Микробиология (от греч.mikros - малый, bios - жизнь, logos - наука) - наука о мельчайших, невидимых невооружённым глазом организмах,называемых микроорганизмами, или микробами. Микробиология как наука изучает морфологию, систематику и физиологические особенности микроорганизмов, условия их жизнедеятельности, роль в природе и жизни человека.
Микробиологи разрабатывают способы использования полезных микробов в сельском хозяйстве и промышленности, средства и методы борьбы с болезнетворными микробами, вызывающими болезни растений, животных и человека. Широкое распространение микроорганизмов свидетельствует об их огромной роли в природе. При их участии происходит разложение различных органических веществ в почве и водоёмах, они обуславливают круговорот веществ и энергии в природе, от их деятельности зависит плодородие почв, формирование каменного угля, нефти, и многих других полезных ископаемых. От них зависти обогащение почв азотом, борьба с вредителями сельскохозяйственных культур, правильное приготовление и хранение кормов, создание кормового белка, антибиотиков и т.д.
1. Фиксация азота атмосферы азотобактером и факторы, обуславливающие её уровень. Основная масса азота на Земле находится в газообразном состоянии и составляет свыше 3/4 атмосферы (78,09% по объему, или 75,6% по массе). Практически на нашей планете запас азота неисчерпаем - 3,8*10^15 т. Азот - довольно инертный элемент, поэтому редко встречается в связанном состоянии. Это один из основных биофильных элементов, необходимый компонент главных полимеров живых клеток - структурных белков, белков- ферментов, нуклеиновых и аденозинтрифосворных кислот. Никакой другой элемент так не лимитирует ресурсы питательных веществ в агроэкосистемах, как азот. Он может стать доступным для живых организмов только в связанной форме, то есть в результате азотофиксации.
Азотофиксация - биологический процесс, и единственными организмами, способными его осуществлять, служат прокарио-
ты (бактерии, цианобактерии, актиномицеты и архебактерии).
Небиологические процессы фиксации азота (грозовые разряды,
воздействие УФ-лучей, работа электрического оборудования и
двигателей внутреннего сгорания) в количественном отношении
весьма несущественны, так как вместе дают не более 0.5%
связанного азота. Даже вклад заводов азотных удобрений,
производящих синтетический аммиак составляет лишь 5%.
Следовательно, свыше 90% всей фиксации молекулярного азота
атмосферы осуществляется вследствие метаболической актив-
ности определённых микроорганизмов.
Впервые бактерии рода азотобактер, а точнее Azotobacter
chroococcum были открыты голландским микробиологом
М.Бейеринк в 1901 году.
Семейство Azotobacteriaceae относется к отделу
Gracilicutes, классу Scotobacteria, группе аэробных грам-
отрицательных палочек и кокков. В это семейство входят
микроорганизмы, имеющие крупные, от палочковидной до
овальной, формы клетки, подвижные с перитрихальным жгути-
кованием, не образующие спор. Характерные признаки- сли-
зистая капсула, образование цисты. Хемоорганогетеротрофы.
Способны фиксировать атмосферный азот.
Молодые клетки Azotobacter chroococcum представляют собой
палочки размером 2...3 х 4...6 мкм. Позже они превращаются
в крупные кокки диаметром до 4 мкм. Кокковидные клетки
обычно покрыты капсулой и содержат разные включения ( жир,
крахмал, поли-B-гидроксимасляную кислоту и др.)
У кокковидных клеток некоторых видов азотобактера появля-
ется толстая оболочка, и они превращаются в цисты. На
одних питательных средах палочки быстро приобретают кокко-
видную форму, на других - лишь по истечении длительного
времени. Палочковидные формы азотобактера имеют жгутики и
обладают подвижностью. При переходе палочек в кокки жгути-
ки обычно теряются.
Все виды азотобактера аэробны. Источник азота для них -
соли аммония, нитриты, нитраты и аминокислоты. При отсутс-
твии связанных форм азота азотобактер фиксирует молеку-
лярный азот. Небольшие дозы азотсодержащих соединений не
приводят к депрессии фиксации азота, а иногда даже стиму-
лируют её. Увеличение дозы связанного азота в среде пол-
ностью подавляет усвоение молекулярного азота. Энергия
усвоения азота у отдельных культур азотобактера колеблется
в широком диапазоне. Активные культуры связывают 15...20 мг
азота на 1 г. потребленного органического вещества.
Азотобактер способен использовать большой набор органичес-
ких соединений - моно- и дисахариды, некоторые полисахари-
ды(декстрин, крахмал), многие спирты, органические кислоты,
в том числе ароматические. Вообще азотобактер проявляет
высокую потребность в органических веществах, поэтому в
больших количествах встречается в хорошо удобренных почвах.
2. Зависимость развития азотобактера от влажности, аэра-
ции, рН, органических веществ, микроэлементов а также
доступных запасов фосфора и кальция.
Для роста бактерии нуждаются в элементах минерального
питания, особенно в фосфоре и кальции. Потребность азото-
бактера в данных элементах столь высока, что его используют
как биологический индикатор на наличие фосфора и кальция в
почве. Для энергичной азотфиксации микроорганизмам требу-
ются микроэлементы, из которых наиболее важен молибден,
который входит в состав ферментов, катализирующих процесс
усвоения азота. Отмеченные физиологические особенности
характеризуют экологию данного организма. Азотобактер
обитает в высокоплодородных, достаточно влажных почвах с
нейтральной или близкой к ней реакции среды. При недоста-
точной влажности большинство клеток отмирает. В чернозем-
ных, каштановых и сероземных почвах, благоприятных для
рассматриваемого организма, его обнаруживают в значительных
количествах только весной. При летнем иссушении почвы
остаются единичные клетки. В зоне подзолистых и дерново-
подзолистых почв азотобактер можно найти в огородных и
пойменных почвах, богатых органическими соединениями, с
оптимальным рН 6,8...7,2.
