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

О СИНТЕЗЕ АММИАКА АЗОТОБАКТЕРОМ 

В докладе, сделанном на заседании Академии Наук, мы в свое время сообщали, что нам удалось установить факт выделения аммиака азотобактером на питательных средах, лишенных азота.

В настоящей статье мы намерены подробно описать относящиеся сюда опыты.

Но для ясности мы предпошлем изложению наших выводов краткий разбор воззрений на характер жизнедеятельности азотобактера. Эти воззрения господствовали в течение всего времени, ныне уже довольно продолжительного, которое прошло с момента открытия этого интересного микроорганизма.

Достаточно ограничиться кратким общим обзором, так как история вопроса, а также относящаяся сюда литература уже неоднократно разбирались в различных статьях, монографиях и учебниках по сельскохозяйственной микробиологии  . , —\

С наибольшими подробностями стремились исследовать морфологию и цитологию азотобактера, а также то, как осуществляется его обмен за счет различных энергетических веществ. В отношении последних можно сказать, что не было пропущено ни одно из тех соединений, которые могли бы служить источником питания для этого микроба. Оказалось, что азотобактер способен окислять значительное число химических веществ, принадлежащих к сахарам и полисахаридам, одно-, дву- и трехосновные кислоты, высшие и низшие спирты и т. д., и что окисление в этом случае является полным, так как в среде не обнаруживается никаких продуктов распада — ни кислот, ни спиртов. Газовый же обмен ограничивается поглощением кислорода и выделением углекислоты.

Эти опыты частично были проведены в присутствии богатого источника связанного азота, главным образом нитратов, что полностью исключало азотфиксацию. Примером работ такого направления, появившихся за самое последнее время, служат обширные исследования Штаппа (цитирован выше), в которых эта интересная функция азотобактера не была принята во внимание.

Однако большей частью опыты ставились с целью выяснить значение энергетического вещества для процесса азотфиксации. Подводя итог, можно сказать, что фиксация обнаруживалась в среде, лишенной связанного азота, во всех случаях, когда микроб мог использовать какое-нибудь энергетическое вещество. Применяя же нашу методику, можно было получить постоянные соотношения между количеством израсходованного энергетического вещества — в нашем случае маннита — и количеством фиксированного азота, которое приближалось к 1 на 100 частей маннита.

Выбор маннита, может быть, облегчил обнаружение микроорга- низмов-азотфиксаторов в их естественной обстановке и позволил получать исключительно обильные культуры этих микробов, но в то же самое время он скорее затормозил понимание той роли, которую играет азотобактер в почве.

Чтобы разобраться в этом вопросе, было бы целесообразнее именно избегать Сахаров, так как они слишком редко встречаются в почве и почти никогда не имеются в распоряжении микроба. Наоборот, было бы правильнее проводить опыты по преимуществу с веществами, постоянно образующимися в почве, возможность использования которых для азотобактера гораздо более вероятна. Мы подразумеваем, главным образом, кислоты и спирты жирного ряда, содержащие от двух до четырех атомов углерода — кислоты: уксусную, масляную, молочную, янтарную; спирты: этиловый и бутиловый. Все эти вещества являются обычными продуктами, получающимися в почве при брожении углеводов. Этот вопрос уже обсуждался в наших сообщениях X и XI части восьмой, и мы не будем к нему возвращаться.

Способность азотобактера размножаться за счет перечисленных веществ, стоящих как источник энергии ниже Сахаров, не представляет ничего нового. Гейни подробно изучавший жирные кислоты в качестве- источника энергии для азотобактера, пришел к выводу, что азотобактер способен утилизировать для фиксации азота кислоты уксусную, пропио- новую, нормальную масляную и капроновую. С той же точки зрения были исследованы спирты этиловый и бутиловый. Для первого из них результат получился положительный. Однако описанные наблюдения привлекли меньше внимания, чем они заслуживали с точки зрения выяснения роли азотобактера в природе. Они были просто зарегистрированы как фактический материал, дополняющий длинный список тех источников энергии, которыми азотобактер может пользоваться в чистых культурах, и значение их при исследовании деятельности азотобактера в природных условиях не было должным образом оценено. Таким образом, уже самим выбором питательного вещества создавались совершенно искусственные условия для выращивания азотобактера. «Агро- биологический дух», если можно так сказать, еще отсутствовал в нашей отрасли науки.

Что касается химизма процесса азотфиксации, то этот вопрос в течение долгих лет возбуждал лишь гипотезы, развивавшиеся главным образом в двух направлениях: согласно одному из них процесс фиксации представлял собою окисление молекулярного азота, согласно другому — его* восстановление. Первое не подкреплялось никакими фактами, так как в культурах никогда не наблюдалось образования так легко обнаруживаемых нитритов или нитратов. За второе стояли как теория, так и установленный факт способности этого микроба к энергичному восстановлению нитратов. Но нигде (за исключением одной работы, о которой мы будем сейчас говорить) нельзя было найти указаний на присутствие аммиака в культурах азотобактера, молодых или старых. Аммиак не только не был найден в действительно бесчисленных опытах многих исследователей, но и специальные изыскания в этом направлении не обнаружили его. В общем, проблема еще продолжала оставаться не разрешенной в эпоху появления монографии Омелянского (1923), который приходил тогда к заключению, «что процесс окружен глубокой тайной» (цит. соч.. стр. 105). Штапп в 1927 г., с своей стороны, поставив вопрос о химизме азотфиксации, дал на него лишь один ответ, столь же краткий, как и безнадежный,— «ignoramus» (цит. соч. стр. 10) — не знаем.

