Курсовая работа по биохимии растений «Отличия азотного обмена бобовых и зерновых культур».

курсовая работа.docx

По биохимии растений на тему:
«Отличия азотного обмена бобовых и зерновых культур».
Методы исследования.
Среди процессов от которых зависит биологическая продуктивность на земном шаре одним из важнейших является фиксация микроорганизмами азота атмосферы. Проблема биологической азотфиксации относится к числу основных проблем сельскохозяйственной и биологической науки. Перед учеными стоит задача изыскать возможности управления процессом азотфиксации и на этой основе увеличить урожайность сельскохозяйственных культур.
Биологический азот может служить существенным дополнением азотного фонда почвы способствуя повышению ее плодородия и обеспечивая тем самым более экономное расходование технического азота - азота удобрений.
В земной коре общее содержание азота (молекулярного и в виде соединений) достигает 004% (по массе). Основная масса азота на Земле находится в атмосферном воздухе; 78% воздуха - 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. Столб воздуха над одним гектаром земной поверхности содержит 80 000 т азота. 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 «купаясь» в молекулярном азоте они могут испытывать «азотный голод».
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 для сельскохозяйственной продукции земного шара требуется ежегодно около 100 -110 млн. т азота. С минеральными удобрениями вносится лишь около 30% азота.
Дефицит азота в значительной степени компенсируется биологическим путем в основном за счет запаса азота аккумулированного в почве микроорганизмами в первую очередь азотфиксирующими.
Выдающийся русский ученый основатель советской агрохимии Д. Н. Прянишников отметил что как бы ни было высоко развито производство минеральных удобрений никогда не следует забывать о целесообразности использования биологического азота.
В ряде районов черноземной зоны где почвы возделываются уже более 300 лет вполне удовлетворительные урожаи получают и без внесения минеральных удобрений. По расчетам же за это время почвы должны были бы потерять весь находящийся в них азот. В том что этого не происходит заслуга азотфиксаторов.
Существуют две группы фиксирующих атмосферный азот микроорганизмов. 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 свободно-живущие микроорганизмы. Потенциальные возможности симбиотических азотфиксаторов значительно выше чем свободноживущих.
Азот - элемент 15-й группы второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 7. Обозначается символом N (лат. Nitrogenium). Простое вещество азот - достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета вкуса и запаха (формула N2) из которого на три четверти состоит земная атмосфера.
Азот - один из элементов-органогенов (т.е. из которых в основном состоят все органы и ткани) массовая доля которого в организме человека составляет до 25%. Он является составной частью таких веществ как аминокислоты (а следовательно пептидов и белков) нуклеотиды гемоглобин некоторых гормонов и медиаторов.Биологическая роль азота обусловлена его соединениями. Так в составе аминокислот он образует пептиды и белки (наиболее важный компонент всех живых организмов); в составе нуклеотидов образует ДНК и РНК (посредством которых передается вся информация внутри клетки и по наследству); в составе гемоглобина участвует в транспорте кислорода от легких по органам и тканей.
Некоторые гормоны также представляют собой производные аминокислот а следовательно также содержат азот (инсулин глюкагон тироксин адреналин и пр.). Некоторые медиаторы при помощи которых «общаются» нервные клетки также имеют в своем составе атом азота (ацетилхолин).
Без азота жизнь растительного организма была бы невозможна. При недостатке азота в почве уменьшается содержание зеленых пигментов бледнеют листья замедляется рост растения.
Питание растений азотом
Растение лучше растет и развивается когда обе неорганические формы азота (NH4+ NO3-) присутствуют в почве. Использование какой-либо одной формы - аммония или нитрата неблагоприятно влияет на соотношение катионов и анионов в клетке а также на клеточный рН.
Сложная система транспорта присоединения и распределения контролирует потребление азота.
Азот входит в состав: белков нуклеиновых кислот нуклеопротеидов хлорофилла алкалоидов фосфатидов. Доступные растениям азотистые соединения образуются главным образом из органического вещества почвы в результате его разложения. Количество органического вещества зависит от вида угодья.
Большие запасы азота в органическом веществе находятся в почве под лугами и сенокосами; при распашке же происходит интенсивная их минерализация.
Главный источник азота в почве - перегной (гумус) но он непосредственно не используется на питание растений так как азот в нем находится в недоступной форме.
В гумусе содержится около 5% азота.
Только 1-3% от общего запаса азота почвы находится в минеральной доступной для растений форме.
Азотный обмен в растениях.
В молодых растениях а также в молодых органах преобладает синтез белков а распад их незначителен. По мере старения растений и их органов распад белков преобладает над синтезом. В этом случае наблюдается образование аммиака однако в растениях он как правило не накапливается а по мере появления присоединяется к аспарагиновой и глютаминовой кислотам образуя соответственно аспарагин или глютамин.
