АЗОТОБАКТЕР

С.Н. Виноградский

Смотрите также:

Биография Виноградского

Микробиология

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Геоботаника

 Биографии биологов, почвоведов

Эволюция

Биология

Эволюция биосферы

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Геохимия - химия земли

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИКСАЦИИ МОЛЕКУЛЯРНОГО АЗОТА И НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ЭТОЙ ОБЛАСТИ

История вопроса, о котором я имею честь говорить перед ученым собранием, ему, конечно, известна.

Исследования по этому предмету были очень упорными, особенно в области, касающейся аэробных фиксаторов или азотобактера, но несмотря на число и значение этих работ, процесс фиксации азота при помощи микроорганизмов до сих пор еще далек от понимания даже в самых общих чертах.

Два пункта, составляющие самую сущность проблемы, требуют разъяснения:

1.         Какова природа химического процесса, приводящего к фиксации?

2.         За счет каких веществ эта фиксация происходит в природе?

Что касается химизма процесса, то было выдвинуто много противоречивых гипотез, но все они оказались мало удовлетворительными. Мой старый сотрудник, покойный Омелянский, имел полное основание заключить обзор этих гипотез в своей монографии по фиксации азота, появившейся в 1923 г., фразой: «Химический процесс фиксации еще окружен глубокой тайной».

В настоящее время соображения теоретического характера заставляют нас склоняться к гипотезе гидрогенизации азота, по которой аммиак образуется при помощи реакции, аналогичной синтезу Габера. Но эта мысль вплоть до нынешнего дня не получила, однако, никакого экспериментального подтверждения, и аммиака не удавалось обнаружить в тех тысячах культур, которые прошли перед глазами стольких наблюдателей.

Правда, этот результат, сколь бы он ни был отрицательным, еще не опровергал самой теории, так как достаточно было бы принять, что синтезированный аммиак немедленно переходит в органические соединения, чтобы понять невозможность его накопления в среде при нормальных условиях.

В этом случае, как и при протекании других энзиматических процессов, необходимо было вывести процесс из равновесия, чтобы явилась возможность уловить образующийся первичный продукт. Какими средствами можно было этого достигнуть?

Мне кажется, что нам удалось это сделать, -заставляя азотобактера размножаться в среде, щелочность которой быстро возрастала.

Для этих целей пользуются твердой средой из кремнекислого геля, пропитанного органической солью натрия — уксусно-, молочно-, масляно- или янтарнокислого; в этих условиях свободный аммиак чаще всего появляется через два дня. Для определения его количества производят отгонку, не прибавляя щелочи, при слабом подогревании и при протягивании очищенного воздуха через колбу.

Присутствие свободного аммиака, обусловленного размножением азотобактера в среде, которая вначале не содержала никаких следов связанного азота, является, таким образом, неопровержимым фактом. Есть ли основания видеть в нем продукт фиксации?

Трудно сделать какое-либо другое заключение, принимая во внимание, что культуры азотобактера находятся в молодом состоянии, энергично размножаются и что микроскопический анализ не обнаруживает в них ни загрязнения, ни признаков автолиза.

Перейдем ко второму вопросу, а именно к вопросу о том, за счет каких веществ поддерживается фиксация азота в почве. Совершенно, понятно, что наличие энергетического вещества необходимо для развития этого процесса, и даже если бы гидрогенизация азота не требовала расходования энергии, как это утверждают, последняя все же необходима для размножения микроорганизма.

В лабораториях уже в течение многих лет пользуются для этих целей средой с маннитом (реже с глюкозой), в которой легко получают исключительно пышные культуры азотобактера. Однако было^жцзвестно, что этот микроорганизм может существовать также за счет химических соединений более простого строения, таких, как различные органические соли. Но так как культуры на манните были лучше и обильнее, то всегда именно это углеводоподобное вещество рекомендовалось и применялось в лабораториях, притом в такой мере, что азотобактер фигурировал в микробиологии как организм, судьба которого в природных условиях связывалась главным образом с сахарами, почти в такой же степени, как у дрожжей.

Конечно, старая методика оказала большие услуги, облегчив открытие клеток этого микроорганизма в почве и изучение его особенностей. Но почвенную микробиологию интересовали не только вопросы техники и не только изучение свойств азотобактера, культивируемого в лаборатории, но, совершенно ясно, и деятельность его в природных условиях в почве — главном объекте исследования этой отрасли знания. Дойдя до последнего пункта, микробиолог попадал в затруднение.

