Фиксация молекулярного азота кратко

Обновлено: 05.07.2024

Химизм фиксации молекулярного азота

Химизм фиксации молекулярного азота ещё до конца не изучен. Наиболее изучен химизм симбиотических азотфиксаторов, и еще много неясного у свободноживущих. Механизм биологической азотфиксации бактериями-симбиотиками принципиально не отличается от механизма связывания азота свободноживущими азотфиксаторами. Очевидно, этот процесс осуществляется ферментным комплексом, который аналогичный такому же комплексу у свободноживущих азотфиксаторов и требует затраты большого количества энергии.Для обоих видов азотфиксаторов используется один и тот же фермент – нитратредуктаза.

Совершенно точно установлено, что в обоих случаях конечным продуктом усвоения N₂ является аммиак. Молекулярный азот имеет чрезвычайно прочную химическую связь между атомами N, которая представлена тремя соединительными валентным связами N≡N , которые требуют для их разрыва 940 кДж/ моль энергии. Но у азотфиксаторов он идет чрезвычайно легко с постепенным восстановлением N, т.е поэтапно: N≡N + 2Н + → HN=NH + 2H + → H₂N–NH₂ + 2H + → 2 NH₃

Процесс требует большого количества АТФ, как источника энергии. Для усвоения 1 моля N₂ требуется 12-15 молекул АТФ, а фактически расходуется до 30-40 молекул. Эту энергию организм Rhizobium получает от продуктов фотосинтеза, а Azotobacter и другие свободноживущие гетеротрофы от сбраживания или окисления углеводов, находящихся в почве (растительные остатки). Другая особенность, что процесс идет только в анаэробных условиях. Даже малейшее количество кислорода подавляет процесс азотфиксации. Поэтому азотфиксация в клубеньках бобовых происходит при участии специального соединения, красного цвета, образуемого в ткани клубенька - легоглобина. Имея высокое сродство с О₂ он связывает его и создаёт анаэробные ус ловия. Легоглобин синтезируется только в клетках растения –хозяина. Соединяясь с О₂ он встраивается в мембрану бактероида, снабжая его кислородом, и защищает нитрогеназу от повреждающего действия О₂. В бактероиде функционирует цикл Кребса, аэробная фаза дыхания, которая является поставщиком АТФ и электрона, который через ферредоксин поступает через малую субединицу нитрогеназы в большую для восстановления F и Мо. Цикл Кребса поставляет также кетокислоты (α-кетоглутаровую, ЩУК и др.), которые аминируются образуемым при азотфиксации аммиаком и образуют аминокислоты, которые транспортируются в клетки растения-хозяина (рис. )

Рис. Схема фиксации N2 в бактероиде клубеньков бобовых ( Полевой,1989)

Аналогично работает нитрогеназа свободноживущих азотфиксирующих бактерий. Защита нитрогеназы от О₂ имеет также большое значение, но осуществляется без легоглобина, и этот механизм пока не раскрыт. Механизм же работы нитрогеназы такой же как и у симбионтов, поэтапное восстановление N₂ до NH₃ (рис. ) Механизм биологической фиксации пока полностью не раскрыт. Однако Кретович (70-80- годы ХХ ст.) и другие исследователи установили, что этот процесс осуществляется с помощью нитрогеназы – особого ферментного комплекса, который содержит две белковых фракции. Одна из них состоит из азоферредоксина, который содержит негеминное железо (FeS), другая – из молибденоферредоксина, в которую,

Рис. Схема последовательного восстановления молекулярного азота до аммиака

кроме негеминного железа (FeS), входят два атома Мо. Источником необходимого для данного процесса восстановителя молекулярного азота служит восстановленный ферредоксин (поставляет ē), а источником энергии – АТФ, которая образуется при брожении (у анаэробных азотфиксаторов), или дыхания ( в аэробных). Активатором данной реакции является ионы Mg 2+ . Биологическая фиксация молекулярного азота играет в жизни экосистемы исключительно важную роль. Большое значение азотфиксаторов в природных биоценозах, где различные потери азота (вымывание солей, переход нитратного азота в молекулярный под действием денитрифицирующих бактерий и т) пополняются главным образом за счет их деятельности и лишь частично – в результате разрушения животных и растительных В агробиоценозах потери азота еще больше, так как здесь значительная его часть выносится вместе с урожаем Например, при урожае картофеля 250-300ц/га из почвы выносится около 200 кг/азота. Поэтому бобовые растения являются составной частью любого севооборота. Однако значительная часть потерь азота приходится пополнять путем внесения органических и минеральных удобрений.