Если же органических кислот нет например при отсутствии фотосинтеза то тормозится и образование аминокислот и связывание ими аммиака. В этих случаях аммиак может накапливаться в количествах вызывающих отравление растений.
Эти сложнейшие превращения азотистых веществ в растениях одним из первых экспериментально определил Д.Н. Прянишников: «аммиак есть альфа и омега азотистого обмена веществ в растениях» т.е. с аммиака начинается и им заканчивается обмен азотистых веществ в любых растениях. Это положение имеет важное теоретическое и практическое значение.
Нитраты могут накапливаться в растениях. Переход нитратов в аммиак совершается по мере использования его на синтез аминокислот. Нет синтеза – нет и образования аммиака из нитратов. Нитраты - лучшая форма питания растений в молодом возрасте когда фотосинтетическая активность невелика и не образуются в достаточном количестве углеводы и органические кислоты.
Для культур в которых содержится достаточное количество углеводов (например клубни картофеля) аммиачные и нитратные формы азота в начале роста растений практически равноценны. Для культур в семенах которых углеводов содержится мало (например сахарная свекла лен злаковые травы и хлебные злаки) нитратные формы азота имеют преимущество перед аммиачными. Источники азота по-разному влияют на направленность физиолого-биохимических процессов в растениях. При аммиачном питании увеличивается восстановительная способность растительной клетки что приводит к образованию восстановленных органических соединений (масла жиры). При нитратном источнике азота преобладает окислительная способность клеточного сока ведущая к усилению процессов образования органических кислот.
Для нитратного питания важно обеспечить растение фосфором и молибденом. Недостаток молибдена задерживает восстановление нитратного азота до аммиака что приводит к накоплению нитратов в растениях в свободном состоянии.
Круговорот азота в природе.
Круговорот азота - биогеохимический цикл азота. Большая его часть обусловлена действием живых существ. Очень большую роль в круговороте играют почвенные микроорганизмы обеспечивающие азотистый обмен почвы - круговорот в почве азота который присутствует там в виде простого вещества (газа - N2) и ионов: нитритов (NO2-) нитратов (NO3-) и аммония (NH4+).
Концентрации этих ионов отражают состояние почвенных сообществ поскольку на эти показатели влияет состояние растений и микрофлоры состояние атмосферы вымывание из почвы различных веществ. Они способны снижать концентрации азотсодержащих веществ губительные для других живых организмов. Они могут переводить токсичный для живых существ аммиак в менее токсичные нитраты и в биологически инертный атмосферный азот. Таким образом микрофлора почвы способствует поддержанию стабильности её химических показателей.
Главный источник азота органических соединений – газообразный азот N2 в составе атмосферы. Молекулярный азот не усваивается живыми организмами. Переход его в доступные живым организмам соединения (фиксация) может происходить несколькими путями. Фиксация азота частично происходит в атмосфере где при грозовых разрядах образуется оксид азота (II) который окисляется до оксида азота (IV) с последующим образованием азотной кислоты и нитратов выпадающих на поверхность Земли с атмосферными осадками.
Наиболее важной формой фиксации азота является ферментативная фиксация в процессе жизнедеятельности сравнительно немногих видов организмов-азотфиксаторов. Отмирая они обогащают среду органическим азотом который быстро минерализуется. Наиболее эффективна фиксация азота осуществляемая бактериями формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. В результате их деятельности в наземных и подземных органах растений (например клевера или люцерны) за год накапливается азота до 150-400 кг. на 1 га. Азот связывают также свободноживущие азотфиксирующие почвенные бактерии а в водной среде – сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Все азотфиксаторы включают азот в состав аммиака (NH3) и он сразу же используется для образования органических веществ в основном для синтеза белков. Минерализация азотсодержащих органических веществ редуцентами происходит в результате процессов аммонификации и нитрификации.
Аммонифицирующие бактерии в процессе биохимического разложения мертвого органического вещества переводят азот органических соединений в аммиак который в водном растворе образует ионы аммония (NH4+). В результате деятельности нитрифицирующих бактерий в аэробной среде аммиак окисляется в нитриты (NO2-) а затем в нитраты (NO3-).
Большинство растений получают азот из почвы в виде нитратов. Поступающие в растительную клетку нитраты восстанавливаются до нитритов а затем до аммиака после чего азот включается в состав аминокислот составляющих белки. Часть азота растениями усваивается непосредственно в виде ионов аммония из почвенного раствора.
Животные получают азот по пищевым цепям прямо или опосредованно от растений. Экскреты и мертвые организмы составляющие основу детритных пищевых цепей разлагаются и минерализуются организмами-редуцентами превращающими органический азот в неорганический.
Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрофикаторов осуществляющих в анаэробной среде процесс обратный нитрификации восстанавливая нитраты до свободного азота.