Действительно, если с растительными остатками и попадает в почву небольшое количество Сахаров, то совершенно достоверно, что последние быстро разлагаются в почве и исчезают из нее раньше, чем азотобактер смог бы ими завладеть. Что касается главных составных частей растений — Целлюлозы, гемицеллюлоз, пентозанов, лигнина — то азотфиксаторы не в состоянии их разрушать. Все вещества, которые составляют, так сказать, скелет растений, разлагаются лишь в присутствии достаточного количества связанного азота видами, резко отличающимися от азотобактера. Таким образом, еще до сих пор ничего точного не известно ни о способе существования, ни о деятельности азотобактера в природных условиях.

Чтобы разобраться в том, какую роль в действительности играют различные микроорганизмы в почве, необходимо, на мой взгляд, до известной степени как бы перевернуть методику: вместо того чтобы экспериментировать с микроорганизмом, выделенным из почвы и перенесенным в сложную питательную среду, надо изучать естественную смесь микробов Данной почвы в ее целом на выбранном для этого питательном веществе.

Известно, насколько изменчив состав микроорганизмов в почве, но, несмотря на это, оьи будут реагировать быстрым размножением почти чистых культур того или другого вида, оказывающего специальное предпочтение вносимому питательному веществу.

Мы упоминаем на этот раз о новой методике лишь для того, чтобы в общих чертах указать то направление, которому мы следуем в интересующем нас вопросе. Нами были изучены многие вещества жирного и ароматического ряда. Они подвергались воздействию микроорганизмов, вносимых с частицами почвы, которой засевались пластинки из геля, лишенные связанного азота. Последнее обстоятельство заставляло микробное население почвы реагировать на этот прием исключительным развитием азотобактера; если последний не развивался, то пластинкй оставались совершенно или почти стерильными. Действуя таким образом, было нетрудно сделать выбор химических веществ, которые пригодны для развития азотобактера в этих условиях.

Приводим их перечень: спирты, этиловый и бутиловый, кислоты уксусная, масляная, пропионовая, молочная, конечно, в виде солей, и еще ряд веществ менее благоприятных. Все эти вещества имеют простое строение и являются обычными продуктами всех видов брожений — Сахаров, крахмала, целлюлозы, пектиновых веществ — и ассимилирующая энергия азотобактера так велика, что за счет этих отбросов он развивается, фиксируя атмосферный азот!

Учитывая этот факт, гораздо легче представить себе деятельность азотобактера в почве и даже предвидеть момент ее начала. Представим себе растительные остатки, разлагающиеся в почве. Чаще всего содержание в них азота недостаточно для их полного разложения. Когда он истощится, бродильные процессы остановятся. Таким образом, положение стало бы безвыходным, если бы азотобактер не вносил новое количество ассимилируемого азота, окисляя продукты этих брожений, которые поступают в его полное распоряжение в среде, лишенной азота. Тогда процесс разложения растительных остатков сможет восстановиться, и так будет продолжаться до тех пор, пока в почве не будет израсходован весь запас разлагающихся остатков. В свете этих рассуждений, функция азотобактера в почве становится более понятной.

Но это еще не все. Исследуя вещества ароматического ряда, я был поражен действием на азотобактер бензойной кислоты в виде бензоата натрия или кальция. Очень пышные культуры микроба в этом случае особенно отличались черной пигментацией колоний, так же как и самого геля, который становился словно «прокопченным» и черноватым в присутствии бензойнокислого натрия и черным, как тушь, в присутствии бензойнокислого кальция. Насколько я знаю, бензойная кислота не была найдена среди продуктов распада растительных остатков, что, однако, еще не означает, что между ними вообще не встречаются вещества ароматического ряда. Их источником мог быть лигнин, который содержится в растениях в количестве от 20 до 30%. Его очень сложное строение, еще полностью не установленное, характеризуется присутствием бензольных ядер. К сожалению, еще очень мало известно о его биологическом разложении, о продуктах этого разложения и его возбудителях. Тем не менее, в свете приведенных идей выделение черного пигмента в результате воздействия микроорганизмов на бензольное кольцо заслуживает внимания, особенно если задуматься над еще совершенно неясным происхождением черных веществ почвы.

К содержанию книги: Сергей Николаевич ВИНОГРАДСКИЙ - МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ. ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