Поступление и превращение соединений азота в растениях

Содержание:

1. Введение_____________________________________________3с.
2. Азот почвы____________________________________________4с.
3. «Сезам не спешит открываться»__________________________4с.
4. «Не торопите его жить»_________________________________6с.
5. « На ветер, в воду, за решетку»___________________________7с.
6. «Стратегия и тактика»__________________________________10с.
7. Особенности усвоения молекулярного азота______________  10с.
8. Характеристика азотфиксаторов_________________________  11с.
9. Химизм фиксации атмосферного азота____________________14с.
10. Питание азотом высших растений. Азотный обмен растений__16с.
11. Заключение___________________________________________22с.

Введение

Азот составляет около 1,5% сухой  массы растений. Значение азота определяется тем, что он входит в состав важных органических веществ, таких, как аминокислоты и белки, нуклеотиды и нуклеиновые  кислоты, фосфолипиды, алкалоиды, многие витамины, фитогормоны (ауксины и  цитокинины). Азот содержится в соединениях  группы порфиринов, которые лежат  в основе хлорофилла и цитохромов, многочисленных коферментов, в том  числе НАД и НАДФ. Формы азота  в окружающей растения среде разнообразны: в атмосфере — газообразный азот и пары аммиака, в почве — неорганические формы азота (азот аммиака, аммония, нитратов, нитритов) и органические (азот аминокислот, амидов, белка, гумуса и др.). Такое разнообразие форм азота  ставило перед исследователями  вопрос об источниках азотного питания  для растительного организма. В  растениях соединения азота также  находятся в разнообразной форме. В силу этого для понимания  особенностей азотного питания требовалось  установить основные этапы превращения  его соединений. Данная проблема имеет  исклю­чительное практическое значение. Так, наиболее часто в естественных условиях встречаются растения, содержащие недостаточное количество азота. Между  тем рациональное применение азотных  удобрений требует обязательного  знания осо­бенностей азотного обмена. Большая роль в выяснении всех указанных вопросов принадлежит  работам академика Д.Н. Прянишникова и его учеников. Французский ученый Ж.Б. Буссенго установил, что при  выращивании растений на прокаленном  песке они содержат столько азота, сколько было в семени. Это доказало, что высшие растения не могут усваивать  азот атмосферы. Таким образом, несмотря на то, что в атмосфере содержится около 80% азота, большинство растений не усваивают его. Однако есть растения, обогащающие почву азотом за счет атмосферы. К ним относятся представители  семейства Бобовые. Г. Гельригель установил, что на корнях бобовых растений образуются вздутия — клубеньки, заполненные  живыми клетками бактерий. Эти бактерии живут в симбиозе с высшими  растениями и фиксируют азот атмосферы. Дальнейшие исследования показали, что  фиксировать (усваивать) молекулярный азот атмосферы могут некоторые  прокариотические организмы.

Азот почвы

Усвояемый азот почвы, если не принимать  особых мер, увеличивающих его содержание, в настоящее время является на земле главным ограничивающим фактором жизни.

Запасы азота в природе обильны  и разнообразны. В земной атмосфере  его содержится 3,75•1015 тонн, в осадочных  породах - 4,06•1014 м, в Мировом океане - 2,02•1013, в растительности - 1,1•109, в  животном мире - 6,1•107 тонн.

Почва удерживает в себе 15•1010 тонн азота. Даже дерново-подзолистая, одна из самых бедных почв Европейской  части нашей страны, в 20-сантиметровом  пахотном слое содержит 2-4 тонны азота  на каждом гектаре. А пшеница при  средних урожаях забирает с гектара  всего около 70 кг азота. Стало быть, его запасов в Нечерноземье могло  бы хватить лет на 50-60. Знаменитый русский чернозем накопил на каждом гектаре 20-30 тонн азота и более; этих запасов хватило бы лет на 300-400.

А человечество тем не менее тратит огромные средства на производство азотных  удобрений.