Значительная часть азота попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов) используется водными фотосинтезирующими организмами прежде всего фитопланктоном а затем попадая в цепи питания животных частично возвращаются на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота попадает в морские осадки.
Факторы влияющие на круговорот азота в антропогенных биоценозах.
В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах кроме того постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство. Но в настоящее время на круговорот азота влияют множество факторов вызванных человеком. Во-первых это кислотные дожди - явление при котором наблюдается понижение pH дождевых осадков и снега из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (например оксидами азота). Для сжигания органического топлива в двигатели внутреннего сгорания и котлы подается воздух или смесь топлива с воздухом. Почти на 45 воздух состоит из газа азота и на 15 - из кислорода. При высоких температурах создаваемых внутри установок неизбежно происходит реакция азота с кислородом и образуется оксид азота: N2+ O2 = 2NO - Q
Эта реакция эндотермическая и в естественных условиях происходит при грозовых разрядах а также сопутствует другим подобным магнитным явлениях в атмосфере. В наши дни человек в результате своей деятельности сильно увеличивает накопление оксида азота (II) на планете. Оксид азота (II) легко окисляется до оксида азота (IV) уже при нормальных условиях:
Далее оксид азота реагирует с атмосферной водой с образованием кислот :
NO2 + H2O = HNO3 + HNO2
образуются азотная и азотистая кислоты. В капельках атмосферной воды эти кислоты диссоциируют с образованием соответственно нитрат- и нитрит-ионов а ионы попадают с кислотными дождями в почву. Вторая группа антропогенных факторов влияющих на азотистый обмен почв — это технологические выбросы. Оксиды азота- одни из самых распространенных загрязнителей воздуха. А неуклонный рост производства аммиака серной и азотной кислоты напрямую связан с увеличением объёма отходящих газов а следовательно с увеличением количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота. Третья группа факторов — переудобрение почв нитритами нитратами (селитрой) и органическими удобрениями. И наконец на азотистый обмен почв отрицательно влияет повышенный уровень биологического загрязнения. Возможные его причины: сброс сточных вод несоблюдение санитарных норм (выгул собак неконтролируемые свалки органических отходов плохое функционирование канализационных систем и др.). Как следствие почва загрязняется аммиаком солями аммония мочевиной индолом меркаптанами и другими продуктами разложения органики. В почве образуется дополнительное количество аммиака который затем перерабатывается бактериями в нитраты.
Актуальность изучения круговорота азота в антропогенных биоценозах.
Между литосферой гидросферой атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние.
Антропогенные биоценозы - это особые природные сообщества сформировавшиеся под непосредственным влиянием человека который сам может создавать новые ландшафты и серьёзным образом изменять экологическое равновесие. Кроме того деятельность человека оказывает огромное влияние на круговорот элементов. Особенно заметным оно стало в последнее столетие потому что произошли серьёзные изменения в природных круговоротах за счет добавления или удаления присутствующих в них химических веществ в результате вызванных человеком воздействий. Азот является элементом необходимым для существования животных и растений он входит в состав белков аминокислот нуклеиновых кислот хлорофилла и др.
В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов.
Очень важно изучать и контролировать круговорот азота особенно в антропогенных биоценозах потому что небольшой сбой в какой-либо части цикла может привести к серьёзным последствиям: сильным химическим загрязнениям почв зарастанию водоемов и загрязнению их продуктами разложения отмершей органики (аммиак амины и др.) высокому содержанию растворимых соединений азота в питьевой воде.
Для изучения особенностей круговорота азота можно использовать комплексную методику по изучению содержания ионов нитритов (NO2-) нитратов (NO3-) и аммония (NH4+)в почве и её микробиологических показателях.
Питание многолетних бобовых растений в значительной степени обеспечивается деятельностью почвенных микроорганизмов: бактерий актиномицетов дрожжей плесневых грибов водорослей. Размеры их чрезвычайно малы. По форме они просты – шарики (кокки) палочки извилистые формы. Они способны перерабатывать все что попадает в почву: остатки растений и животных всевозможные химикаты. Ведь запас доступных для растений питательных веществ в почве невелик и пополняется он непрерывной химической работой микроорганизмов.
Подсчитано что на каждом гектаре хорошо возделанной почвы живет от 300 кг. до 3 т. микроорганизмов. Они разлагают остатки растений и животных почвенный перегной и вновь синтезируют обновляют его. Они снабжают растения углекислым газом из которого в процессе фотосинтеза создается новое органическое вещество – источник жизни человека и животных. При разложении микроорганизмами органической массы в почве с каждого гектара выделяется до 15 т. углекислого газа. Из этого количества углерода растения могут образовывать примерно 10 т. сухого вещества или 50 т. зеленой растительной массы.
