Другие свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы

К семейству Azotobacteriaceae относят и азотфиксирующих бактерий рода Azomonas — A. agilis, A. insignis и A. macrocytogenes. Первые два вида обитают в водоемах, третий — в почвах. Виды Azomonas близки к азотобактеру, отличаются от него рядом морфологических и физиологических особенностей. Для A. agilis характерны относительно крупные, овальные клетки с перитрихальным жгутикованием, для A. insignis.

также крупные, но более округлые клетки, с полярными или лофотрихальными жгутиками, для A. macro су to genes — клетки размером 8—10 мкм с одним полярным жгутиком. Образуют колонии с розоватым пигментом, который флуоресцирует в ультрафиолетовых лучах.

Представители рода Azomonas — аэробы. В отличие от азотобактера они могут расти и фиксировать азот при pH 4,6—6,9 и даже 4,3. Источник углерода для этих бактерий — углеводы, спирты, органические кислоты. Достаточно эффективно виды Aczomonas связывают азот атмосферы (до 15—18 мг N₂ на 1 г использованного сахара). Распространены в тропических почвах.

К этому же семейству относятся и бактерии рода Beijerinckia, близкие по свойствам к азотобактеру. От азотобактера они отличаются значительной кислотоустойчивостью, кальцифобностью и некоторыми другими свойствами. Они могут расти и фиксировать азот даже в среде с pH 3,9. Аэробы.

Впервые бактерии рода Beijerinckia выделены из кислых тропических почв (pH 4,5—5,2) Малайзии, Бангладеш и Бирмы. Описан ряд видов бактерий данного рода — В. indica, В. mobilis, В. fluminensis, В. derxii.

Клетки Beijerinckia могут быть палочковидной, овальной или круглой формы. У одних видов клетки подвижны, у других — неподвижны. Иногда наблюдается образование капсул. Цисты и эндоспоры отсутствуют.

Большинство культур бактерий рода Beijerinckia формируют на безазотистой среде с глюкозой выпуклые, блестящие, нередко складчатые слизистые колонии вязкой консистенции. При старении колонии окрашиваются в красноватый или темно-коричневый цвет. В отличие от азотобактера виды Beijerinckia не усваивают ароматические соединения и хуже ассимилируют органические кислоты. При развитии на среде с углеводами накапливаются кислые продукты (уксусная и другие органические кислоты).

Бактерии рода Beijerinckia менее требовательны по сравнению с азотобактером к концентрации фосфорных соединений в среде. Даже небольшие дозы соединений кальция тормозят рост представителей данного рода. Они значительно менее, чем азотобактер, чувствительны к повышенной концентрации солей железа и алюминия, нуждаются в молибдене, но также довольствуются меньшими его дозами. Эти свободноживущие азотфиксаторы фиксируют 18—20 мг азота на 1 г использованного сахара.

Бактерии рода Beijerinckia широко распространены в кислых почвах субтропической и тропической зон. Реже встречаются в почвах зоны умеренного климата. В окультуренных кислых почвах содержится больше клеток Beijerinckia, чем в целинных. Целинные луговые почвы богаче бактериями рода Beijerinckia, чем лесные.

К свободноживущим фиксаторам молекулярного азота семейства Azotobacteriaceae относятся также виды рода Derxia, выделенные из почв Индии с pH 6,5. Это медленно растущие на безазотистых средах палочковидные бактерии со слизистыми капсулами, обладающие на определенной стадии развития жгутиками. Колонии могут быть пленочными или слизистыми, при старении приобретают желтоватокоричневый цвет. Derxia используют различные источники углерода — моно-, ди-, полисахариды, спирты, органические кислоты, в среде без азота фиксируют 12—15 мг Ы₂на 1 г использованного сахара.

Представитель данного рода — Derxia gummosa — развивается в почвах с pH 4,5—6,5, однако лучше растет при pH 5,1—5,5. Виды данного рода распространены в почвах тропической зоны — Индии, Индонезии, тропической Африки, Южной Америки.

До половины XX в. считали, что связывать молекулярный азот могут лишь отдельные специализированные виды микроорганизмов, относящиеся в основном к родам Clostridium и Azotobacter. Однако положение существенно изменилось, когда для выявления азотфиксаторов вместо метода Кьельдаля стали использовать изотропный метод (¹⁵N₂), а также ацетиленовый метод (реакция восстановления ацетилена в этилен), выявляющий у бактерий нитрогеназу — ферментный комплекс, обеспечивающий фиксацию молекулярного азота. Последний метод более чем в 10⁵ раз чувствительнее метода Кьельдаля и в 10³ раз — метода изотопных индикаторов (¹⁵N₂).