Работа, которая занимает особое место в разбираемой нами проблеме, принадлежит покойному русскому физиологу растений Костычеву г. Исходя из гипотезы, что фиксация азота представляет собою восстановительный процесс, аналогичный процессу ассимиляций нитратов плесенями (где отмечается восстановление нитратного азота до аммиака), только с большей потенциальной способностью к восстановлению, авторы провели ряд опытов со штаммом азотобактера, который был предоставлен в их распоряжение как чистая культура Azotobacter agilis. Что касается происхождения этого штамма и его особенностей, то в этом направлении не было сделано никаких указаний, кроме того, что штамм был выделен из ленинградской почвы.

Авторы обнаружили присутствие растворенного в питательной среде связанного азота через 10 или 15 дней. Результат оказался положительным в семи упомянутых опытах и анализ растворенного азота показал, что он состоял частью из аммиачного, а частью из аминного азота, которые в сумме равнялись общему количеству этого элемента, растворенного в питательной среде и определенного аналитически. Эти количества растворенного азота в питательной среде, освобожденной центрифугированием от клеток микроба, были значительными, например:

Десятидневная культура в 300 мл питательной среды: растворимого азота 10,7 мг, из которых аммиачного азота 4,9 мг и аминного 6,5 мг.

Шестидневная культура в 400 мл раствора с сахаром: растворимого азота 13,4 мг,. из которых аммиачного 12,4 мг.

Двухнедельная культура в 400 мл раствора с сахаром: растворимого азота 9,7 мг, из которых 5,2 мг аммиачного азота и 4,7 мг аминного. И так далее .

Эти результаты опытов показывали, что выделение аммиачного и аминного азота действительно могло быть первичным этапом синтеза, так как оно происходило в условиях, исключающих возможность вторичного образования. Кроме того, если бы здесь имел место распад белков, то он сопровождался бы образованием различных других веществ, чего не наблюдалось в данном случае, так как сумма аммиачного и аминного азота, как было сказано, составляла общее количество растворимого азота.

Таким образом, авторы пришли к выводу, что азотфиксация является в принципе таким же синтезом, как синтез Габера. Но в то время как последний происходит лишь при давлении во много сотен атмосфер, при температурах в несколько сот градусов и в присутствии металлических катализаторов, таких, как осмий, уран, марганец и т. д., биологический синтез идет при обычном давлении и температуре. Это не удивительно для биолога, который знает силу действия органических катализаторов.

Эти результаты, упоминаемые уже в учебнике физиологии растений Костычева, появившемся в 1924 г., не получили еще, однако, ни подтверждения, ни соответствующего критического разбора; ограничиваются лишь тем, что о них упоминают. Такой сдержанный прием легко понять так как эти данные плохо согласуются с огромным числом предыдущих и последующих опытов, в которых никакого образования аммиака не было обнаружено. Расхождение остается необъяснимым, так как авторы не ввели никакого нового приема культивирования, который мог бы повлиять на ход процесса или позволил бы изолировать первичные продукты. Опыты, как сказано, были проведены в стандартной питательной жидкой среде с маннитом или глюкозой в качестве источника питания, поэтому трудно принять полученные авторами данные за нормальные или обычные. Более того, создается впечатление, что здесь, возможно, происходил распад вследствие загрязнения или автолиза.

Кроме того, следует еще поставить вопрос, нельзя ли объяснить присутствие такого большого количества аммиака в культурах погрешностями методики, примененной для его определения: перегонка под уменьшенным давлением и при температуре в 35°, но в присутствии СаО. Предполагая наличие свободного аммиака в среде, было бы надежнее его определять отгонкой без негашеной извести.

Остается рассмотреть еще взгляды некоторых авторов на то, что мы назвали следствием процесса фиксации, т. е. на судьбу фиксированного азота и его использование. В этом случае можно быть кратким. Если проблема, касающаяся первичных продуктов фиксации азота, возбудила столько теорий и споров и все же, несмотря на это, оставалась неразрешенной, то последний интересующий нас вопрос казался ясным. Все были согласны, что азот, усвоенный клетками азотобактера и превратившийся в белок, является единственным «вкладом» азотфиксаторов в азотный баланс почвы.

Это белковое вещество было подробно изучено. По Омелянскому и Зиберу, оно составляет не более 13% веса сухого вещества клеток азотобактера, что соответствует 2% органического азота. Естественно возникал вопрос, насколько быстро этот добытый прямо из атмосферы азот переходит в раствор и становится доступным растениям и почвенным микроорганизмам. В опытах Мблера в противоположность Костычеву, не было найдено никаких растворимых азотистых веществ в жидких культурах азотобактера ни в течение первого месяца, ни после шести с половиной месяцев их стояния; после фильтрации весь азот обнаруживался в нерастворимой форме.

Эти последние наблюдения относятся, по всей вероятности, к инци- стированным клеткам. Что касается тех клеток, которые стареют без образования цист, то они в конце концов подвергаются полному автолизу. Этот вопрос продолжает возбуждать большие споры.

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