Азотфиксация, или микробиологическая фиксация атмосферного азота — процесс поглощения микроорганизмами почвы азота атмосферы и трансформация его в органические и минеральные вещества.

Изучением азотфиксации занимались Ж. Буссенго, М. Бейерник, Г. Гельригель, Г. Вильфорт, М.С. Воронин, С.Н. Виноградский, В.Л. Омелянский, Д.Н. Прянишников, Д.И. Менделеев, К.А. Тимирязев.

Значение азотфиксации

На долю азота в атмосферном воздухе приходится 78,09%. Над 1 гектаром суши или водной поверхности Земли содержится около 80 тыс. т азота, который недоступен большинству высших растений.

Атомы азота в молекуле N₂ соединены очень прочной тройной связью N≡N, поэтому разрыв этой связи сопряжен с большими затратами энергии. В промышленности этот процесс с образованием аамиака происходит при высоких температурах и давлении, тогда как в биологических системах — при нормальном атмосферном давлении и температуре.

В зависимости от источников энергии азотфиксирующие микроорганизмы относят к: автотрофам и гетеротрофам.

По оценкам, суммарный объем азотфиксации в год в наземных экосистемах составляет 175-190 млн т азота, 90-110 млн т из которых приходятся на почвы сельскохозяйственных угодий (Мишустин, 1983). При этом ежегодный вынос азота из почвы с сельскохозяйственной продукцией составляет 110 млн т.

Интенсивность азотфиксации

Опыт, проведенный Б.А. Ягодиным совместно с Ю.Я. Мазелем и Ю.Г. Сазоновым в 1981 г. показал зависимость симбиотической азотфиксации от обеспеченности растений азотом и интенсивности фотосинтеза. В этом опыте, люпин сорта Быстрорастущий 4 выращивали при разных уровнях обеспеченности азота и 1-, 3- и 6-суточном затенении. Освещенность изменялась в 1000 раз. Затенение приводило к снижению азотфиксации, в большей степени — при высоком содержании минерального азота. После 6-суточного затенения азотфиксация в варианте без азота снизилась в 40 раз, в варианте с половинной дозой — полностью прекратилась, при двукратных дозах — азотфиксация остановилась уже после 3-суточного затенения.

Максимум интенсивности азотфиксации отмечался в фазе цветения в вариантах без азота и половинной дозой. В фазе бутонизации при половинной дозе она была больше, чем в варианте без азота. Это объясняется тем, что небольшая стартовая доза азота способствует лучшему развитию клубеньков на ранних этапах развития. В фазе цветения в варианте без азота этот показатель был выше, чем в вариантах с азотом.

В фазе бутонизации максимум азотфиксации в дневном цикле приходился на утренние часы (8 ч), причем в варианте с половинной дозой фиксация проходила быстрее, чем в варианте без азота. В фазе цветения максимум приходился на полдень. В этом случае она была наибольшей в варианте без азота. При повышенной дозе азота этот показатель уменьшался во все фазы развития.

Более интенсивное поступление продуктов, меченных 14 С, отмечалось в варианте без азота. При двойной дозе оно было на 20% меньше. Через 30 мин после экспозиции метка обнаруживалась в клубеньках обоих вариантов (0,37 и 0,07 соответственно, от общей активности). За 2,5 ч в варианте без азота в клубеньки поступило в 7 раз больше продуктов, чем в варианте с азотом, в корни — в 5 раз, в стебли — в 2 раза больше.

