Азотофіксуючі бактерії: середовище, функції

Бактерії - поняття, добре знайоме кожному. Отримання сиру і йогурту, антибіотиків, очищення стічних вод - все це роблять можливим одноклітинні бактеріальні організми. Познайомимося з ними ближче.

Хто такі бактерії?

Представники цього царства живої природи являють собою єдину групу прокаріотів - організмів, клітини яких позбавлені ядра. Але це не означає, що вони зовсім не містять спадкової інформації. Молекули ДНК вільно перебувають у цитоплазмі клітини і не оточені оболонкою. Оскільки розміри їх мікроскопічні - до 20 мкм, бактерії вивчає наука мікробіологія. Вчені з'ясували, що прокаріоти можуть бути одноклітинними або об'єднуватися в колонії. Вони мають досить примітивне будова. Крім ядра бактерії позбавлені всіх типів пластид, комплексу Гольджи, ЕПС, лізосом і мітохондрій. Але незважаючи на це, бактеріальна клітина здатна здійснювати найважливіші процеси життєдіяльності: анаеробне дихання без використання кисню, гетеротрофное і автотрофное харчування, безстатеве розмноження і утворення цисти під час переживання несприятливих умов.

Класи бактерій

В основу класифікації покладені різні ознаки. Один з них - форма клітин. Так, вібріони мають вигляд коми, коки - округлу форму. Вид спіралі мають спириллы, а палочковидну форму - бацили. Крім того, бактерії об'єднують в групи залежно від особливостей будови клітини. Справжні здатні утворювати слизову капсулу навколо власної клітини і оснащені джгутиками. Ціанобактерії або синьозелені водорості, здатні до фотосинтезу і разом з грибами входять до складу лишайників. Багато видів бактерій здатні до симбіозу - взаємовигідної співжиття організмів. Азотфіксатори поселяються на коренях бобових та інших рослин, утворюючи бульбочки. Яку функцію виконують бульбочкові бактерії, легко здогадатися. Вони перетворюють атмосферний азот, який так необхідний рослинам для розвитку.

Способи живлення

Прокаріоти є групою організмів, яким доступні всі способи харчування. Так, зелені й пурпурові бактерії харчуються автотрофно, за рахунок сонячної енергії. За рахунок наявності пластид вони можуть бути пофарбовані в різні кольори, але обов'язково містять хлорофіл. Бактеріальний і рослинний фотосинтез істотно відрізняються. У бактерій вода не є обов'язковим реагентом. Донором електронів може служити водень або сірководень, тому кисень у ході цього процесу не виділяється. Велика група бактерій живиться гетеротрофно, тобто готовими органічними речовинами. Такі організми використовують для живлення залишки відмерлих організмів і продукти їх життєдіяльності. Бактерії гниття і бродіння здатні розкладати всі відомі органічні речовини. Такі організми ще називають сапротрофами. Деякі бактерії рослин можуть утворювати симбіоз з іншими організмами: разом з грибами входять до складу лишайників, взаємовигідно співіснують з корінням бобових бульбочкові азотофіксуючі бактерії.

Хемотрофы

Ще однією групою за типом живлення є хемотрофы. Це різновид автотрофного живлення, в ході якого замість сонячної енергії використовується енергія хімічних зв'язків різних речовин. Азотофіксуючі бактерії відносяться до таких організмів. Вони окислюють деякі неорганічні сполуки, при цьому забезпечуючи себе необхідною кількістю енергії.

Азотофіксуючі бактерії: середовище

Подібним чином живляться і мікроорганізми, здатні перетворювати сполуки азоту. Їх називають азотофіксуючі бактерії. Незважаючи на те що мешкають бактерії повсюдно, середовище існування саме цього виду - грунт. А точніше, коріння бобових рослин.

Будова

Яку функцію виконують бульбочкові бактерії? Вона обумовлена їх будовою. Азотофіксуючі бактерії добре видні неозброєним оком. Поселяючись на коріннях бобових і злакових, вони проникають в рослину. При цьому утворюються потовщення, усередині яких відбувається обмін речовин. Варто сказати, що азотофіксуючі бактерії відносяться до групи мутуалистов. Їх співіснування з іншими організмами є взаємовигідним. В ході фотосинтезу рослина синтезує вуглевод глюкозу, необхідну для процесів життєдіяльності. Бактерії не здатні до такого процесу, тому готові цукру отримують від бобових. Рослинам для життя необхідний азот. Цієї речовини в природі досить велика кількість. Наприклад, вміст азоту в повітрі становить 78 %. Однак у такому стані рослини не здатні поглинати цю речовину. Азотофіксуючі бактерії засвоюють атмосферний азот і переводять його у форму, зручну для рослин.