Если углеродистая пища так надежно обеспечивается микроорганизмами то с азотистой дело обстоит значительно сложнее. Большинство почв Нечерноземной зоны страдают недостатком азота. В этом деле микроорганизмы выступают незаменимыми помощниками земледельцев. В настоящее время насчитывается около 200 видов микробов способных фиксировать азот воздуха и обогащать им почву. Запасы азота в атмосфере над каждым гектаром в 13000 раз превышает его содержание в почве. Если растения могли бы питаться этим азотом то его запасов хватило бы на много миллионов лет.
Биологическая азотфиксация – наиболее медленно идущий процесс. Общие размеры вовлечения атмосферного азота в его круговороте выражаются значительными величинами. Ежегодно на поверхности суши фиксируется до 190 млн. т. азота и от 30 до 130 млн. т. в водных системах .
Различают симбиотическую и несимбиотическую азотфиксацию. Симбиотическая осуществляется в системе «бобовое растение – клубеньковые бактерии».
Запасы азота в природе очень велики. Общее содержание этого элемента в организмах составляет более 25 млрд. тонн большое количество азота находится также в почве. В воздухе азот присутствует в виде газа N2. Однако газ азот (N2) содержание которого в атмосфере достигает 78 % по объёму эукариоты сами по себе ассимилировать не могут. А уникальной способностью превращать N2 в азотсодержащие соединения обладают некоторые бактерии которые называют азотфиксирующими или азотфиксаторами. Фиксация азота возможна многими бактериями и цианобактериями. Они живут или в почве или в симбиозе с растениями или с несколькими разновидностями животных.
Бобовые растения содержат такие бактерии на своих корнях. Продукты фиксации азота - аммиак (NH3) нитриты.
Азот в форме аммиака и соединений аммония получающийся в процессах биогенной азотфиксации быстро окисляется до нитратов и нитритов. Этот процесс носит название нитрификации он осуществляется нитрифицирующими бактериями. Однако нет такой бактерии которая бы прямо превращала аммиак в нитрат. В его окислении всегда участвуют две группы бактерий: одни окисляют аммиак образуя нитрит а другие окисляют нитрит в нитрат.
Наиболее известные виды нитрифицирующих бактерий - это Nitrosomonas и Nitrobacter.
Nitrosomonas окисляет аммиак:
NH3 + 1 O2 = (NO2-) + 2H+ + H2O
Nitrobacter окисляют нитрит:
Бактерии окисляющие аммиак поставляют субстрат для бактерий окисляющих нитрит. Поскольку высокие концентрации аммиака оказывают на Nitrobacter токсическое действие Nitrosomonas используя аммиак и образуя кислоту тем самым улучшает и условия существования для Nitrobacter.
Нитрификаторы - грамотрицательные бактерии принадлежащие к семейству Nitrobacteracea. Им не нужны восстановленные соединения углерода для нормального роста и размножения они способны восстанавливать CO2 до органических соединений используя для этого энергию окисления минеральных соединений азота- аммиака и нитритов. То есть нитрификаторы - бактерии которые способны питаться исключительно неорганическими соединениями и осуществляют процесс хемосинтеза синтеза органических соединений из минеральных. Хемосинтез - путь усвоения живыми существами неорганического углерода альтернативный фотосинтезу. Растения используют нитраты для образования разных органических веществ. Животные потребляют с пищей растительные белки аминокислоты и др. азотсодержащие вещества.
Таким образом растения делают органический азот доступным для других организмов-консументов.
Все живые организмы поставляют азот в окружающую среду. С одной стороны все они выделяют в ходе жизнедеятельности продукты азотистого обмена: аммиак мочевину и мочевую кислоту. Последние два соединения разлагаются в почве с образованием аммиака (который при растворении в воде даёт ионы аммония).
Мочевая кислота выделяемая птицами и рептилиями также быстро минерализуется особыми группами микроорганизмов с образованием NH3 и СО2. С другой стороны азот включённый в состав живых существ после их гибели подвергается аммонификации (разложение содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония(NH4+) и нитрификации.
Продукты нитрификации - NO3- и (NO2-) в дальнейшем подвергаются денитрификации. Этот процесс целиком происходят благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий которые обладают способностью восстанавливать нитрат через нитрит до газообразной закиси азота (N2O) и азота (N2). Эти газы свободно переходят в атмосферу.
[ H ] + 2 H+ +2NO3- = N2 + 6 H2O
В отсутствие кислорода нитрат служит конечным акцептором водорода. Способность получать энергию путем использования нитрата как конечного акцептора водорода с образованием молекулы азота широко распространена у бактерий. Временные потери азота на ограниченных участках почвы несомненно связаны с деятельностью денитрифицирующих бактерий. Таким образом круговорот азота невозможен без участия почвенной микрофлоры.
Усваиваемые соединения азота могут накапливаться в почве в неорганической форме (нитрат) или могут быть включены в живой организм как органический азот. Ассимиляция и минерализация определяет поглощение соединений азота из почвы объединение их в биомолекулы растений и конверсию в неорганический азот после отмирания растений соответственно.