Неодинаковая скорость поступления продуктов фотосинтеза в корневые клубеньки при разных уровнях азотного питания повлияла на интенсивность азотфиксации. Вследствие накопления продуктов фотосинтеза в варианте с азотом затенение в течение 3 суток подавило азотфиксацию клубеньков.

Таким образом, затенение люпина приводит к снижению фиксации азота, но в варианте на фоне минерального азота это снижение больше, чем без азота.

Коэффициент азотфиксации составляет от 0,3 до 0,85.

Интенсивность азотфиксации свободноживущими бактериями зависит от запасом легкодоступных органических веществ, служащих источником энергии. Например, активность азотфиксации в прикорневой зоне растений за счет ассоциативной азотфиксации в 3-200 раз больше, чем в почвах междурядий. Поэтому растения является главным фактором деятельности диазотрофных бактерий в ризосфере благодаря корневой экссудации и корнеопада, объем которых составляет от 25 до 50% продукции фотосинтеза.

Интенсивность фиксации азота диазотрофов определяется выделительной деятельностью корневых систем растений, то есть, в конечном счете от фотосинтетической активности.

Высокая активность в ризосфере многих тропических растений связана со способность использовать при фотосинтезе путь С-4-дикарбоновых кислот. Растениям этого типа требуют интенсивного освещения, а максимальная скорость фотосинтеза у них значительно выше, чем у растений, использующих цикл Кальвина (С-3-тип). Так как растениями с С-4-типом расходуется меньшее количество углеводов на фотодыхание, их часть используется для роста корней и корневой экссудации.

Несимбиотическая азотфиксация изучалась многими исследователями, однако о ее масштабах в различных почвенно-климатических зонах информации мало, в связи с тем, что в природных условиях этот процесс зависит от ряда динамичных факторов среды.

Так, согласно ряду исследований плодородных почв рисовых полей показано, что в результате несимбиотической фиксации под рисом накапливаться 60-70 кг/га азота в год. Причем в затопляемых почвах фиксируется 57-63 кг/га азота, а в незатопляемых — 3-7 кг/га, без растений в затопленных почвах — 23-28 кг/га азота.

За 3 месяца вегетации азотфиксация в почвах рисовых полей Краснодарского края составляла 9-27 кг. Внесение соломы в почву способствует размножению различные группы азотфиксирующих бактерий и росту азотфиксации до 20-40 кг/га в месяц. Влажность также способствует усилению активности при разложении соломы и целлюлозы. В интразональных почвах избыточного увлажнения, то есть пойменных, болотных почвах и рисовых плантациях, активность наиболее высока — от 16,5 до 67,5 кг/га в месяц. В почвах тропической зоны несимбиотическая азотфиксация в среднем составляет 200 кг/га в год, достигая иногда 600 кг/га в год.

Активность несимбиотической азотфиксации зависит также: влажности, температуры, гранулометрического состава почвы, степени аэрированности корнеобитаемого слоя, содержания углекислого газа, наличия макро- и микроэлементов. Минеральные удобрения, известкование, воздушный режим также влияют на интенсивность, но, высокая эффективность отмечается, когда влажность, температура и органическое вещество не лимитируют азотфиксацию. Внесение в дерново-подзолистые почвы растительных остатков позволяет увеличить азотфиксирующую активность в 2-5 раз при условии достаточного увлажнения.

Подсчитано, что на Земле содержится около 3,8 ×10 15 т азота (в расчете на элементарный). Основную часть его составляет молекулярный азот атмосферы — N₂. Однако человек, животные и высшие растения не способны самостоятельно усваивать такой азот. Тем не менее, все живые организмы для нормального функционирования должны потреблять азот в большом количестве; азотсодержащие соединения — белки и аминокислоты — являются важнейшими компонентами пищевого рациона человека и животных, столь же важны и необходимы минеральные соли азота для питания высших растений.

