Контрольная работа по "Биологии"

На  процессы окисления аммиака влияют не только микробы, но и их ферменты. Кроме органического вещества, на нитрификацию оказывает влияние концентрация аммиака. Его действие на культуру резко проявляется в условиях жидких сред. В почве же аммиак,находится в адсорбированном состоянии и не может оказывать угнетающего действия. Поэтому нитробактер сразу же окисляет азотистую кислоту в азотную. На  процесс нитрификации положительно сказывается присутствие кислорода. В обрабатываемых почвах процесс нитрификации протекает более интенсивно. Примерно также нитрификация проходит на черноземных почвах, особенно когда в них достаточное количество аммонифицирующих микробов, готовящих пищу (среду) для нитрификаторов. У солонцов меньшая нитрифицирующая способность. В почвах азотистая кислота не накапливается, поскольку  Nitrosomonas и Nitrobacter встречаются в одной среде, находятся в своеобразном симбиозе. Нитрификаторы способны осуществлять хемосинтез, то есть создавать органическое вещество из углерода диоксида и воды за счет химической энергии окисления аммиака до азотистой кислоты и азотистой до азотной кислоты. Нитрификаторы чувствительны к кислой среде, они лучше развиваются при рН 8,3—9,3. В результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий на 1 га почвы может накапливаться за год до 300 кг азотной кислоты.

Денитрификация.Это процесс, обратный нитрификации. Различают  прямую и косвенную денитрификацию.  

Прямая  денитрификация вызывается жизнедеятельностью денитрифицирующих бактерий, очень широко распространена в почве, навозе, водоемах. Среди них наибольшее значение получили Thiobacillus denitrificaris, Ps. fluorescens, Ps. aeruginosa, Ps. sluizeri, Paracoccus denitrificans и др. Они имеют форму палочек, а некоторые— форму кокков и восстанавливают нитраты до молекулярного азота. Денитрифицирующие бактерии почвы лучше развиваются без доступа воздуха и в щелочной среде. Поэтому наибольшие потери азота почвой происходят при плохой аэрации и высокой влажности. Процесс денитрификации при рН 6,1 и выше 9,6 полностью прекращается. Денитрификация проходит по схеме NО_{3  →}   NO_2→NO →N₂O →N₂, при этом соединения азота (нитрат и нитрит) восстанавливаются до газообразных продуктов — NO, N₂O и N₂. 

Косвенная денитрификация осуществляется чисто  химическим путем при взаимодействии азотистой кислоты с аминными соединениями. Роль микроорганизмов в этих процессах действительно косвенная и сводится к образованию нитритов, главным образом из нитратов. Косвенной денитрификации способствуют самые различные виды микроорганизмов, которые не только восстанавливают нитраты, но и разлагают белковые вещества с образованием аминокислот. Взаимодействие между микробами происходит в кислой среде, окультуренная же почва редко имеет такую реакцию, поэтому денитрификация в ней выражена в меньшей степени, но все же она наблюдается.

Фиксация  молекулярного азота  свободноживущими микроорганизмами. 

Растения  усваивают минеральный, связанный  азот. В такой форме он находится  в почве, где количество его невелико, поэтому всегда создается дефицит. Молекулярный азот в большом количестве содержится в атмосфере, но растения усваивать его не могут. Некоторые культуры в течение ряда лет дают хорошие урожаи без внесения в почву азотистых удобрений. Это побудило ученых высказать предположение о содержании в почве каких-то организмов, усваивающих азот из воздуха.Выделить  из почвы анаэробного фиксатора  азота Cl. pasteurianum, который может развиваться на питательных средах, не содержащих в своем составе азота, удалось в 1893 г. С. Н. Виноградскому. Cl. pasleurianum представляет собой довольно крупную палочку (до 8 мкм в длину) с овальной спорой на конце. Такая форма устойчива к неблагоприятным воздействиям среды и встречается как в кислых, так и в щелочных почвах. В 1901 г. Мартин Бейеринк (голландский ученый) выделил из огородной почвы чистую культуру аэробного фиксатора азота, названного им Azotobacter chroococcum, который активно связывает атмосферный азот и обогащает им почву. Кроме указанных микроорганизмов, фиксировать азот из воздуха могут некоторые микобактерии, многие грибы, пурпурные бактерии и синезеленые водоросли. Из всех микроорганизмов наибольшая азотфиксирующая способность у азотобактера и его разновидностей. 