3. Влияние корневых выделений растений, органических
удобрений, соломы, продуктов разложения клетчатки на
активность фиксации азота азотобактером и размеры азотона-
копления в почве и перспективы использования в с/х.
Способность Azotobacter chroococcum размножаться при соот-
ветствующих условиях в ризосфере сельскохозяйственных
культур дала основание предполагать, что указанный микро-
организм может улучшить азотное питание растений. По пред-
ложению академика С.П.Костычева и его сотрудников с трид-
цатых годов текущего столетия в нашей стране начали приме-
нять землеудобрительный препарат, содержащий культуру
Azotobacter chroococcum, или азотобактерин.
Позднее, когда выяснилась способность микроорганизма
продуцировать биологически активные вещества, его действие
на растения стали связывать не только с фиксацией азота и
улучшением азотного питания, но и с поступлением в расте-
ния вырабатываемых микроорганизмом биологически активных
соединений (витаминов и стимуляторов роста).
Весьма важное свойство азотобактера заключается в том,
что он вырабатывает фунгистатическое вещество, представля-
ющее собой метиловый эфир алифатической тетраеновой кисло-
ты, содержащей гидроксильную и B-метильную группы. Обнару-
женный антибиотик, по данным Н.И.Придачиной, активен про-
тив значительного числа фитопатогенных грибов. Благодаря
описываемому свойству при бактеризации азотобактером в ри-
зосфере угнетается развитие микроскопических грибов, мно-
гие из которых задерживают рост растений.
Отдельные культуры Azotobacter различаются по антаго-
нистическим свойствам.
Работа с различными штаммами Azotobacter chroococcum
подтвердила хорошее действие на растения лишь культур, вы-
рабатывающих биологически активные вещества, поэтому при
селекции для производственных целей отбирают культуры азо-
тобактера, продуцирующие биологически активные соединения,
стимулирующие рост растений, и угнетающие развитие фитопа-
тогенных грибов. Так, культура азотобактера снимает угне-
тающее действие фитотоксичного гриба Alternaria на кукуру-
зу, а рост незараженного растения стимулирует. Однако, для
полевых культур азотобактерин мало эффективен. Это связано
с его способностью развиваться лишь в хорошо окультуренных
почвах. На унавоженных почвах положительное действие азо-
тобактерина возрастает. Препарат хорошо влияет, например,
на овощные культуры, которые обычно выращивают на сильно
удобренных навозом почвах. Здесь бактеризация семян может
повысить урожай на 20...30% и, что особенно важно, уско-
рить его созревание.
Для объяснения эффективности азотобактера прежде всего
следует выяснить, может ли этот микроорганизм, используя
корневые выделения, накопить достаточно азота для развития
растения. Опыты с монобактериальными культурами, в которых
высшее растение, выращенное из стерильных семян, инокули-
ровали культурой азотобактера, дают на этот вопрос отрица-
тельный ответ. За счет корневых выделений бактерия не мо-
жет усвоить такое количество азота, которое обеспечивало
бы высокий урожай растений. Вместе с тем, при определенных
условиях азотобактер улучшает рост растений. В этом можно
убедиться, если в условиях монобактериальной культуры об-
работать им семена растений. Объясняется это тем, что азо-
тобактер синтезирует много биологически активных соединений
- никотиновую и пантотеновую кислоты, пиридоксин, биотин,
гетероауксин, гиббереллин, и, возможно, ряд других соеди-
нений. Комплекс указанных веществ способен стимулировать
прорастание семян, ускорять развитие растений в благопри-
ятных условиях среды.
Положительное действие азотобактера легко понять, учи-
тывая физиологические особенности данной бактерии. Она
актвино размножается лишь в плодородных почвах, обеспечен-
ных органическим веществом, фосфором и влагой. Дефицит ув-
лажения азотобактер переносит хуже, чем другие бактерии.
Известно, что в плодородных почвах присутствует спон-
танная культура Azotobacter. Как же в таком случае объяс-
нить положительный эффект дополнительного заражения? Веро-
ятно, это связано с небольшой численностью клеток азото-
бактера даже в плодородной почве. При бактеризации коли-
чество бактерий сильно возрастает, особенно в ризосфере,
что и создает благоприятные условия для развития корневой
системы. Проявляется как стимулирующее влияние ростовых
веществ, так и подавление вредной грибной флоры, а также
некоторые накопления в почве доступного растениям азота.
Препарат азотобактерин используют в основном для оран-
жерейной и парниковой культуры растений, или в случае
овощных культур. Обычно его готовят, размножая микроорга-
низм в стерильной почве или низовом торфе, имеющих нейт-
ральную реакцию и высокое содержание гумуса. К почве до-
бавляют источник углерода, доступный азотобактеру, напри-
мер, солому. В последнее время солому часто используют как
органическое удобрение. Внесение соломы обогащает почву
гумусом. Кроме того, в ней содержится около 0,5% азота и
другие необходимые растениям вещества. При правильном вне-
сении соломы почва обогащается органическим веществом и
в ней активизируются мобилизационные процессы включая
деятельность азотофиксирующих микроорганизмов. В зависи-
мости от ряда условий внесение 1 т. соломы приводит к
фиксации 5...12 кг. молекулярного азота.