«СЕЗАМ НЕ СПЕШИТ ОТКРЫВАТЬСЯ»

Азот присутствует в почве в  самом широком ассортименте. Газообразный азот составляет примерно такую же часть почвенного воздуха, как и  воздуха атмосферного. И так же, как от азота атмосферы, растениям  от него мало что достается. Только бобовые могут им воспользоваться, поскольку на их корнях обитают азотфиксирующие  клубеньковые бактерии. Гектар гороха или фасоли накапливает в почве  ежегодно 70-80 кг азота, гектар клевера - 100- 150, люпина - 160-170, люцерны - 250-300 кг.

В почве есть еще и свободноживущие  азотфиксирующие микроорганизмы, но их вклад в азотную копилку  невелик - всего несколько килограммов на гектаре.

Минеральные соединения азота - нитраты  калия и кальция, различные соли аммония - легко растворимы и вполне доступны растениям, но как раз их-то в почве очень немного: от следов присутствия до десятков миллиграммов в килограмме. От всего азота почвы  это составляет 1-5%.

Больше всего - до 90% азота пахотных слоев - заключено в органических соединениях. Из этого количества около 10% входит в состав аминокислот, амидов и аминосахаров. А поскольку эти  вещества неплохо растворяются в  слабокислой почвенной среде, азот из них тоже достается растениям сравнительно легко.

Куда более прочно связан азот тех  специфических гумусовых веществ, которые накапливаются в почве  благодаря бактериям и грибам. Основательно потрудившись над останками  растений, животных, микроорганизмов, эти жители почвы превращают их в  гумусовые кислоты, гуматы кальция, железа и алюминия, а также в  гумин и фульвокислоты, по-разному  связанные с минералами.

Наиболее подвижны из всего этого  фульвокислоты. Они содержат 10-20% всего  почвенного азота, но достается он растениям  лишь после того, как фульвокислоты  разложатся. И то из выделившихся при  этом свободных аминокислот растения могут усвоить лишь часть. Зато аммонификация  фульвокислот дает в итоге аммиак, а это уже законная и легкая добыча растений. Вообще аммонификация - едва ли не основной путь извлечения азота из гумусовых веществ, а  также из белков растительных и животных остатков.

Сложнее добыть растениям азот из гуминовых кислот, а там его  тоже 10- 20% от общего количества этого  элемента в почве. К нему корни  могут подступиться лишь после долгой работы ферментов.

И уж вовсе за семью печатями находится  азот гумина, поскольку эта часть  гумуса не растворяется ни в воде, ни в щелочах, ни в кислотах, ни в  органических растворителях.

Гумин (так же, как и гуминовые  кислоты) сложен из пяти- и шестичленных ароматических циклов, которые не по зубам большинству почвенных  микроорганизмов. Меньшинство штурмует основу структуры гумина не без успеха, однако с большим трудом, поскольку  ароматические "ядра" защищены сложной  системой боковых алифатических  цепей.

А ведь именно на долю гумина приходится более половины всего азота почвы. Вот и получается, что богатые  азотные кладовые земли далеко не так широко открыты, как хотелось бы.

Естественно возникает вопрос: не лучше ли вместо того, чтобы постоянно  вносить удобрения, научиться делать доступными для растений огромные природные  запасы почвенного азота? Ведь мало того, что удобрения надо произвести, затратив на это уйму средств, - с ними в  почву попадают разные примеси и  балластные вещества, к которым растения, да и сама почва, далеко не всегда безразличны.

В принципе это дело вполне осуществимое. Агротехническими приемами можно регулировать влажность почвы, ее температурный  режим, насыщенность кислородом, кислотность. Значит, можно создать микроорганизмам  все условия для того, чтобы  они работали быстрее и разлагали  гумус ускоренно. Тогда, разумеется, растения получат гораздо больше доступного азота.