Ассимиляция - переход неорганического азота (типа нитрата) в органическую форму азота как например аминокислоты. Нитрат переходит с помощью ферментов сначала в нитрит (редуктаза нитрата) затем в аммиак (редуктаза нитрита). Аммиак входит в состав аминокислот.
Несимбиотическая азотфиксация.
Фиксация азота несимбиотическими микроорганизмами (цианобактериями) зависит от многих причин. Факторы ограничивающие жизнедеятельность а следовательно и активность этих микробов следующие:
) недостаток в почве усвояемых углеводов;
) отсутствие достаточного количества фосфора и калия;
) кислая реакция почвы;
) низкая температура;
) недостаток или избыток влаги в почве;
Свободноживущие азотфиксаторы на дерново-подзолистых пахотных почвах способны в среднем накапливать в год от 5 до15 кг. связанного азота на 1 га.
Величина азотфиксации свободноживущими бактериями для различных почвенно-климатических условий составляет от 75 до 420 кг. азота на 1 га за год. Размеры несимбиотической азотфиксации под рисом достигают 60-70 кг.на 1 га за год.В затопляемых почвах под растениями риса фиксируется до 57-63 кг. азота на 1 га в незатопляемых – 3-7 кг. азота на 1 га за сезон.
Без растений в затопляемых почвах азотфиксация составляет 23-28 кгга.
Симбиотическая азотфиксация.
Симбиотическая азотфиксация - формирование клубеньков.
На 1 га. ежегодное накопление азота может достигать при возделывании клевера 150-160 кг. люпина – 160-170 люцерны – 250-300 сои – 100 гороха фасоли – 70-80 кг. Размеры фиксации зависят от вида бобового растения урожая реакции почвы и других факторов.
Клубеньковые бактерии.
Рис. - Форма клубеньков у бобовых растений: 1 2 - гороха; 3 6 (справа) - люпина; 4 - арахиса; 5 - чины клевера вики 6 (слева) - люцерны 7 - разных видов дикорастущих бобовых растений.
Это аэробные азотфиксирующие бактерии рода ризобиум живущие на корнях бобовых растений в образованных ими клубеньках. Это взаимовыгодный симбиоз бактерий и растений. Бактерии усваивают атмосферный азот и обеспечивают им растения в доступной форме а растения взамен снабжают их питательными веществами. Клубеньковые бактерии имеются у 10 % растений входящих в сем.бобовых. Они поглощают из воздуха от 100 до 400 кг. азота в расчёте на 1 га оставляя в почве 50–70 кг.
Для клубеньковых бактерий характерно поразительное разнообразие форм -полиморфность. Они могут быть палочковидными овальными в форме кокков (подвижных и неподвижных). Клубеньковые бактерии -микроаэрофилы (развиваются при незначительном количестве кислорода в среде) однако предпочитают аэробные условия. В качестве источников углерода в питательных средах используют углеводы и органические кислоты источников азота - разнообразные минеральные и органические азотосодержащие соединения. Клубеньковые бактерии обладают строгой специфичностью.
Существует несколько гипотез о проникновении клубеньковых бактерий в ткани корня:
) через повреждения эпидермальной и коровой ткани; 2) через корневые волоски; 3) только через молодую клеточную оболочку; 4) благодаря стимуляции синтеза -индолилуксусной кислоты из триптофана всегда имеющегося в корневых выделениях растений; 5) благодаря бактериям-спутникам продуцирующим пектинолитические ферменты.
Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня состоит из двух фаз: 1) инфицирование корневых волосков; 2) процесс образования клубеньков.
В большинстве случаев внедрившаяся клетка активно размножаясь образует так называемые инфекционные нити и уже в виде таких нитей перемещается в ткани растения. Клубеньковые бактерии вышедшие из инфекционной нити продолжают размножаться в ткани хозяина. Наполняющиеся быстро размножающимися клетками клубеньковых бактерий растительные клетки начинают усиленно делиться. Связь молодого клубенька с корнем бобового растения осуществляется благодаря сосудисто-волокнистым пучкам. В период функционирования клубеньки обычно плотные; К моменту проявления оптимальной активности клубеньки приобретают розовую окраску (благодаря пигменту легоглобину). Фиксировать азот способны лишь те бактерии которые содержат легоглобин.
Факторы определяющие симбиотические взаимоотношения клубеньковых бактерий с бобовыми растениями:
Влажность — оптимальная влажность 60—70 % полной влагоемкости почвы.
Температура — температурные характеристики разных видов бобовых растений различны; предел — от 10 до 25—30 °С. Максимальная азотфиксация у ряда бобовых растений наблюдается при 20—25 °С.
Реакция почвы — нейтральные значения рН.