Продуктивність

Яку функцію виконують азотофіксуючі бактерії, можна переконатися на прикладі хемотрофной бактерії азоспириллум. Живе цей організм на коренях злакових: ячменю або пшениці. Його по праву називають лідером серед продуцентів азоту. На гектар землі він здатний віддати до 60 кг цього елемента. Азотофіксуючі бактерії бобових, такі як ризобитумы, синоризобиумы та інші, також хороші "трудівники". Вони здатні збагатити гектар землі азотом масою до 390 кг. На багаторічних бобових рослинах мешкають переможці азотообразования, продуктивність яких сягає до 560 кг у розрахунку на гектар орних земель.

Процеси життєдіяльності

Всі азотофіксуючі бактерії за особливостями процесів життєдіяльності можна об'єднати в дві групи. Перша група є нитрифицирующей. Суть обміну речовин в цьому випадку полягає в ланцюжку хімічних перетворень. Амоній, або аміак, перетворюється в нітрити - солі азотної кислоти. Нітрити, у свою чергу, перетворюються в нітрати, теж є солями цього з'єднання. У вигляді нітратів азот краще засвоюється кореневою системою рослин. Друга група називається денитрификаторами. Вони здійснюють зворотний процес: нітрати, що містяться в ґрунті, перетворюють в газоподібний азот. Таким чином відбувається кругообіг азоту в природі. До процесів життєдіяльності також відносять і процес розмноження. Відбувається він шляхом ділення клітин надвоє. Набагато рідше - шляхом брунькування. Характерний для бактерій і статевий процес, який називається кон'югація. При цьому відбувається обмін генетичною інформацією. Оскільки коренева система виділяє багато цінних речовин, бактерій на ній оселяється дуже багато. Вони перетворюють рослинні залишки речовини, які здатні увібрати рослини. В результаті шар грунту навколо набуває певні властивості. Його називають ризосферой.

Шляхи проникнення бактерій в корінь

Існує кілька способів впровадження бактеріальних клітин в тканини кореневої системи. Це може статися внаслідок ушкодження покривних тканин або в місцях, де клітини кореня молоді. Зона кореневих волосків також є шляхом проникнення хемотрофов всередину рослини. Далі кореневі волоски інфікуються і в результаті активного ділення бактеріальних клітин утворюються бульбочки. Упровадилися клітини утворюють інфекційні нитки, які продовжують процес проникнення в рослинні тканини. З допомогою провідної системи бактеріальні бульбочки пов'язані з коренем. З плином часу у них з'являється особлива речовина - легоглобин. До моменту прояву оптимальної активності бульбочки набувають рожевого забарвлення (завдяки пігменту легоглобіну). Фіксувати азот здатні лише ті бактерії, які містять легоглобин.

Значення хемотрофов

Люди давно помітили, що, якщо перекопати бобові рослини з грунтом, урожай на цьому місці буде краще. Насправді суть не в процесі оранки. Така грунт більше збагачується азотом, настільки необхідне для росту і розвитку рослин. Якщо лист називають фабрикою по виробництву кисню, то азотофіксуючі бактерії можуть по праву називатися фабрикою з виробництва нітратів. Ще в 19 столітті вчені звернули увагу на дивовижні здатності бобових рослин. Через нестачу знань їх приписували тільки рослинам і не пов'язували з іншими організмами. Було висловлено припущення, що листя можуть фіксувати атмосферний азот. У ході експериментів було з'ясовано, що бобові, які виросли у воді, таку здатність втрачають. Більше 15 років це питання залишалося загадкою. Ніхто не здогадувався, що здійснюють все це азотофіксуючі бактерії, середовище перебування яких не була вивчена. Виявилося, що справа в симбіозі організмів. Тільки разом бобові і бактерії можуть виробляти нітрати для рослин. Зараз вчені виявили більше 200 рослин, які не відносяться до сімейства бобових, але здатні утворити симбіоз з азотфіксуючими бактеріями. Картопля, сорго, пшениця також володіють цінними властивостями.