Другие фиксаторы азота
В 1893 году С. Н. Виноградский сообщил ученому миру интересные данные о другом виде бактерий, выделенном им из почвы и названном в честь Пастера Clostridium pasteurianum. Он выращивал эти бактерии на питательной среде, лишенной азота, и они нормально росли и размножались. Через некоторое время Виноградский обнаружил, что питательная среда обогатилась соединениями азота, отсутствовавшими в ней ранее. Он установил, что С. pasteurianum способны усваивать азот из воздуха и «вырабатывать» из него белки. Этот микроорганизм относится к анаэробным бактериям, которые обитают в бескислородной среде.
Спустя восемь лет после открытия этих бактерий голландский микробиолог Мартин Бейеринк обнаружил в почве еще один вид, способный фиксировать атмосферный азот, и назвал его Azotobarter chroococcum. Это был тот самый Бейеринк, который одновременно с Ивановским открыл существование вирусов, о чем будет рассказано в 10-й главе. Любопытная деталь: будучи убежденным холостяком, Бейеринк свои лекции в университете всегда начинал обращением «Господа и дамы!» Когда один из его ассистентов женился, он прервал с ним всякие отношения, заявив: «Ученый не имеет права жениться!»
Связывание (фиксация) атмосферногр азота бактериями — процесс огромной важности. Молекулярный азот, недоступный никаким другим организмам, преобразуется в соединения, которые могут использоваться как легкоусвояемая пища. Очень любопытен химический механизм этого явления.
При химическом производстве азотных соединений из атмосферного азота применяются методы резких температурных скачков и сложная химическая аппаратура. Химики улавливают азот из воздуха при помощи мощной электрической дуги, сквозь которую прогоняют струю воздуха при температуре 3000 °C. Затем образующийся газ пропускают через воду, и азотные соединения, связываясь с водой, превращаются в азотную кислоту. По другой методике воздух охлаждают до —194 °C; азот отделяют от остальных составных частей воздуха, смешивают с водородом в отношении 1:3, подогревают до 550 °C, и тогда под высоким давлением в присутствии катализатора образуется аммиак. В результате взаимодействия аммиака с кислородом в присутствии платинового катализатора образуется азотная кислота[18].
Насколько же проще делают все это мельчайшие клетки бактерий, усваивающие атмосферный азот! Им достаточно одних остатков растений, служащих источником углерода и энергии. Они живут во мраке, во влажной, теплой почве и, невидимые, неслышные, усваивают азот из богатейшей природной кладовой. При помощи своих ферментов они преобразуют его в значительно более сложные соединения, чем может даже представить человек. И в результате всех этих превращений в клетках бактерий создаются белки, без которых невозможна жизнь на нашей планете.
Связывание атмосферного азота имеет и огромное хозяйственное значение. Согласно некоторым подсчетам, бактерии поставляют в почву до 9 830 000 т азота в год. В пересчете этого количества азота на такое промышленное азотное удобрение, как натриевая селитра, мы получили бы астрономическую цифру. Если бы бактерии не обогащали почву азотом, нам пришлось бы тратить на удобрение до 150 000 000 т натриевой селитры в год. Только на транспортировку такого количества потребовалось бы 300 000 поездов по 50 вагонов.
Естественно, что эта способность азотфиксирующих бактерий уже давно привлекала к ним внимание микробиологов. Они использовали эти организмы в виде так называемых бактериальных культур, которые заделываются в почву. Почва обогащается азотом, и ее плодородие значительно повышается.
В Японии и Индии при выращивании риса в последние годы стали применять новое микробное удобрение. Это удобрение содержит культуры сине-зеленых водорослей, очень быстро размножающихся на заливаемых водой рисовых полях. К тому же они не только связывают атмосферный азот, в них происходит еще и процесс фотосинтеза, что поддерживает деятельность других микроорганизмов и влияет на повышение урожаев риса.
Таким образом, знания ученых о способах питания микроорганизмов с успехом используются для повышения урожайности культурных растений, то есть теоретические исследования микробиологов и в сельском хозяйстве приносят богатые практические результаты.
Круговорот веществ в природе, в котором деятельное участие принимают микроорганизмы.