Степень обеспеченности бобовых растений доступными формами минеральных соединений азота фосфора калия кальция магния серы железа микроэлементов.
Биологические факторы — ризосферная микрофлора насекомые.
Корневые клубеньки распространены не только у бобовых растений. Имеется около 200 видов различных растений связывающих азот в симбиозе с микроорганизмами образующими клубеньки на их корнях (или листьях).
Изучены клубеньки на корнях ольхи якорцев (из семейства парнолистниковых) вейника лесного. Обнаружены клубеньки на корнях капусты редьки (семейство крестоцветных). Клубеньки на листьях образуют бактерии филлосферы которые также участвуют в азотном питании растений.
Высокоэффективным и экологически безопасным средством для улучшения роста и развития бобовых растений повышения урожайности улучшения качества производимой продукции усиления устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды повышения усвоения растениями минеральных веществ улучшения почвенного плодородия является нитрагин
- бактериальное удобрение содержащее природный отселектированный штамм клубеньковых бактерий Bradyrhizobium japonicum . Данные микроорганизмы вирулентны к различным сортам бобовых и образуют на их корнях клубеньки розового или красного цвета.
Bradyrhizobium japonicum способствуют снабжению растений не только элементами минерального питания но и физиологически активными веществами (фитогормонами витаминами и др.) Эти бактерии в симбиозе с бобовыми культурами способны фиксировать свободный азот атмосферы превращая его в соединения легкоусвояемые растением.
Необходимость инокуляции бобовых растений нитрагином объясняется следующими причинами. Бобовые культуры впервые вводимые в той или иной зоне вследствие узкой специфичности бактерий к растению-хозяину оказываются лишенными своего симбионта и не могут быть накопителями азота из атмосферы а полностью переходят на питание азотом за счет почвы и удобрений.
Целесообразность применения нитрагина вызвана еще и тем что наряду с активными штаммами в почвах довольно широко распространены неактивные и малоактивные клубеньковые бактерии которые не могут обеспечить бобовые растения биологическим азотом. Неактивные и малоактивные штаммы клубеньковых бактерий составляют 13 и больше. Поэтому применение нитрагина содержащего высокие титры активных селекционных штаммов клубеньковых бактерий - один из главных приемов повышения не только урожайности бобовых культур но и уровня накопления общего и биологически связанного азота в растениях и почве.
Препарат клубеньковых бактерий производят главным образом на стерильном торфе в 1 г. которого содержится в среднем 3-4 млрд. бактерий. На почвах где долгое время возделываются основные бобовые культуры применение нитрагина дает следующие прибавки урожая: зерна сои – 2-4 цга гороха и люпина – 1-2 зеленой массы бобовых культур – 80-100 сена клевера и люцерны – 50 цга. Использование этого приема существенно увеличивает и содержание белка в урожае бобовых культур.
Признаки и причины нарушения азотфиксации у бобовых:
Иннокуляция не проведена - растение желтеет нет клубеньков (в почве нет нужных штаммов) ;растение желтеет много мелких белых клубеньков (в почве нет активных симбионтов); растения зеленые клубеньков нет (в почве много азота эффективных штаммов нет); растение зеленое много активных клубеньков (в почве много активных штаммов нет необходимости в искусственной инокуляции); растение зеленое клубеньков мало (почва богата азотом есть активные штаммы)
Инокуляция проведена - растение желтеет клубеньков нет (бактерии погибли либо выбран неправильный штамм); растение ярко-зеленое клубеньки мелкие белые (в почве много азота).
Азотный обмен у бобовых растений.
К бобовым культурам относят горох чечевицу фасоль кормовые бобы чину нут вику люпин сою и арахис. В практике бобовые культуры называют зерновыми бобовыми культурами что не совпадает с ботанической классификацией учитывающей резкие различия плодов и семян по морфологии анатомии и химическому составу злаковых и бобовых растений входящих в различные семейства.
Растение обеспечивает бактерии питательными веществами главным образом сахарами и создает для них благоприятные условия. Микроорганизмам фиксирующим молекулярный азот приходится расходовать значительное количество “биологического топлива”. Для клубеньковых бактерий превращающихся в клубеньках бобовых растений в так называемые бактероиды таким биологическим топливом являются продукты фотосинтеза транспортируемые из листьев в корневую систему. Продукты фотосинтеза представлены в виде сахаров органических кислот и образовавшихся из них в клубеньках запасных полисахаридов и жирных кислот в процессе превращения которых ферментативными системами бактероидов образуются АТФ и восстановители необходимые для проявления активности нитрогеназы.
Интенсивность симбиотической азотфиксации зависит от вида и урожайности бобовых растений условий их выращивания фенологической фазы развития растений и ряда других факторов.Так клевер в расчете на 1 га. может фиксировать за вегетационный период до 150 - 160 кг. молекулярного азота люцерна – 250 – 300 кг. Примерно треть связанного бобовыми азота остается в пожнивных остатках и после минерализации может использоваться последующими культурами. Что касается фенологических фаз у бобовых культур то исследованиями установлено что наиболее интенсивно фиксация азота у клевера протекает в период бутонизации – цветения.