Обеспечение населения пищевым белком — одна из наиболее острых проблем, стоящих в настоящее время перед человечеством, особенно в развивающихся, бывших колониальных странах. Этой проблеме уделяется столь большое внимание, что при Организации Объединенных Наций создан специальный комитет по всестороннему изучению проблемы белковых ресурсов и разработке практических рекомендаций по предотвращению белкового голода. Д. И. Менделеев, оценивая эту проблему, писал, что вопрос о способах превращения азота воздуха в почвенные азотистые соединения или в ассимилируемый азот, способный поглощаться растениями и давать в них сложные (белковые) вещества, составляет один из таких вопросов, которые представляют великий теоретический и практический интерес. По мнению акад. С. П. Костычева, азотное голодание является тем фактором, который преимущественно перед всеми остальными ограничивает развитие жизни на Земле и задерживает размножение организмов.

При производстве азотных минеральных удобрений азот воздуха превращают промышленным путем в аммиак или азотную кислоту. Однако этот азот составляет только 2—3% от азота, содержащегося в урожае сельскохозяйственных растений всей Земли. Практически почти весь азот, находящийся в живых организмах нашей планеты, имеет своим источником азот атмосферы, фиксированный микроорганизмами, ибо только они способны к самостоятельному усвоению молекулярного азота.

Некоторые высшие растения фиксируют атмосферный азот, вступая в симбиотические отношения с бактериями своих корневых клубеньков, и таким путем вносят значительный вклад в общее усвоение молекулярного азота. Считают, что из известных 13 000 видов бобовых растений большинство способно симбиотически фиксировать азот, причем в значительных количествах, особенно это относится к культурным бобовым растениям (горох, соя и др.). Примерно 250 видов других семейств, небобовых, тоже способны к симбиотичеокой фиксации азота (например, ольха, лисохвост, облепиха).

Бактерии клубеньковых бобовых растений принадлежат в основном к роду Rhizobium. Из свободноживущих бактерий фиксируют молекулярный азот почвенные бактерии рода Azotobacter (аэроб), Clostridium (анаэроб) и некоторые факультативные анаэробы, а также все фотосинтезирующие бактерии. На долю сине-зеленых водорослей приходится 10—15% всего количества фиксируемого N₂ атмосферы.

Все самые разнообразные азотфиксирующие микроорганизмы содержат одинаковую ферментативную систему, катализирующую превращение молекулярного азота в аммиак. Эта система получила название нитрогеназы. Кроме того, для фиксации N₂ необходимы сильные восстановители (поток электронов), АТФ и Mg 2+ . Природа доноров электронов различна у разных микроорганизмов. У аэробных бактерий (Azotobacter, Rhizobium) необходимые для фиксации N₂ восстановители и АТФ образуются в ходе углеводного обмена, в реакциях с участием НАДФ. Фотосинтетические бактерии и сине-зеленые водоросли способны к фотохимическому образованию сильных восстановителей.

В процессе фиксации АТФ взаимодействует с азоферредоксцном. При этом выделяется АДФ, а азоферредоксин претерпевает конформационную перестройку, вследствие чего его окислительно-восстановительный потенциал понижается с —280 до —400 мВ. Азоферредоксин становится сильным восстановителем, передает электроны на молибдоферредоксин, где и осуществляется восстановление N₂ до NH₃. Суммарно, процесс фиксации азота можно выразить реакцией

Нитрогеназа обладает широкой субстратной специфичностью, кроме N₂ она может восстанавливать цианиды, закись азота, ацетилен и др. Нитрогеназа при участии АТФ катализирует также восстановление ионов водорода с образованием молекулярного водорода. У некоторых азотфиксаторов этот процесс протекает одновременно с азотфиксацией. Предполагают, что данное свойство азотфиксирующих микроорганизмов в будущем можно будет использовать для получения дешевого топлива в виде молекулярного водорода.

Для азотфиксации очень важен молибден, функции его в этом процессе разнообразны. Он поддерживает определенную конформацию молекулы нитрогеназы, участвует в связывании азота и переносе электронов, индуцирует синтез нитрогеназы. Молекула газообразного азота очень прочна, для разрыва трех связей, соединяющих ее атомы, требуется около 940 кДж/моль.