«НЕ ТОРОПИТЕ ЕГО ЖИТЬ»

В естественном распределении азота  по "группам доступности" есть свой глубокий смысл. Труднорастворимые  соединения - это резервы питания, в них - плодородие полей будущего. Очень медленно разлагаясь, они выдают растениям азот постепенно, зато надежно.

Искусственно торопить эти процессы очень опасно. Ведь в сложном хозяйстве  почвы все взаимосвязано. Важнейшая  его часть - гумус - не просто источник питания растений. Это еще и "цемент", склеивающий отдельные частицы  и делающий почву рыхлой, комковатой, доступной для воды, воздуха, тепла, удобной для работы микроорганизмов. Быстрое разложение гумуса лишь ненадолго  улучшит питание растений. А затем  начнется неотвратимое: разрушение структуры, интенсивное высыхание, выветривание почвенных минералов, и - на теле Земли  появится еще одно пятно искусственной  пустыни, оставленное неумелым хозяйничаньем.

Правда, иногда, если труднодоступным  азотом почва очень уже богата (так бывает, например, на некоторых  черноземах, луговых или пойменных  землях), в разумных пределах все  же можно использовать часть этих стратегических запасов. И лучшим способом мобилизации излишков является, как  это ни парадоксально, внесение в  почву минеральных удобрений.

В полной мере это было выявлено сравнительно недавно, когда в агрохимии стали  применять метод меченых атомов. До тех пор считалось, что азот минеральных удобрений растения усваивают на 80% - это вычисляли  просто по разнице содержания его  в урожае, снятом с удобренных и  неудобренных делянок. Изотоп 15N, добавленный  к удобрениям, показал нечто совсем иное: только 30-60% азота в урожае было меченым, остальной был взят растениями непосредственно из почвы.

И самое интересное: растения, получившие искусственную подкормку, извлекали  из почвы больше природного азота, чем  неподкормленные. Это понятно: на удобренном поле у них развиваются мощные корни, проникающие за питательными веществами дальше - и вширь, и вглубь. Лучше работает и микрофлора, разлагающая  гумусовые вещества, а значит, высвобождается больше аммонийного и нитратного азота.

Но извлечение азота из основных природных запасов в больших  масштабах - путь не основной. Основным же является регулярное внесение удобрений, и тем в больших дозах, чем беднее почвы.

«НА ВЕТЕР, В ВОДУ, ЗА РЕШЕТКУ»

К сожалению, азотные удобрения  действуют в почве очень недолго: уже на следующий год их влияние  на урожай не превышает 20% первоначального. И все потому, что внесенный  азот очень плохо удерживается почвой.

Прежде считалось, что почва  теряет азот лишь потому, что он вымывается, выщелачивается в виде нитратов. Было известно, что небольшую часть  внесенной селитры разрушают  анаэробные бактерии, выделяя молекулярный азот в воздух, но предполагалось, что эти потери незначительны.

Меченые атомы показали иное. Выяснилось, что выщелачивание - не основной путь потерь: оно опасно на легких почвах при высокой влажности, и то лишь тогда, когда поля не заняты растениями. Зато бактерии разрушают внесенную  селитру гораздо чаще, чем предполагалось: не только в анаэробных условиях и  не только в щелочной среде. Бактерии-денитрификаторы  очень интенсивно восстанавливают  нитраты до различных окислов  и молекулярного азота, и этим путем - буквально на воздух - с полей  теряется ежегодно в среднем по стране 1,5 млн. т азота.

Вот так и уходит зря этот важный элемент, и - что особенно обидно - больше всего весной, вскоре после того, как его внесли. Растения не успевают им воспользоваться, поскольку в  это время нет еще даже всходов.

