквально купалось в атмосферном азоте. Значит для растений важен не молекулярный азот воздуха, а тот, что содержится в почве.
Азот поглощается растением из почвы не в виде молекул, а в виде ионов нитратного или аммонийного азота. Растения постоянно расходуют почвенный азот. Как пополняются его запасы? В природе есть микроорганизмы, которые способны усваивать инертный азот воздуха. Это некоторые почвенные бактерии, сине-зеленые водоросли, актиномицеты.
Азотфиксирующие сине-зеленые водоросли живут в различных водоемах, в почве, на листьях и хвое деревьев, даже в горячих источниках. Они играют роль пионеров при заселении ранее безжизненных мест. В почве свободно обитает несколько видов азотфиксирующих бактерий, в первую очередь широко распространенные клостридий и азотобактер.
Связывание азота воздуха и перевод его в азотистые соединения происходит через соединение его с водородом в молекулу аммиака. Оно требует значительных энергозатрат, поэтому микроорганизмы потребляют большое количество легкодоступного органического субстрата. В лабораторных условиях азотобактеру для фиксации 1 г азота воздуха требуется 50 г глюкозы, а клостридий расходует даже 170 г. Таким образом, в естественных условиях фиксация молекулярного азота воздуха свободноживущими микроорганизмами может быть ограничена из-за недостатка питательного субстрата. Поэтому в почве с грубым гумусом азотфиксирующие бактерии развиваются плохо.
Кроме того, биофиксация азота в значительной степени зависит от температуры (ее оптимум лежит в области 20…25°С) и наиболее активно проходит в теплых, постоянно влажных местах. Так сине-зеленые водоросли на 1 га рифов у австралийского побережья в состоянии усваивать до 30 кг азота за год, а на рисовых полях — до 50 кг.
Много это или мало, поможет оценить сравнение с тем, сколько азота необходимо овощным растениям. По оценкам агрохимиков, на 1 га для образования урожая в 100 т поздняя капуста расходует 320–560 кг азота, ранняя капуста для урожая в 50 т/га — 150 кг, морковь (50 т/га) — 150–250 кг, томат (40 т/га) — 100–120 кг, огурец (30 т/га) — 80–90 кг, репчатый лук (30 т/га) — 90–130 кг. Так что свободно живущим микроорганизмам трудно обес­печить наши овощи достаточным азотным питанием.
В природе существует и другой механизм усвоения азота из воздуха, который в значительно меньшей степени зависит от внешних факторов. Эту проблему решают бобовые растения, тесно сотрудничая с почвенными бактериями, которые называются ризобиями.
Взаимовыгодное сотрудничество между непохожими организмами называется симбиозом. Симбиотические азотфиксаторы усваивают азот воздуха значительно эффективнее, чем свободноживущие: в среднем 200 кг азота на 1 га за сезон вегетации, в оптимальных же условиях — в 2–3 раза больше.
Но, живя в почве свободно, ризобия неспособна усваивать азот из воздуха. Когда же на участке высеваются бобовые растения, ее жизнь меняется в корне. При помощи особого вещества бобовые привлекают бактерии к своей корневой системе. Инфицируются только молодые растения. Бактерии проникают через корневые волоски внутрь молодых корней. Там они выделяют ростовое вещество, стимулируя деление клеток растения-хозяина вокруг себя. Так на корнях образуются мелкие шаровидные наросты, заполненные азотфиксирующими бактериями, — корневые клубеньки. Сюда растение поставляет в достаточном количестве органические вещества, которые ризобия может легко усваивать. Таким образом решается проблема энергообеспечения процесса азотфиксации.
Для каждого вида бобовых растений симбиоз возможен лишь со специализированной расой ризобий. Если на огородном участке долгое время не выращивали фасоль, то перед посевом полезно было бы обогатить почву специфическими клубеньковыми бактериями. Это не сложно, достаточно взять с участка, где в прошлом году фасоль росла хорошо, немного почвы и заделать ее на грядки, предназначенные для этого растения. Подобным образом стоит поступить в случае выращивания и других бобовых растений. На больших площадях можно воспользоваться специальными бактериальными препаратами, которыми обрабатывают семена перед посевом или которые вносят в почву. Активный рост азотфиксирующих бактерий можно ожидать только там, где хорошо развиваются растения-хозяева.
Что происходит в корневых клубеньках дальше? Ризобии, которые вначале были палочковидными, утолщаются, разрастаются и приобретают разветвленную форму бактероидов. В таком виде ризобии наиболее интенсивно связывают молекулярный азот.
Главным инструментом бактерий в деле усвоения молекулярного азота является особый фермент, называемый нитрогеназой. Это комплекс двух белков, один из которых содержит железо, а другой — железо и молибден. Научный журнал Natural History отмечает, что «вся нитрогеназа планеты поместилась бы в одно большое ведро». Каждая молекула на учете! Но находящийся в почве кислород разрушает структуру фермента. Как быть?
На помощь опять приходит бобовое растение. В своих клетках, ставших стенками клубенька, оно производит особое вещество, которое удаляет кислород, проникающий в клубеньки. Это фермент леггемоглобин. Название не случайно напоминает о крови, так как это вещество по структуре и ряду свойств сходно с ее гемоглобином. Так леггемоглобин окрашивает клубеньки в красный цвет, он же регулирует внутри них кислородный режим.
Леггемоглобин образуется благодаря сотрудничеству бактерии и растения, точнее это продукт их совместной деятельности. Он состоит из гемма, который синтезирует бактероид, и глобина, который образуется клетками бобового растения.
Во время самого быстрого роста надземных побегов большая часть фиксированного бактериями азота тотчас же передается растению-хозяину. Бобовые усваивают его и накапливают в зеленой массе и плодах в безвредной для человека и животных форме. Зернобобовые усваивают 150–200 кг азота воздуха, а люцерна, козлятник восточный, клевер ползучий — до 400 кг/га.
После отцветания растения-хозяина клубеньки стареют, теряют красную окраску. Это указывает на то, что леггемоглобин разрушается. Бактероиды превращаются обратно в бактерии и снова становятся способными к инфицированию. Фиксация азота прекращается, поэтому его содержание в клубеньках падает, но остается более высоким, чем в почве.
Бактерии и растения хотя и принадлежат к разным царствам, но сотрудничают в создании корневого клубенька, который автономно фиксирует молекулярный азот воздуха, находящийся в почве, переводя его в доступную для растений форму. Это пример того, какие непростые связи и взаимодействия сопровождают такие привычные для нас процессы, как рост и развитие растений.
Мы можем воспользоваться симбиозом ризобий и бобовых растений, если будем выращивать последние в качестве основной, промежуточной или сидеральной культуры. Благодаря этому можно решить проблему сохранения и даже расширенного воспроизводства естественного плодородия почвы. Исследования, проведенные в Нечерноземной зоне России, показали, что после выращивания таких высокоурожайных растений, как клевер луговой и люцерна изменчивая, в почве остается с корневыми и пожнивными остатками 80–100 кг азота/га. Этого азота достаточно для того, чтобы с 1 га дополнительно получить 1,5–2 т зерна за время последействия растительных остатков (2–3 года).
В пользу симбиотически фиксированного, или биологического азота говорит тот факт, что он практически полностью усваивается растениями, тогда как из внесенного минерального азота растениями усваивается не более 60%. Значительная часть таких азотсодержащих соединений вымывается и поступает в водоемы, нанося ущерб окружающей среде.
При этом минеральные азотные удобрения очень дороги. Ведь в заводских условиях для получения аммиака из азота атмосферы необходимы температура 400…500°С, давление до 1000 атм и специальные катализаторы. По некоторым расчетам, на производство минеральных удобрений уходит треть всех энергозатрат сельского хозяйства.
Использование же биологического азота значительно менее затратно. Производственные расчеты свидетельствуют, что энергетическая себестоимость 1 кг белка костреца безостого, полученного за счет азотных удобрений, составляет 65 МДж, 1 кг белка люцерны, полученного с участием биологического азота, — 21 МДж, козлятника восточного — 14 МДж. И это без учета экологических потерь!
Продукция, полученная с участием биологического азота, безвредна для человека и животных, так как в ней не накапливаются опасные нитраты. Она отличается высоким качеством. Такие преимущества особенно важны для овощеводства.