Существенным вопросом в процессе азотфиксации является потребление достаточно большого количества энергии, необходимой для разрыва прочных внутримолекулярных связей N₂ при его восстановлении до аммиака. Azotobacter, например, для связывания 15 мг азота расходует на дыхание 1 г сахара, a Clostridium pasteurianum еще больше (5—6 г сахара). У клубеньковых бактерий энергетическим материалом являются продукты фотосинтеза, поступающие в корневую систему из листьев. Часть этих ассимилятов может перерабатываться и откладываться в запас в бактероидах в форме поли-β-гидроксимасляной кислоты (ПОМ).

Способность бактероидов к азотфиксации связана и с особенностями их окислительно-восстановительных систем, в частности с присутствием особого гемопротеина — легоглобина. Предполагают, что он, подобно гемоглобину животных, выполняет роль переносчика кислорода к бактероидам, находящимся в клубеньке в условиях затрудненного доступа кислорода. Образовавшийся в результате азотфиксации аммиак в дальнейшем ассимилируется в основном в растительной ткани клубенька. Первый этап этой ассимиляции заключается в связывании аммиака кетокислотами с образованием аминокислот.

Обзор

Азот — один из важнейших лимитирующих факторов жизни на Земле

Автор

Редакторы

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!

Что вообще такое азот? На Земле азот представлен своим двухатомным соединением в виде газа (N₂) и составляет добрых 76% объема нашей атмосферы. Но, как это ни странно, живым организмам азот достается не так уж и просто. В чем же проблема? Она заключается в тройной ковалентной связи между двумя атомами азота, благодаря которой в нормальных земных условиях азот, можно сказать, инертный газ. Но давайте разбираться, как, откуда и зачем этот азот нам сдался.

Сценарий азота в жизни

Люди получают азот вместе с пищей, где он содержится в аминокислотах. Однако человек и большинство животных не могут сами синтезировать все необходимые аминокислоты. Часть из них (называемая незаменимыми аминокислотами) должна поступать вместе с пищей. И только автотрофным организмам (таким как растения и многие микроорганизмы) дано синтезировать органику из минеральных веществ. Но и им для этого требуется исходный материал.

Но цивилизация не стоит на месте, да и удобрения тоже. Так вот. Азотистые соединения. В природе азот фиксируется био- и абиогенным путями (табл. 1). Биогенный способ фиксации азота осуществляется с помощью бактерий; абиогенный — во время грозы, когда на месте удара молнии температура может достигать 25 000 °С, в результате чего образуются оксиды азота. Далее они взаимодействуют с водой и образуют азотистую/азотную кислоту, которая потом прореагирует с солью и образует нитрат или же нитрит какого-либо металла. Но в современном мире этих двух пассивных способов не хватает.

Как уже было сказано выше, азот — лимитирующий элемент всей жизни на Земле. Ежегодно около 2% всей вырабатываемой человечеством электроэнергии тратится на процесс Габера-Боша для создания азотных удобрений [1]!

Таблица 1. Количество азота, фиксируемого различными путями

Тип фиксации	N₂ фиксировано, млн. тонн в год
Абиотический
Азотистые удобрения	50
Окисление в почве	20
Грозы	10
ВСЕГО	80
Биотический
Агрокультуры	90
Леса и дикие растения	50
Море	35
ВСЕГО	175
Итого в мире	255

Таблица 2. Примеры азотфиксирующих бактерий

Свободноживущие		Симбионты растений
Аэробы	Анаэробы	Бобовые	Другие растения
Азотобактер Клебсиеллы(нек.) Цианобактерии	Клостридии Пурпурные серобактерии Пурпурные несерные бактерии Зелёные серобактерии	Клубеньковые бактерии	Франкии Азоспириллы

Нитрогеназа, или как это сделано

Фермент, отвечающий за фиксацию азота, называется нитрогеназой и представляет собой комплекс из двух железосодержащих белков: Mo-Fe-белка и Fe-белка. Так как железо в них находится в виде ионов Fe 2+ и Fe 3+ , нитрогеназа крайне чувствительна к кислороду и после взаимодействия с ним навсегда утрачивает свои полезные свойства.