Клетки  азотобактера имеют шаровидную или  овальную форму, располагаются попарно или по четыре и окружены слизистой капсулой. Молодые клетки имеют палочковидную форму, снабжены жгутиками, старые — форму неподвижных кокков, содержащих различные включения. Азотобактер требователен к субстрату и особенно реагирует на дефицит фосфора. На бедных почвах он не развивается. Это послужило основанием для использования азотобактера в качестве индикатора на содержание в почве фосфора и калия. Кроме углерода, азотобактер нуждается также в кальции, сере, магнии в ряде других элементов. Для нормального роста азотобактера нужны также и некоторые микроэлементы, особенно молибден, который может быть заменен ванадием. Если имеются доступные источники связанного азота, то азотобактер питается ими, а если их нет, то использует молекулярный азот. Установлено, что фиксация молекулярного Hjoia — восстановительный процесс, в результате которого образуется, прежде всего аммиак. Расшифровке этого    уникального    процесса посвящено много работ, но пока еще не все ясно.  

Азотобактер плохо развивается в кислой среде, он растет при рН 5,5—7,8 и более влаголюбив, чем другие микроорганизмы почвы. В лабораторных условиях азотобактер выращивают на безазотистых средах (маниитный агар). Колонии азотобактера напоминают слизь, которая вначале белая, а затем буреет и приобретает коричневый оттенок. Азотобактер широко распространен в помпах разных географических широт. В целинных почвах азотобактер встречается редко и по мере их окультуривания, создания необходимых условий численность его возрастает. Положительное действие азотобактера па растения объясняется не только его азотфиксирующей способностью, по и тем, что он выделяет в окружающую среду витамины и другие, биологически активные вещества: никотиновую и пантотеновую кислоты, гиббереллин, гетероауксип.