На интенсивность азотфиксации бобовыми травами большое влияние оказывают также условия внешней среды: влажность аэрация почвы и ее кислотность. Наиболее активная азотфиксация у клевера ползучего и лугового заметно проявляется при рН 60. Лучше всего развиваются клубеньковые бактерии при рН 60 – 70. За пределами рН 35 и 115 рост их приостанавливается и бобовые растения не фиксируют атмосферный азот. В среде с низким значением рН нарушается структура поверхности корня снижается количество инфекционных нитей и изменяется цитоморфологическая структура в них. Ими также выявлено что при выращивании клевера лугового в среде с рН 48 в бактероидной зоне клубеньков наблюдается ранний и массовый лизис бактероидов и процесс отпочковывания от них мелких коковидных клеток что приводит к ослаблению азотфиксирующей способности. Под влиянием кислой почвы азотфиксирующая способность клевера ползучего снижалась на 89 – 448 %.8
Азотный обмен у зерновых культур.
Получение зерна высокого качества невозможно без применения достаточно высоких и научно-обоснованных норм азотных удобрений.
Усвоение минерального азота во многом зависит от уровня окультуренности почвы. На легких почвах эффективность азота особенно высока в дождливые годы.
Внесение азотных удобрений в виде подкормок оказывают положительное влияние на сильно изреженные в результате перезимовки посевы озимых способствуя лучшему отрастанию поврежденных растений. Формирование зерен в колосе происходит после перехода растений от вегетативного развития к генеративному. При своевременной подкормке азотными удобрениями увеличивается число колосков цветков и зерен в колосе. Исследуя влияние азотного питания на продуктивность озимых зерновых культур установлено что недостаток азота на определенных этапах развития растений сказывается на завязываемости зерен в верхних цветках.
На стабилизацию урожая озимой пшеницы и озимой ржи значительное влияние оказывает весенняя подкормка растений. Растения озимой пшеницы и ржи в период возобновления весенней вегетации потребляют азот непрерывно до молочной спелости с небольшим замедлением в период колошения.
Наибольшее поглощение азота отмечается в период фазы выхода в трубку.
Следовательно озимые культуры должны быть обеспечены достаточным количеством азота но не больше рекомендуемых норм. Недостаток азота ведет к развитию слабых растений. Озимые культуры так сильно реагируют на азотное питание что подкормками можно управлять развитием и формированием оптимальной густоты стеблестоя элементов структуры урожая урожайностью и качеством зерна.
При внесении азотных удобрений необходимо выдерживать определенные правила. Осенью при посеве озимых культур азотные удобрения по паровым предшественникам не вносят а по непаровым предшественникам необходимо вносить по 100-130 кгга в физическом весе что соответствует 34-45 кгга в действующем веществе для восполнения недостатка в азоте что создает благоприятные условия питания для развития растений. Интенсивные и полуинтенсивные технологии предусматривают внесение азотных удобрений дробно в конкретные фазы развития озимых культур.
Отличия азотного обмена бобовых и зерновых культур.
Бобовые растения не только не уменьшают запасы усвояемого азота (в отличии от зерновых культур) в почве а наоборот обогащают им почву повышая ее плодородие благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий живущих в клубеньках на корнях растений. Эти бактерии переводят азот воздуха недоступный растениям в водорастворимую форму при которой растения усваивают его. Академик Д. Н. Прянишников приравнивал бобовое растение к работающему на даровой энергии солнечного луча миниатюрному заводу по производству соединений азота который служит полноценным источником питания растений.
Зерновые культуры поглощают азот поэтому следует удобрять почву азотными удобрениями для улучшения урожайности.
Бобовые культуры - отличный предшественник для других сельскохозяйственных растений они входят обязательным звеном в севооборот интенсивных систем земледелия. Недостатком большинства бобовых культур является непрочный легко полегающий стебель что усложняет механизированный уход за посевами и уборку.
Вопрос о реальных размерах фиксации азота атмосферы остается до сих пор недостаточно изученным и дискуссионным. Несмотря на обилие работ о связывании атмосферного азота клубеньковыми бактериями часто нельзя найти ответ на наиболее интересующий агрономов вопрос – какое же количество азота накапливают бобовые из воздуха?
Представления о размерах азотфиксации построены главным образом на данных полевых и лабораторных опытов для условий конкретной почвенно-климатической зоны. Вопрос о методах определения размеров симбиотического азота в полевых условиях становится одним из самых актуальных. Без правильного решения этого вопроса проблема биологического азота беспредметна.