Для биологической фиксации азота клетке необходимы:

активная нитрогеназа;
Mg 2+ и постоянное снабжение АТФ;
сильный восстановитель, т.е. подходящий источник электронов;
низкое содержание кислорода.

Общая формула восстановления азота до аммиака выглядит следующим образом:

N₂ + 8H + + 8e − + 16Mg·АТФ = 2NH₃ + H₂ + 16Mg·АДФ + 16Фн

Формула формулой, но давайте разбираться, как все происходит в жизни:

Атмосферный азот попадает в клетку прокариотического организма.
При условии недостатка аммиака и нитратов в окружающей среде клетка начинает процессы транскрипции и трансляции, в результате которых синтезируется фермент нитрогеназа.
Азот — субстрат нитрогеназы — обеспечивается двумя электронами, протонами и 4-мя молекулами АТФ, связанными с магнием. Далее с ним происходят следующие превращения:

Хотя механизм фиксации азота нитрогеназой изучен пока недостаточно, есть основания полагать, что белок, содержащий молибден (Mo-Fe-белок), реагирует с потенциальными субстратами нитрогеназы, т.е. N₂ и C₂H₂ (нитрогеназа без разбору восстанавливает все соединения с тройной связью), путем взаимодействия восстанавливаемого субстрата с атомами молибдена белка. Fe-бeлок с меньшей молекулярной массой связывает АТФ в виде мономагниевой соли и становится более мощным восстановителем, принимая электроны от физиологической электрон-донорной системы (рис. 1). Находясь в таком восстановленном состоянии, Fе-белок доводит до наиболее восстановленного состояния Mo-Fe-белок. Схематически процесс фиксации включает восстановление атомов Fe в железосодержащем белке с меньшей молекулярной массой, вследствие чего АТФ гидролизуется с образованием АДФ и фосфата (Фн). Электроны атомов железа в Mo-Fe-белке используется затем для восстановления связанного с азотом субстрата. Должно произойти несколько таких переносов электронов, прежде чем фермент высвободит конечный восстановленный продукт (NН₃, если субстратом служит N₂). При каждом переносе электрона от Fe-белка на Mo-Fe-бeлок АТФ гидролизуется до АДФ [2], [3]. Общая схема этого процесса восстановления показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Донором электрона в реакции служит восстановленный ферредоксин. Электрон с затратой энергии АТФ переносится Fe-белком с донора на Mo-Fe-белок, который, в свою очередь, трижды отдает пару электронов двум атомам азота, восстанавливая связанную в активном центре молекулу N₂ до двух NH₃ через следующие стадии: азот → диамин → гидразин → аммиак.

Как известно, вечных двигателей не бывает. Так же и с нитрогеназой. При условиях, оптимальных для фиксации азота, только 75% доступных электронов действительно используются для этой цели. Остальные 25% расходуются на восстановление протонов до водорода в АТФ-зависимом процессе, катализируемом нитрогеназой, который, как и процесс восстановления азота, нуждается в Mg 2+ и восстановителе. Многие азотфиксирующие бактерии не могут избежать этой продуцирующей водород побочной реакции, которая и является причиной низкой эффективности фиксации азота этими клетками, ведь на восстановление протонов АТФ тратится впустую, а это до трети энергии, протекающей через нитрогеназу.

Как видно, нитрогеназа — очень невыгодный белок. Но нам известны целые семейства растений, которые принимают азотфиксирующих бактерий в качестве симбионтов. Давайте разберемся, как им удается делать это.