Фиксация  молекулярного азота микроорганизмами в симбиозе с растениями. Известно, что бобовые растения способны обогащать почву азотом. Древнеримский ученый М. Т. Варрон за 37 лет до н. э. писал: «Бобовые растения надо сеять на легких почвах не столько ради их урожая, сколько той пользы, которую получают последующие сельскохозяйственные культуры». Долгое время люди не могли разгадать секрет увеличения азота в почве после бобовых. В 1838 г. французский ученый Ж - Б. Буссенго, выращивая на одной и той же почве клевер, горох и пшеницу, установил, что бобовые культуры росли не только лучше пшеницы, но и накапливали большое количество азота. Необычным было и то, что содержание азота в бобовых растениях значительно превышало его количество, которое они могли получить из почвы и воды. В 1886 г. русский ученый М. С. Воронин в одной из своих работ описал бактерии, обнаруженные им в клубеньках, и высказал предположение об их непосредственной связи с образованием клубеньков. Выделить бактерии из клубеньков в чистую культуру удалось в 1888г. М. Бейеринку. Он назвал их Bact. radicicola. Вскоре после этого такие же бактерии из клубеньков выделил Б. Франк и дал им название Rhizobium, которое и принято в настоящее время. Была установлена способность микробов в симбиозе с бобовыми фиксировать молекулярный азот. Это было великое открытие XIX в. К. А. Тимирязев по этому поводу писал: «Едва ли в истории найдется много таких открытий, которые были бы таким благодеянием для человечества, как включение клевера и вообще бобовых растений в севооборот, так поразительно увеличивших производительность труда земледельца» (Избр. труды. — М.: Огиз-сельхозгиз, 1948, т. II, с. 148). По расчетам некоторых исследователей (Е. Н. Мишустии с соавт., 1983), примерно около 70% азота, который растения берут из почвы, накоплено биологическим путем. Такой азот не только дешев, но и безвреден. Велика роль в этих процессах микроорганизмов, находящихся в клубеньках бобовых растений.                                                                                             Характеристика  клубеньковых бактерий (ризобий). Клубеньковые бактерии могут быть овальной, палочковидной или разветвленной (бактероиды) формы. Палочковидные формы обычно слегка изогнуты. У клевера они более толстые и короткие, у гороха и вики — длиннее. Клубеньковые бактерии люпина и фасоли более изогнутые. В молодом возрасте клетки подвижные, причем количество жгутиков и их расположение у медленно- и быстрорастущих бактерий разные. Медленнорастущие — монотрихи, быстрорастущие — перитрихи. Клубеньковые бактерии хорошо окрашиваются эритрозином и метиленовым голубым. По Граму не окрашиваются. Из всех форм наибольший интерес представляют разветвленные (бактероиды), они появляются при старении культуры, не способны размножаться, но с их появлением фиксация азота из воздуха возрастает. По  скорости роста на питательных средах клубеньковые бактерии делят на две группы: 1) быстрорастущие {колонии на плотных питательных средах появляются через четверо суток), к ним относятся клубеньковые бактерии гороха, клевера, люцерны, кормовых бобов, вики, чины, донника, фасоли и др.; 2) медленнорастущие, их размножение происходит в 2 раза медленнее, колонии появляются на 7—8-е сутки. Такие бактерии содержатся в клубеньках люпина, сои, арахиса, сераделлы и других растений.  Растут  клубеньковые бактерии на маннитном агаре, образуя на поверхности среды колонии белого цвета слизистой консистенции. Колонии медленнорастущих культур мельче, чем быстрорастущих. Каждое бобовое растение имеет свои клубеньковые бактерии. В клубеньках бобовых могут содержаться активные и неактивные штаммы бактерий. Если клубеньки мелкие, то в них чаще встречаются неактивные штаммы, то есть такие, которые вместе с бобовыми плохо усваивают атмосферный азот. Они характеризуются высокой вирулентностью. Кроме того, образование большого количества клубеньков не только не способствует усвоению азота, но они сами используют тот азот, который растение получает из почвы, то есть ведут паразитический образ жизни. Рост растений с большим количеством мелких клубеньков угнетается. Среди бобовых имеются и такие, которые не образуют клубеньки на корнях. Они составляют примерно около 9% общего количества бобовых.  При образовании меньшего количества крупных  розовых клубеньков растения получают больше азота, повышается урожай. Розовый цвет ткани клубенька обусловливает содержание в нем леггемоглобина — гемоглобина бобовых растений. Такой пигмент в клубеньках сои обнаружен в 1939 г. японским исследователем X. Кубо. Он образуется только в симбиотической системе клубеньковые бактерии — растение. Вне симбиоза клубеньковые бактерии и бобовые растения не синтезируют гемоглобин. В связи с этим его рассматривают как фактор, принимающий участие в симбиотической фиксации азота. По-видимому, гемоглобин превращает гидроксиламин в аммиак, выполняет роль переносчика и регулятора кислорода в симбиотической системе. Бобовые растения в симбиозе с клубеньковыми бактериями способны фиксировать в среднем до 200 кг азота на 1 га почвы, причем 2/3 его берут из воздуха и 1/3 — из минеральных соединений почвы. Первый  стабильный продукт биологической азотфиксации — аммиак. Он образуется в результате повышения активности инертного азота ферментом нитрогеназой и последующего соединения его с водородом. Нитрогеназа — специфический ферментативный комплекс, состоящий из двух белков: в один из них входят молибден и железо, в другой — только железо. Обязательный компонент азотфиксирующей системы — негеминовый железосодержащий белок ферредоксин, который служит донором электронов, то есть восстановителем. Для восстановления одной молекулы азота затрачивается 12 молекул АТФ. Реакция идет по схеме N2+3H₂+ 12 ATФ→2NH₃+ 12 АДФ + 12 ФН. Аммиак соединяется с кетокислотами бактерий, которые превращаются в аминокислоты, используемые затем растениями. Фиксация молекулярного азота происходит в видоизмененных клубеньковых бактериях— бактероидах.                                               Формировать клубеньки и фиксировать азот воздуха в симбиозе с другими  микроорганизмами могут и небобовые растения. На корнях некоторых из них (ольха, облепиха, береза, хвойные) имеются образования, подобные клубенькам бобовых, в которых симбионтами являются не бактерии, а грибы. По эффективности фиксации молекулярного азота такие растения не уступают бобовым. Следовательно, микроорганизмы могут фиксировать азот из воздуха в симбиозе не только с бобовыми, но и другими растениями.  