В результате применения новых методов было установлено, что функция фиксации молекулярного азота присуща и многим другим микроорганизмам: фототрофным бактериям, цианобактериям, хемолитоавтотрофным бактериям, метилотрофным, сульфатвосстанавливающим, метаногенам и др. Известно уже более ста видов микроорганизмов, обладающих способностью к фиксации азота атмосферы.

В воде рисовых полей, в различных водоемах распространены азотфиксирующие анаэробные фототрофные пурпурные серобактерии (Chromatium, Thiocapsa, Thiocystis и др.), пурпурные несерные бактерии (Rhodospirillum, Rhodopseudomonas и др.) и зеленые серобактерии {Chlorobium, Pelodictyon и др.).

Аэробные цианобактерии, обладающие гетероцистами (клетки с толстой клеточной стенкой), способны фиксировать N₂. Среди них преобладают представители родов Nostoe, Anabaena, Calothrix, Cylindrospermum, Tolypothrix, Scytonema и др. В почвах обнаружено более 130 видов гетероцистных форм цианобактерий. Наиболее широко распространены в почвах представители рода Nostoe.

Усвоение молекулярного азота у цианобактерий происходит в гетероцистах, т. е. в клетках, куда ограничен доступ кислорода. Однако ферментный аппарат, связывающий N₂, обнаружен и в вегетативных клетках. Это дало основание для поиска негетероцистных азотфиксирующих форм. В последнее время они найдены — это представители родов Synechocystis, Synechococcus, Chroococcidiopsis, Oscillatoria, Lyngbya, Microcoleus, которые, не обладая гетероцистами, могут связывать N₂.

Цианобактерии распространены во всех почвенно-климатических зонах, однако лучше развиваются в почвах с нейтральной реакцией среды. Поэтому численность и видовой состав описываемых азотфиксаторов значительно возрастают в нейтральных почвах южной зоны. Отдельные виды приурочены к определенным местам обитания. Многие цианобактерии живут в симбиозе с другими растительными организмами, например с грибами, образуя лишайники. Адаптируясь к местным условиям, эти бактерии приобрели способность фиксировать азот при температуре, близкой к О °С; иногда азотфиксация происходит даже при -5 °С, оптимальная температура для процесса 15—20 °С.

Некоторые цианобактерии способны фиксировать азот в симбиозе с высшими растениями. Так, у водного папоротника Azolla, который растет на поверхности затопленных рисовых полей, в полостях листьев обитает АпаЪаепа azollae. Накопление азота в почве в результате симбиоза АпаЪаепа с Azolla может достигать 300 кг/га в год. Подобного рода симбиоз обнаружен между печеночниками (Blasia pusilla, Anthoceros punctatus, Peltigera sp.) и Nostoc. В нижней части ствола, в специальных железах у мест отхождения листовых черешков тропического кустарника Gunnera macrophylla обитают симбиотические азотфиксирующие цианобактерии Nostoc punctiforme. Данный вид имеет гетероцисты и синтезирует нитрогеназу.

Наибольшее значение фототрофные анаэробные бактерии и цианобактерии имеют главным образом в переувлажненных и затопленных почвах (болота, рисовники и т. д.), где они могут связывать до 20—50 кг/га азота в год.

В затопляемых почвах рисовых полей при разложении растительных остатков образуются газообразные соединения — Н₂, СН₄, С0₂, которые могут служить источниками энергии для некоторых азотфиксирующих бактерий. Например, Corynebacterium autotrophicum окисляет водород и ассимилирует С0₂, т. е. способна к хемолитоавтотрофии и одновременно к фиксации азота атмосферы.

Способность к азотфиксации имеется и у метилотрофных бактерий родов Methylomonas, Methylobacterium и Methylococcus, которые в аэробных условиях могут жить, окисляя только метан или метиловый спирт. Известны анаэробные сульфатвосстанавливающие бактерииазотфиксаторы, относящиеся к родам Desulfotomaculum и Desulfovibrio. Такие бактерии широко распространены в водоемах и почвах, где в анаэробных условиях идет микробное разложение растительных и животных остатков. Выделены, описаны и многие другие свободноживущие азотфиксирующие бактерии.

Суммарная деятельность свободноживущих бактерий в природных субстратах, в частности в почвах, приводит к накоплению азота. Так, в пахотные почвы зоны умеренного климата за счет свободноживущих азотфиксаторов ежегодно поступает от 26 до 86 кг/га азота в год, в почвы тропической зоны — до 100 и более. Считают, что в среднем в пахотных почвах России свободноживущие азотфиксаторы связывают до 20 кг/га азота в год.