Проникновенные отношения

Заселение клеток корня растения-хозяина происходит после того, как корень натолкнется на симбиотических бактерий, оставшихся в почве с прошлого вегетационного периода. Бактерии подползают к корням, после чего разрушают клеточные стенки растения с помощью фермента пектиназы и размещаются в вакуолях (рис. 2). В результате растительная клетка оказывается переполненной бактериями, которые затем прекращают делиться, увеличиваются в размерах почти в 40 раз и одновременно изменяют свое строение и функцию, превращаясь в бактероиды, богатые нитрогеназой. Одновременно с вторжением бактерий в клетки растения-хозяина начинается активное деление инфицированной клетки и нескольких слоев соседних неинфицированных клеток. Это способствует распространению бактерий и приводит к образованию корневых клубеньков, столь характерных для этой симбиотической ассоциации.

Рисунок 2. Вторжение бактерий в клетки растения-хозяина. а — Бактерии проникли внутрь клеток корня растения. б — Образовавшиеся в корневых клетках бактероиды. в — Деление клеток, инфицированных бактериями-симбионтами. г — Рост клубенька.

Рисунок 3. Схематичное изображение симбиотических связей клубенькового растения.

Чтобы симбиотическая система могла фиксировать азот, она должна удовлетворять трем обязательным требованиям:

образование корневых клубеньков;
дифференциация бактерий в бактероиды;
образование леггемоглобина.

При выполнении этих условий фиксация азота будет продолжаться в течение всего жизненного цикла растения, обычно до формирования семян, когда клубеньки стареют, и фиксация азота прекращается. Некоторые бактероиды утрачивают способность к дальнейшему размножению, однако остальные сохраняют жизнеспособность, и после старения и отмирания растения-хозяина живут в почве до начала нового вегетационного периода [3].

Кислородный искуситель

Фермент нитрогеназа необратимо разрушается при контакте с кислородом, и поэтому микроорганизмы, фиксирующие азот на планете, атмосфера которой содержит аж 20% кислорода, нашли различные способы исключить его из зоны фиксации азота. Такая адаптация не понадобилась лишь облигатным анаэробам, которые решили эту проблему радикальным способом.

Клубеньковые вывернулись с помощью леггемоглобина, который обладает очень высоким сродством к кислороду. Бактерии-симбионты получают этот элемент в концентрации, безопасной для их нитрогеназы: кислород не накапливается в больших количествах, однако его достаточно для обеспечения дыхательного метаболизма бактерий.

Механизм повышенного уровня дыхания. Азотобактеры удаляют из себя кислород посредством окисления органических веществ. Энергия при этом не запасается.
Механизм локализации азотфиксации в гетероцистах. Характерен для цианобактерий, способных к фотосинтезу с выделением кислорода. Для защиты нитрогеназы от кислорода они имеют особые, лишенные хлорофилла клетки — гетероцисты (о них будет сказано в последней главе).
Механизм симбиотической защиты. Характерен для клубеньковых бактерий. В корнях бобовых продуцируется леггемоглобин, выполняющий функцию защиты от избытка кислорода [4].

Синтез жизни

Хорошо, растение добыло себе аммиак, а что дальше? Дальше он включается в реакции синтеза аминокислот. Так из аспарагиновой кислоты синтезируется аспарагин, из глутамата — глутамин (рис. 4). В виде глутамина азот доставляется ко всем клеткам организма, где используется для синтеза азотсодержащих органических соединений [5].

Рисунок 4. Глутамин. а — Реакция превращения глутамата в глутамин. б — Функции глутамина.

Аспарагин также синтезируется с участием аммиака (рис. 5) [6].

Побочные ветви цикла азота

Рисунок 6. Цикл азота в природе.

Нитрификация — это процесс окисления аммиака до азотистой кислоты, а далее ее окисление до азотной. Сначала аммиак присваивается нитрозными бактериями, которые окисляют аммиак в три стадии:

Далее образованную азотистую кислоту перехватывают нитратные бактерии, которые доокисляют ее до азотной кислоты в ходе одной реакции:

Двумя этими процессами в почве (или водоеме) заняты различные бактерии. Но все они — хемолитоавтотрофы, то есть получают энергию при окислении аммиака и используют ее для окисления углекислого газа [7].

