Ассоциативная азотфиксация. 
Основы микробиологии

В 1974—1976 гг. бразильский ученый И. Доберейнер впервые обнаружила спиралевидные грамотрицательные аэробные (микроаэрофильные) бактерии — азоспириллы, развивающиеся в ризосфере и ризоплане тропических травянистых растений, обладающие способностью к азотфиксации и вступающие в ассоциативные взаимоотношения с растениями. Изучение таких бактерий позволило выделить среди них несколько видов: Azospirillum lipoferum, A. brasilense, A. amazonense,

A. halopraeferans.

Рост и развитие ассоциативных бактерий связаны с поступлением к ним от растений легкодоступных источников углерода и энергии в виде корневых выделений (сахаров, органических кислот и других органических веществ), а также корневого отпада и опада. Последующие наблюдения выявили, что бактерии рода Azospirillum встречаются в ризоплане различных растений и в более северной зоне, хотя доминируют в зоне южных почв.

В ризосфере небобовых растений достаточно широко распространены и азотфиксирующие бактерии родов Enterobacter, Klebsiella, Escherichia, Erwinia и Citrobacter (семейства Enterobacteriaceae). Бактерии перечисленных родов представляют собой грамотрицательные палочки, подвижные (за исключением представителей рода Klebsiella), факультативные анаэробы. Они выносят довольно низкое значение реакции среды и в большом количестве обнаруживаются под лесными насаждениями, произрастающими на подзолистых почвах. В зоне умеренного климата такие бактерии обитают под травянистыми небобовыми растениями.

Изучение микробного населения корневой системы овощных культур показало, что азотфиксация в ризоплане данных растений осуществляется главным образом факультативно анаэробными бактериями, среди которых доминируют энтеробактерии, главным образом представители рода Klebsiella. Активным азотфиксатором оказался вид Klebsiella planticola. Обнаружены азотфиксирующие виды рода Bacillus:

B. polymyxa, В. macerans, В. azotofixans (последний выявлен на корнях злаков в тропиках).

В ризосфере на корнях кукурузы, сорго и риса обнаружен новый вибриоидный организм — Herbaspirillum seropedicae, способный к фиксации азота в условиях ассоциативного симбиоза. На корнях злаковых и других небобовых растений распространены представители рода Pseudomonas, среди которых имеется ряд азотфиксаторов. Например, ассоциативный азотфиксатор Р. paucimobilis часто встречается под рисом.

Ассоциативная азотфиксация протекает практически во всех почвах в прикорневом пространстве или на корнях различных небобовых растений. Достаточно высокий уровень азотфиксации обнаружен в ризосфере тропических растений — сорго, кукурузы, сахарного тростника, паспалум и др. В почвах зоны умеренного климата азотфиксация выявлена в ризосфере разнообразных небобовых растений — зерновых, корнеи клубнеплодных, овощных культур, пастбищных и дикорастущих злаков, растений влажных и суходольных лугов, лесных трав.

При таком практически повсеместном распространении ассоциативной азотфиксации эффективность ее, определяемая деятельностью диазотрофных бактерий, далеко не одинакова под разной растительностью. Так, в хорошо окультуренных почвах под рисом азотфиксация достигает особенно высокого уровня и протекает в среднем со скоростью 45—80 кг/га азота в год, а иногда даже до 330 кг/га азота в месяц. В то же время под пшеницей и под кукурузой, культивируемыми на красноземных почвах, фиксируется соответственно около 20 и 10 кг/га азота в год.

Активность ассоциативной азотфиксации определяется количеством органических веществ — корневых выделений и корневого спада, поступающих в прикорневую зону небобовых растений. Считают, что высокая активность азотфиксации в ризосфере тропических растений (сахарного тростника, паспалума, маиса и др.) обусловлена их способностью использовать при фотосинтезе путь через дикарбоновые кислоты (С-4 путь). Этим растениям необходимо интенсивное освещение, максимальная скорость фотосинтеза у них существенно выше, чем у растений, использующих цикл Кальвина (С-3 путь), т. е. овса, пшеницы, ячменя и др. Полагают, что поскольку растения С-4 типа расходуют мало углеводов при фотодыхании, то большее количество последних может быть использовано для роста корней и увеличения корневой экссудации. Перечисленные особенности положительно сказываются на уровне ассоциативной азотфиксации. Интересно отметить, что ассоциативные бактерии Azospirillum lipoferum преимущественно развиваются в ризоплане растений с С-4 типом фотосинтеза, a Azospirillum brasilense — в ризоплане растений с С-3 типом фотосинтеза.

Уровень азотфиксации, которая протекает в почве без растений (поля под паром, междурядья и т. п.) и осуществляется благодаря деятельности свободноживущих диазотрофов, существенно ниже, чем в почве под растениями. Так, в дерново-подзолистых почвах азотфиксация под посевами злаковых растений составляет около 40 кг/га азота за вегетационный период, под картофелем — 30 кг, на участках, не занятых растениями (пар, междурядья), — только 10—13 кг/га. Обычно свободноживущие в почве бактерии, связывающие азот, используют как источник углерода и энергии пожнивные растительные остатки, а ассоциативные диазотрофы — органические вещества, выделяемые растениями в прикорневую зону в виде корневых экссудатов и корневого опада.

Количество фиксированного свободноживущими и ассоциативными бактериями молекулярного азота в дерново-подзолистой почве под сельскохозяйственными культурами может достигать в среднем не менее 30—40 кг/га азота в год. Причем основная часть азота.

(около 70%) фиксируется в процессе ассоциативной азотфиксации, которая поэтому играет большую роль в азотном питании небобовых растений.

Ассоциативная азотфиксация может также осуществляться в филлосфере или филлоплане, т. е. на поверхности растений (листьев, стеблей). Здесь обитают так называемые эпифитные бактерии, среди которых широко распространены азотфиксаторы. Доминируют бактерии семейства Enterobactenaceae, преимущественно рода Erwinia (Erwinia herbicola). Эти бактерии развиваются и фиксируют азот, используя выделения органических и минеральных соединений, главным образом углеводов и органических кислот при экзоосмосе, а также летучие органические вещества (альдегиды и пр.).

Количество азота, фиксированного ассоциативными бактериями в филлосфере растений, зависит как от вида растения, так и от ряда внешних факторов (температуры, влажности, солнечной радиации и др.). Например, в филлосфере березы продуктивность ассоциативной фиксации составляет около 9 кг/га, а в филлосфере тимофеевки — около 13 кг/га азота за вегетационный период.

Считают, что ассоциативная азотфиксация происходит в фитоплане всех небобовых растений, хотя ее эффективность различна и определяется главным образом генотипом растений.