Большие площади занятые бобовыми широкая химизация земледелия большое количество методических подходов – все это требует всестороннего рассмотрения азотфиксации с тем чтобы выделить наиболее приемлемые для полевой обстановки.
В этих исследованиях используются следующие методы: баланса ацетиленовый учета массы клубеньков и удельной активности симбиоза.
Метод баланса. Сущность метода сводится к определению разницы между общим содержанием азота в растениях (Np) включая корни и количеством его взятым из почвы (Nп) удобрения (NУ) и семян (NС):
Nф = Nр – (Nп + Nу + Nс)
где Nф – азот фиксированный из атмосферы.
Количество почвенного азота использованного растениями включая азот удобрения определяется по общей убыли азота в почве за период вегетации бобовых. Допускается что азот семян используется практически полностью.
Чтобы свести баланс необходимо знать количественные показатели всех статей: в приходной части – азот самой почвы и поступающий с удобрениями осадками семенами; в расходной части – азот взятый растениями (отдельно надземной массой и корнями) и непроизводительные потери азота из почвы включая удобрения за счет улетучивания инфильтрации поверхностного и внутрипочвенного стока.
Метод сравнения с небобовыми растениями. Принцип метода базируется на предположении что при идентичных условиях выращивания определенных видов бобовых и злаковых культур количество взятого ими азота из почвы примерно одинаково (Ратнер Акимочкина 1964; Михновский и др. 1967; Глазова 1975). Отсюда величина азотфиксации Nф легко определяется по разности
Nф = (Nб – Nс) – (Nз – Nс)
где Nб – общий азот бобового растения;
Nз – общий азот злакового растения;
Важно при этом подбирать культуры близкие по длине вегетационного периода и агротехнике возделываемые на той же почве. Метод сравнения неприменим на ранних фазах развития растений для определения размеров азотфиксации в индивидуальном растении при резком различии биологических и агротехнических требований бобовых и злаковых культур (например горох и кукуруза). Формула указанного метода была принята нами при дальнейшем изучении роли симбиотического азота в земледелии.
Практическая ценность метода в том что он дает достаточно надежные показатели биологического азота бобовых за период вегетации которые более важны чем показатели на ранних этапах онтогенеза. В эти фазы активность азотфиксации полезно изучать (дополнять) с помощью ацетиленового метода.
Ацетиленовый метод. Принцип метода основан на способности клубеньковых бактерий восстанавливать не только молекулярный азот но и ряд других соединений в частности ацетилен (С2Н2) до этилена (С2Н4). При этом установлено что количество образовавшегося этилена за единицу времени находится в соотношении с количеством фиксированного азота равном 3:1.
Определив количество этилена на газовом хромотографе и используя указанное соотношение находят количество фиксированного азота.
Достоинство ацетиленового метода состоит в возможности довольно точно определить удельную активность азотфиксации в любой момент вегетации бобового растения. Умножив эту величину на массу клубеньков приходящуюся на единицу площади находят абсолютную величину фиксированного азота.
Следует отметить его чрезвычайную ценность в исследовательских работах: простота исполнения и высокая чувствительность ацетиленового метода делает его незаменимым для характеристики активности микросимбионтов ризобиум а также свободноживущих диазотрофов.
В последнее время ведутся разработки по использованию ацетиленового метода для определения азотфиксации бобовыми непосредственно в поле без откопки корней и отделения от них клубеньков . Этот способ определения азотфиксации подкупает легкостью исполнения и представляется перспективным. Главное его достоинство в возможности определить в полевой обстановке без откопки корней количество азота атмосферы усвоенное бобовыми за единицу времени с единицы площади посева. Поскольку этот показатель меняется по фазам вегетации и в течение суток то для установления величины азотфиксации за весь период вегетации требуются многократные измерения применительно к каждой бобовой культуре.
Метод учета массы клубеньков и удельной активности симбиоза. Высказано соображение о возможности в полевых условиях объективно и точно учитывать размеры азотфиксации путем определения симбиотического потенциала и удельной активности симбиоза бобовых.
В результате выполнения курсовой работы я узнала что биологический азот может служить существенным дополнением азотного фонда почвы способствуя повышению ее плодородия и обеспечивая тем самым более экономное расходование технического азота - азота удобрений.
Клубеньковые бактерии используются для промышленного производства нитрагина применяемого для обработки семян бобовых растений снабжают бобовое растение азотом. Растение использует этот связанный азот и в свою очередь доставляет клубеньковым бактериям необходимые им углеродсодержащие органические вещества. В качестве источника углерода клубеньковые бактерии могут использовать различные сахара.
Зерновые культуры поглощают азот( в отличие от бобовых культур) поэтому следует удобрять почву азотными удобрениями для улучшения урожайности.
)«Биофайл» - научно-информационный журнал.
)«Биохимия растений» Кретович В.Л.
)Анспок П.И. «Микроудобрения»