Нитрагин. Наблюдения показали, что бобовые растения дают высокий урожай и обогащают почву азотом в том случае, если на корнях имеются крупные клубеньки. Бобовые плохо растут на почвах, где впервые культивируются и где нет соответствующих клубеньковых бактерий. Это обстоятельство привело к попытке обогатить ими почву. Наиболее простой метод обогащения почвы клубеньковыми бактериями — перенос земли с поля, на котором бобовые давали хороший урожай. Подобные опыты были проведены в 1887 г. Сальфельдом на опытной станции в Бремене (Германия). Установлено, что на почве из-под бобовых урожай был значительно выше, чем в контроле, где отсутствовали клубеньковые бактерии. В дальнейшем обогащение почвы бактериями проводили путем рассева земли из-под бобовых. Такой метод очень трудоемкий, так как требовалось переносить большие количества земли, притом он и небезопасен в смысле распространения фитопатогенных микроорганизмов и семян сорных растений. Все это требовало разработки других, более совершенных методов инокуляции. Лучшим оказался метод использования чистых культур клубеньковых бактерий.

Впервые бактериальный препарат был изготовлен в 1896 г. Ф. Ноббе и Л. Гильтнером (Германия) и назван нитрагином. И России подобная работа (1907) была проведена Л. Т. Будиновым. Массовое производство нитрагина в пашей стране начато в 1929 г., когда была получена первая крупная партия препарата, которую вносили под сою. С этого времени начинают создаваться первые специальные производственные лаборатории для изготовления бактерналыюго удобрения, а затем и заводы. Микробиологическая  промышленность выпускает две формы  нитрагина: ризоторфин и ризобин - Ризоторфин представляет собой смесь клубеньковых бактерий со стерильным торфом. Культуру клубень-конь: бактерий, предназначенную для определенного вида бобового растения, вначале выращивают на агаризованной среде, в состав которой входит отвар семян бобовых и 1% сахарозы. Полученную лабораторную культуру вносят за)ем в производственный ферментер и культивируют в течение 50—70 ч при температуре 28—30°С в аэробных условиях, для чего в среду (рН 6,5—7,2) подают стерильный воздух. В процессе культивирования численность микробных клеток в 1 мл среды возрастает до 1 млн. Такую культуру смешивают со стерильным торфом.     

Наполнитель высушивают, размалывают, нейтрализуют СаСО3, помещают в полиэтиленовые пакеты, которые запаивают и стерилизуют у-лучами. В такой пакет стерильной иглой вводят инокулят. Отверстие в пакете заклеивают липкой лентой. Содержимое тщательно перемешивают и выдерживают и течение 2—4 недель при 26°С. За это время численность клубеньковых бактерии резко возрастает.                                                         Ризобин (сухой нитрагин) представляет собой высушенную культуру клубеньковых бактерий с наполнителем. Клетки бактерий от среды отделяют сепарированием, после чего к ним добавляют защитную среду (20% мелассы и 1% тиомочевины) и высушивают под вакуумом при температуре 30—35°С. Сухую биомассу (влажность 2—5%) размалывают, смешивают с наполнителем (бентонит) и фасуют в влагозащитные мешки. В 1 г препарата должно быть не менее 9 млрд. жизнеспособных клубеньковых бактерий. 

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 научно-исследовательских работ по созданию перспективных микробных препаратов для бобовых и небобовых культур.

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 азотного питания сельскохозяйственных растений наступил около десяти лет тому назад, когда во всех странах, в том числе и в России, 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 W 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. 

4. Антибиотики  бактериального происхождения (продуцируемые  актиномицетами, бактериями, бациллами).

Антибиотики - специфические  соединения, способные в незначительных количествах избирательно задерживать  рост или убивать микробов.