Е. Непорожная, селекционер Донецкой ОС ИОБ НААН Украины

ВИЙШОВ З ДРУКУ ЖУРНАЛ "ОВОЧІВНИЦТВО...
Friday, 14 December 2018
Грудневий номежурналу "Овочівництво" №12(163) 2018 вийшов з друку і чекає на читачів. За питаннями купівлі журналу телефонуйте у ВІДДІЛ ПЕРЕДПЛАТИтел.: +38 (044) 499-97-69 (68), +3...
Визначник хвороб та шкідників карто...
Wednesday, 11 July 2018
Довідник кишенькоговго формату містить матеріали про найпоширеніші в Україні хвороби і шкідників картоплі.
Monday, 13 November 2017
Бактеріальний опік плодових небезпечна карантинна хвороба, що має статус обмежено поширеної на території України.
Thursday, 17 February 2011
Общеизвестно: чтобы получить высокий урожай, надо высевать хорошие семена. Что значит хорошие семена? К выращиванию и доработке семян всегда относились с большой ответственностью. К их оценке в настоящее время подходят с точки зрения их сортов...
Текущий номер
Поиск
Авторизация
Логин
Пароль
Реклама

© Copyright 2009 - Ovoschevodstvo.com All Rights Reserved     |     Дизайн — Свердличенко Алексей     |     Програмирование — Хагшенас Хажир