Биогенные элементы в движении
Мы убедились уже в том, что микробы играют очень важную роль в превращениях углерода в почве. Clostridium pasteurianum, Azotobacter, клубеньковые бактерии и сине-зеленые водоросли связывают атмосферный азот и способствуют образованию органических соединений. В процессах гниения бактерии осуществляют аммонификацию, освобождая аммиак из отмерших растений, животных, микроорганизмов. Нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в важнейшие питательные вещества растений — нитриты и нитраты.
Однако помимо этой полезной деятельности почвенных бактерий нам известна и другая сторона их активности, с хозяйственной точки зрения нежелательная. Дело в том, что некоторые микробы вызывают денитрификацию, при которой из нитратов образуется молекулярный азот, выделяющийся в атмосферу. Процесс денитрификации происходит обычно в плохо обработанных и слабо аэрируемых почвах.
Все превращения азота под влиянием микробов, растений и животных дают нам картину его грандиозного и бесконечного круговорота в природе.
И остальные биогенные элементы постоянно переходят от неживой материи к живому веществу, а от него — под влиянием деятельности микробов — снова возвращаются к мертвой природе. Некоторые из них необходимы микроорганизмам лишь в очень малых количествах. Это так называемые микроэлементы. Железо или медь — важные компоненты некоторых ферментов. Кобальт принимает обязательное участие в образовании молекул витамина В12, открытого уже в послевоенные годы. Его с успехом применяют в лечении острой анемии. В12 образуется в клетках многих микробов, и в настоящее время основным путем получения витамина в промышленности является микробиологический синтез.
Профессор П. Немец так характеризует круговорот веществ в природе и участие в этом процессе живых организмов, в частности микробов:
«Компоненты атмосферы — углерод, азот и кислород — усваиваются живой природой, становясь составной частью живых организмов, точнее живой материи. Со временем эти организмы выделяют их обратно в атмосферу. В процессе дыхания или под влиянием разлагающей деятельности микроорганизмов элементы минерализуются и возвращаются в неживую природу. То же происходит и с остальными минеральными элементами, участвующими в биологическом круговороте. Живое вещество в этом непрестанном цикле использует неживую материю атмосферы и земной коры, а движение цикла обеспечивается солнечной энергией.»
Три тысячи лет назад один древний мудрец выразил ту же мысль гораздо лаконичнее: «…И возвратится прах в землю, чем он и был.»
Микробы ускоряют рост растений
В различных органах растений образуются вещества, регулирующие и до известной степени ускоряющие их рост. К таким веществам относится, например, f3-индолилуксусная кислота (гетероауксин).
Интересно, что гетероауксин вырабатывают и выделяют в окружающую среду также некоторые бактерии, дрожжи и плесневые грибы. В почве он может стать важным фактором в развитии растений. Образуется гетероауксин и в результате деятельности кишечных бактерий. Человек в сутки выделяет с мочой до 2 мг гетероауксина. Меньшая его часть (около 0,1–1 мг) поступает вместе с растительной пищей человека, но большую часть продуцируют кишечные бактерии.
Есть еще одно интересное вещество, связанное с деятельностью микроорганизмов и сильно влияющее на рост растений. Это гиббереллин. История гиббереллина началась на Дальнем Востоке. В Японии уже больше 150 лет известна болезнь риса баканаэ (шалая болезнь). Это заболевание молодых проростков риса, которые вытягиваются в высоту, становясь в полтора раза длиннее нормальных, здоровых растений. Оно вызывается грибом Gibberella fujikuroi, паразитирующим на рисе.
В 1926 году японский исследователь Е. Куросава, изучивший эту болезнь, доказал, что заболевание проростков риса можно вызвать искусственно и в отсутствие гриба. Он выращивал гриб в лаборатории в жидкой питательной среде, затем фильтровал ее и полученным фильтратом (лишенным гриба) опрыскивал молодые растеньица. Проростки начинали расти, значительно опережая необработанные растения и проявляя все признаки уже известного заболевания. Это означало, что гриб выделял в жидкую среду какие-то вещества, которые проникали в организм опрыснутых растений и вызывали заболевание. Спустя десять лет группе японских исследователей удалось получить это вещество в чистом виде из фильтрата гриба. Они назвали его гиббереллином. Долгое время изучением гиббереллинов занимались лишь японские ученые, в последние десятилетия их стали исследовать и в других странах. В настоящее время известны четыре вещества типа гиббереллина[19], причем наиболее интересной оказалась гиббереллиновая кислота (чаще ее называют просто гиббереллином).