Есть еще один путь потерь азота: катионы аммония с почвенным  раствором попадают внутрь кристаллической  решетки глинистых минералов, набухающих от влаги, а когда минерал высыхает, решетка "зажимает" аммоний. Чаще всего фиксируют азот таким образом  вермикулиты и монтмориллониты, а каолиниты вовсе не обладают такой способностью. Стало быть, полезно знать минералогический состав почвы, прежде чем вносить  в нее азотные удобрения. Простой  прием - запашка удобрений плугом в глубь почвы - помогает уберечь  азот от фиксации, поскольку в глубине  почва меньше сохнет.

Гуминовая кислота (вероятное строение фрагмента которой показано на рисунке) - одно из самых устойчивых органических соединений почвы: ее возраст, определенный радиоуглеродным методом, достигает  в подзолах и черноземах сотен  и тысяч лет. В ядре гуминовой  кислоты атомы азота входят в  гетероциклы или прямо связаны  с бензольными кольцами

Аммоний, попавший в решетку минералов  из удобрений, растения все-таки могут  понемногу извлекать. Но там же находится  природный аммоний, зажатый куда более крепко и растениям почти  не доступный. Дело в том, что глинистые  минералы поглощают еще и другие катионы - калия, кальция, магния, и наиболее прочная связь образуется при  взаимодействии первых порций катионов, поскольку они взаимодействуют  с самыми активными адсорбционными центрами. Аммоний же из удобрений  минералы поглощают тогда, когда  большая часть адсорбционных  центров уже занята, а потому он не может проникнуть далеко вглубь кристаллической решетки и связывается  слабее.

Фиксированного аммония в почве  много, и это уже никак не относится  к стратегическим запасам. Поэтому  агрохимики ищут пути вовлечения его  в активный азотный баланс, поскольку  свойств почвы это никак не ухудшит.

Чтобы бороться с потерями азота, содержащегося в удобрениях, часто достаточно простых приемов. Например, раз улетучивается и выщелачивается этот элемент в основном тогда, когда на поле нет растений, его поглощающих, значит, не стоит вносить удобрения слишком заблаговременно. И уж совсем неразумно делать это в конце зимы, когда почва насыщена влагой.

Есть и другие, в том числе  чисто химические приемы. Так, в последнее  время вместе с аммиачными удобрениями  в почву стали вносить ингибиторы нитрификации - вещества, подавляющие  этот процесс на определенный срок. За рубежом широко применяются два  ингибитора:

2-хлор-6-трихлорметил-пиридин, выпускаемый  в США под названием "N-serve",

и 2-амино-4-хлор-6-метилпиридин, выпускаемый  в Японии под названием "AM".

Под влиянием этих веществ в почве  накапливается больше аммонийного  азота, который растения полнее усваивают.

Ингибиторы нитрификации испытаны и у нас в стране, но в производство пока не внедрены. Проведены, например, четырехлетние испытания дициан-диамида, дибромацетанилида и смеси пиридинов  на дерново-подзолистых почвах. Эти три ингибитора заметно сокращали газообразные потери азота и повышали эффективность азотных удобрений.

«СТРАТЕГИЯ И ТАКТИКА»

Почва - живой организм. И, как все  в природе, она развивается в  основном так, что становится лучше, плодороднее. Основа такого развития - биологический круговорот, в котором  организм и среда обитания - единое целое.

Разумное сельское хозяйство обязано  стремиться к тому же результату: пахотные почвы должны не терять плодородие, а увеличивать его. Запасы почвенного азота - важнейшее из условий плодородия. И у природы, и у человека стратегия  здесь едина: создание большого долговременного  резервного фонда. Но фонд - отнюдь не "замороженный капитал": какая-то часть его должна непрерывно и постепенно поступать  к растениям, и столь же непрерывно он должен пополняться за счет либо природных процессов, либо удобрений.

Отсюда - тактические задачи:

• ускорение оборота азота в системе почва - растение без нарушения основного резерва;
• предупреждение потерь азота;
• пополнение его запасов за счет удобрений.

Такая тактика обеспечит бездефицитный  баланс азота в земледелии - и  сегодня, и в будущем.

Особенности усвоения молекулярного  азота 

Биологическая фиксация азота атмосферы  имеет важное значение. Об этом свидетельствуют  масштабы процесса — до 200 млн т  N/год. Благодаря биологической фиксации азот переходит в формы, которые могут использовать все растительные, а через них и животные организмы.

Характеристика азотфиксаторов.

Организмы, способные к усвоению азота воздуха, можно разделить  на группы:

1) симбиотические азотфиксаторы  — микроорганизмы, которые усваивают  азот атмосферы, только находясь  в симбиозе с высшим растением;

2) не симбиотические азотфиксаторы  — микроорганизмы, свободно живущие  в почве и усваивающие азот  воздуха;

3) ассоциативные азотфиксаторы  — микроорганизмы, обитающие на  поверхности корневой системы  злаков, т. е. живущие в ассоциации  с высшими растениями.

Важное значение имеют симбиотические азотфиксаторы, живущие в клубеньках корней бобовых растений (клубеньковые бактерии), относящиеся к роду Rhizobium. Связывание азота атмосферы возможно только при симбиотической ассоциации микроорганизмов этого вида и высшего растения в основном из семейства Бобовые. Существует большое количество разновидностей (штаммов) клубеньковых бактерий, каждая из которых приспособлена к заражению одного или нескольких видов бобовых растений. Это отражается в их названиях: Rhizobium lupini — клубеньковые бактерии люпина и Rhizobium trifolii— клубеньковые бактерии клевера и т. д.

Корневые системы бобовых растений обладают специфическими корневыми  выделениями. Благодаря этому клубеньковые бактерии скапливаются вокруг корневых волосков, которые при этом скручиваются. Такая способность организмов передвигаться  в ответ на узнавание химических продуктов, называется хемотаксисом. В осуществлении контактного взаимодействия микроорганизмов с растением важное значение имеет так называемое лектину-глеводное узнавание растения микроорганизмом. Суть этого в том, что лектин корневых волосков растений прочно связывается с углеводом поверхности бактерий. Бактерии, внедрившиеся в корневой волосок, в виде сплошного тяжа (т. н. инфекционные нити), состоящего из соединенных слизью бесчисленных бактерий, проникают в паренхиму корня. Клетки перицикла начинают усиленно делиться. Возможно, бактерии выделяют гормональные вещества типа ауксина, и именно это является причиной разрастания тканей, образуются вздутия — клубеньки. Клетки клубеньков заполняются быстро размножающимися бактериями, но остаются живыми и сохраняют крупные ядра. Бактерии при этом трансформируются сами, увеличиваются в размерах, поэтому их называют бактероиды.

Клубеньковые бактерии заражают только полиплоидные клетки корня. Ткань клубеньков, заполненная бактериями, приобретает розовую окраску, так как после заражения в клетках бактерий образуется пигмент, сходный с гемоглобином, — леггемоглобин. Этот пигмент связывает кислород воздуха и тем самым предохраняет фермент нитрогеназу от воздействия кислорода. Исследования показали прямую зависимость между содержанием леггемоглобина и скоростью фиксации азота. При отсутствии леггемоглобина азот не усваивается. Информация об образовании леггемоглобина содержится в ДНК ядра клетки высшего растения. Синтезируется клетками растения-хозяина. Однако он образуется после их заражения. Гены растений, кодирующие образование клубеньков, носят название nod-GENE (нодулин-гены). Показано, что скопление бактерий вокруг корня вызывает выделение веществ (возможно олигосахаров), которые активируют т. н. нодулин-белок, индуцирующий транскрипцию нодулин-генов. Взаимоотношения между высшими растениями и клубеньковыми бактериями обычно характеризуют как симбиоз. Однако на первых этапах заражения бактерии питаются целиком за счет высшего растения, т. е. практически паразитируют на нем. В этот период рост зараженных растений даже несколько тормозится. В дальнейшем азотфиксирующая способность бактерий увеличивается, и они начинают снабжать азотистыми веществами растение-хозяина, вместе с тем бактерии получают от высшего растения углеводы (симбиоз). По мере дальнейшего развития наступает этап, когда высшее растение паразитирует на клетках бактерий, потребляя все образующиеся там азотистые соединения. В этот период часто наблюдается растворение (лизис) бактериальных клеток.

Благодаря деятельности клубеньковых бактерий часть азотистых соединений из корней бобовых растений диффундирует в почву, обогащая ее азотом. Посев  бобовых растений ведет к повышению  почвенного плодородия. Гектар бобовых  растений в симбиозе с бактериями может перевести в связанное  состояние от 100 до 400 кг азота за год. Значение этого трудно переоценить, если учесть, что азотные удобрения  наиболее дорогостоящи, а в почве  соединения азота содержатся в небольших  количествах. Существуют и другие виды высших растений, у которых наблюдается симбиоз с микроорганизмами. Так, маленький водный папоротник азолла (Azolla) находится в симбиотических отношениях с азотфиксирующими цианобактериями. Азолла способна фиксировать до 0,5 кг азота на га в сутки. Некоторые деревья и кустарники (например, ольха, облепиха, лох) имеют в качестве симбионтов бактерии из рода актиномицеты. Большое значение имеют свободноживущие бактерии — азотфиксаторы. В 1893 г. русским микробиологом С.Н. Виноградским была выделена анаэробная азотфиксирующая бактерия Clostridium pasteurianum. В 1901 г. голландский ученый М. Бейеринк выделил две аэробные азотфиксирующие бактерии — Azotobacter chroococum, Azotobacter agile. Сейчас известен ряд видов Azotobacter. Свободноживущие азотфиксаторы могут быть факультативными аэробными или факультативными анаэробными. Для того чтобы эти микроорганизмы осуществляли процесс фиксации азота, необходимо присутствие молибдена, железа и кальция. Особенно важно присутствие молибдена. Свободно живущие азотфиксаторы {Azotobacter) усваивают в среднем около 1 г азота на 1 м 2 в год. Усваивать атмосферный азот способны и многие другие бактерии: клебсиеллы, бациллы и т. д. Особый интерес представляют цианобактерии, вызывающие цветение пресных и океанических водоемов. В ряде стран их разведение практикуется на рисовых полях.

Ассоциативные азотфиксаторы были обнаружены в 70—80-х годах XX в. в лаборатории Д. Доберейнер в Бразилии (1976). Число их видов велико, как велико разнообразие ассоциативных взаимоотношений растений с микроорганизмами. Такие отношения характерны для ризосферных микроорганизмов, т. е. живущих на поверхности корневой системы растений. Часто микробиологи не делают различия между ассоциативными и свободноживущими азотфиксаторами. Последовательность взаимоотношений с растением-хозяином ассоциативных азотфиксаторов имеет определенное сходство с симбиотическими организмами: хемотаксическое узнавание, лектин-углеводное узнавание и этап установления прочных связей. Отсутствует только этап образования клубеньков. Эффективность азотфиксации ассоциативной микрофлорой меньше по сравнению с симбиотической, но ассоциативные азотфиксаторы продуцируют гормоны роста растений и обладают другими свойствами, положительно влияющими на рост и развитие растений (защита от фитопатогенов, разрушение токсических веществ). Наиболее изучены из этой группы микроорганизмы из рода азоспирилл (Azospirillum). Они колонизируют корни злаков и в связи с этим представляет интерес технология их выращивания. Азоспириллы легко инфицируют корневую систему злаков и других растений.

Химизм фиксации атмосферного азота.

Конечным продуктом фиксации азота является аммиак. В процессе восстановления азота до аммиака участвует мультиферментный комплекс — нитрогеназа. Нитрогеназа состоит из двух компонентов: MoFe-белок и Fe-белок. MoFe-белок молекулярной массой 200—250 КДа содержит молибден, железо и серу. По современным представлениям этот белок осуществляет связывание и восстановление азота. Fe-белок молекулярной массой 50—70 КДа содержит железо и серу. Эта субъединица участвует в транспорте электронов от их доноров (ферредоксин) на MoFe-белок.

Источником протонов и электронов для восстановления азота служит дыхательная электрон-транспортная цепь. Это указывает на связь усвоения азота атмосферы с процессами дыхания, а также фотосинтеза (источника  углеводов). Для восстановления N2 до NH3 требуется шесть электронов, согласно уравнению:

N2 + 6е + 2Н+ -> 2NH3

Процесс требует АТФ как источника  энергии: по расчетам для восстановления одной молекулы N2 требуется не менее 12 молекул АТФ. Реальные затраты энергии значительно выше и составляют 25—35 молекул АТФ. Нитрогеназа — фермент с низкой субстратной специфичностью, поскольку восстанавливает и другие соединения с тройной связью: цианиды, ацетилен, азиды и др. Особенность нитрогеназы заключается и в том, что для работы фермента требуются анаэробные условия. Вместе с тем в клетках высшего растения кислород необходим для поддержания дыхания. Роль леггемоглобина заключается в связывании 02 в организме бактерий и создании условий для работы нитрогеназы.

Для образования леггемоглобина необходимы Fe, Сu и Со. Для нормального протекания процесса азотофиксации необходимы Мо и Fe, поскольку они входят в состав фермента нитрогеназы. Молибден выполняет структурную функцию, поддерживая конформацию нитрогеназы, каталитическую, участвуя в связывании азота и переносе электронов, а также индуцирует синтез нитрогеназы. Кобальт необходим в связи с тем, что он входит в состав витамина В12, который вовлекается в процесс биосинтеза леггемоглобина. Образовавшийся аммиак здесь же в клетках корня реагирует с а-кетоглутаровой кислотой с образованием глутаминовой кислоты, которая и вовлекается в дальнейший обмен. В надземные органы растения-хозяина азотистые вещества передвигаются главным образом в виде амидов (аспарагина, глутамина). Как уже отмечалось, фиксирование атмосферного азота может осуществляться и рядом свободноживущих фотосинтезирующих организмов (цианобактериями, серными бактериями). В этом случае донором протонов и электронов может быть или вода, или сероводород.

Открытие азотфиксаторов привело  к созданию бактериальных удобрений (нитрагин, ризотрофин, азотобактер  и др.). Эти удобрения содержат естественные почвенные организмы  и позволяют увеличить накопление биомассы высшими растениями. Перспективность  такой технологии в том, что она  позволяет частично заменить минеральные  удобрения, и таким образом снизить  уровень загрязнения, вызванный  их интенсивным использованием. Новые  перспективы для увеличения эффективности  азотфиксации и улучшения азотного питания растений открывает использование  достижении генной инженерии. Установлено, что фиксацию азота обеспечивают ферменты — продукты nif-генов. В настоящее время практически решена проблема увеличения дозы nif -генов у клубеньковых бактерий рода Rhizobium. Выполнены работы по переносу nif -генов в другие организмы, поскольку большинство этих генов локализуется на плазмидах. Имеются предпосылки к созданию методами генной инженерии злаковых растений-азотфиксаторов. Исследование основ азотфиксации открывает перспективы создания экономных и эффективных технологий фиксации азота воздуха. Технология синтеза аммиака в промышленности предполагает использование катализаторов, поддержание температуры около 500°С и давления 300—350 атм. В клетке этот процесс идет при нормальной температуре, низком давлении и без загрязнения среды обитания.

Питание азотом высших растений. Азотный обмен растений

Высшие растения поглощают соединения азота из почвы. Основным источником азотного питания для растений являются нитраты и аммиак. Изучение отдельных  этапов превращения азотистых соединений, а также исследования, показавшие широкое распространение процессов  реутилизации соединений азота, привели  к представлению о круговороте  азотистых веществ в растительном организме. Корневые системы растений хорошо усваивают нитраты, которые, поступая и корни растения, подвергаются ферментативному восстановлению до нитритов и далее до аммиака. Этот процесс происходит главным образом  в корнях, однако этой способностью обладают и клетки листьев. Восстановление нитратов до аммиака идет через ряд  этапов. На первом этапе нитраты  восстанавливаются до нитритов при  участии фермента нитратредуктазы:

N03- + 2е -> N02

Нитратредуктаза — это фермент  с молекулярной массой 200—270 КДа, содержащий в своем составе ФАД, гем и  молибден. Фермент локализован в  цитозоле, где и протекает процесс  восстановления нитратов до нитритов. Донором электронов при этой реакции  у грибов является НАДФН, а у растений НАДН. В свою очередь поставщиком  этих соединений являются процесс дыхания  и отчасти световые реакции фотосинтеза. Именно поэтому восстановление нитратов тесно связано с дыхательным  газообменом. Вместе с тем для  нормального протекания процесса дыхания  растение должно быть достаточно обеспечено углеводами. При искусственном снижении содержания углеводов (выдерживание растений в темноте) нитраты не восстанавливаются, а накапливаются во всех органах  растения. При усиленном поступлении  нитратов содержание углеводов падает. Интересно, что растения-нитратонакопители, например, некоторые среднеазиатские  солянки, содержат мало углеводов и  большое количество органических кислот. Показано, что нитратредуктаза относится  к индуцибельным ферментам. Ее новообразование  вызывается присутствием в среде  нитратов. Вместе с тем накопление продукта реакции — нитритов репрессирует образование нитратредуктазы. Интересно, что фитогормоны цитокинины также  индицируют синтез нитратредуктазы. На восстановление нитратов большое влияние  оказывает свет. Прежде всего, на свету  в процессе фотосинтеза образуются углеводы, необходимые для восстановления, а также для дальнейшего превращения нитратов. Вместе с тем для восстановления нитратов могут быть непосредственно использованы продукты, образующиеся в процессе нециклического фотофосфорилирования (НАДФН, АТФ). Свет влияет и на уровень фермента нитратредуктазы. Показано, что при низкой освещенности, дефиците Fe и Мо активность фермента снижается, и нитраты накапливаются в клетке. Восстановление нитратов стимулируется при освещении синим светом. Возможно, это связано с тем, что флавин, который входит в состав нитратредуктазы, поглощает синий свет и активируется им.

Второй этап — восстановление нитратов до аммиака катализируется ферментом  нитритредуктазой:

N02- + 6е -> NH4+

Нитритредуктаза — это фермент  с молекулярной массой 60—70 КДа содержит в качестве простетической группы гем. Активность этого фермента значительно  выше, чем нитратредуктазы. Нитритредуктаза  локализована в хлоропластах листьев  или пропластидах корней. Донором  электронов в листьях служит восстановленный  ферредоксин, который образуется при  функционировании на свету ФС I. Нитриты  образуются не только на промежуточной  стадии восстановления нитратов. Они, как и нитраты могут поступать  в растение из почвы. При этом нитриты  также подвергаются восстановлению до аммиака при участии нитритредуктазы. Однако нитриты при накоплении в  цитоплазме могут оказаться ядовитыми, поскольку фермент локализован  в хлоропластах. Передвижение нитритов в хлоропласты стимулируется  Са. При недостатке Са нитриты не восстанавливаются до аммиака и  накапливаются в клетках. Установлено, что в высших растениях, так же как у прокариот и грибов, наряду с восстановлением нитратов до аммиака  осуществляется и обратный процесс  — окисление аммонийной формы  азота в нитратную, что опровергает  широко распространенное мнение об исключительно  экзогенном происхождении нитратов в растениях (Б.А. Ягодин).