Только после того, как почвенные бактерии осуществили перечисленные выше процессы, в цикл могут включиться бактерии-денитрификаторы. В их цитоплазмах проходят следующие превращения:

Микробиологическая денитрификация в почве вызывает потерю зафиксированного в солях азота. Это очень распространенное в природе явление, в ходе которого каждый год в атмосферу Земли возвращается 270–330 млн. тонн азота. Поэтому часто денитрификацию рассматривают как невыгодный человечеству процесс и пытаются его избежать. Сами денитрификаторы получают почти 70% энергии, которую они получили бы при проведении реакций аэробного метаболизма. Отлично устроились.

Но, согласитесь, должна же быть у нитрифицирующих бактерий хоть какая-нибудь конкуренция. И, конечно, природа не преминула ее создать. Такие бактерии идут в обход нитрификации и денитрификации. В их цитоплазмах протекает гениально примитивная реакция:

Эта примитивная, но действенная реакция получила название анаммокс (рис. 7). В масштабах планеты этот процесс дает начало 30–50% азота, образующегося в океанах. Анаммокс представляет большой интерес для биотехнологов, так как промежуточным продуктом этой реакции является гидразин — ядовитое вещество, применяемое как топливо для ракет. Также бактерий, осуществляющих аноммокс, используют для освобождения водоемов от излишков аммиака [8].

Осталось разобрать последнюю ветвь цикла азота. Это гниение. Автотроф, потребляющий нитраты, рано или поздно погибнет. Тут-то в игру включатся различные бактерии-аммонификаторы. Они будут заниматься разложением сначала белков, а затем аминокислот.

Первая стадия разложения белков — гидролиз. Он осуществляется как микробными, так и собственными ферментами клеток погибшего организма, высвобождаемыми из лизосом в результате смерти клеток (аутолиз). Белки распадаются на аминокислоты, которые, в свою очередь, дезаминируются, в результате образуя аммоний и углекислый газ.

Вот так, например, происходит анаэробная аммонификация у некоторых представителей бактериального семейства клостридий:

На этом мы завершили рассмотрение цикла азота, и можно смело перейти к рассмотрению организмов, азот фиксирующих [9].

Бактериальные собственники

Рисунок 8. Гетероциста. а — гетероциста в составе нитчатой водоросли; б — схематическое изображение процессов, протекающих в гетероцисте. В гетероцисте молекулярный азот с помощью нитрогеназы переводится в аммиак, затем при участии глутамин-синтазы аммоний с глутаматом превращаются в глутамин. Поскольку глутамат-синтаза (ГОГАТ) находится, в основном, в вегетативных клетках, образованный глутамин передается туда из гетероцист и посредством ГОГАТ превращается в глутамат. Глутамат поступает из вегетативной клетки обратно в гетероцисту, и цикл замыкается. Из глутамата и глутамина образуются остальные аминокислоты в вегетативных клетках. Связанный азот запасается в гранулах в виде аргинина и аспартата. Усваиваемый атмосферный углерод при фотосинтезе в вегетативных клетках переходит в органическую форму — глюкозу, которая может метаболизироваться до пирувата, а тот в изоцитрат в цикле Кребса. Углевод (глюкоза/сахароза), поступая в гетероцисту, окисляется в пентозофосфатном цикле до углекислоты. При этом образуются протоны и электроны, необходимые для синтеза аммония из молекулярного азота. В гетероцистах обнаружена инвертаза, разлагающая сахарозу на глюкозу и фруктозу. Изоцитрат с помощью изоцитратдегидрогеназы преобразуется в α-кетоглутарат.

Итак, в этой статье хоть и поверхностно, но охвачены все аспекты цикла азота, которые известны науке на сегодняшний день. Может быть, вскоре мы научимся использовать процессы, протекающие в бактериях, для чистой добычи азотных соединений, ведь у них огромный для этого потенциал. Надеюсь, что эта статья заинтересовала вас. Спасибо за прочтение!

Читайте также: