Механизм биологической фиксации молекулярного азота, иммобилизация фосфора микроорганизмами — Иммобилизация фосфора микроорганизмами
Иммобилизация фосфора микроорганизмами
Биогеохимия фосфора очень сильно отличается от биогеохимии других биофильных элементов – углерода, кислорода, азота, серы. Газообразная форма этих соединений является обязательным звеном в их биогеохимии. Газовые формы соединений фосфора, например, РН3, в его биогеохимическом круговороте почти не представлены. Однако значение фосфора в жизни всех живых организмов очень велико. Без фосфора нарушается состав тканей мозга, скелета, панцирей, энергетика клетки, становится невозможным процесс биосинтеза белка. Соединения фосфора играют огромнейшую роль в жизнедеятельности всех организмов, отдельных экосистем и биосферы в целом. Являясь таким же облигатным биогенным элементом, как углерод, кислород, азот, фосфор вовлекается в биогеохимический круговорот совместно с этими элементами.
Проблема обеспечения растений фосфором может решаться разными путями. Один из них – использование жизнедеятельности почвенных микроорганизмов для повышения усвояемости растениями фосфатов почв и удобрений. Некоторые микроорганизмы, в особенности микоризные грибы и некоторые ризобактерии, способны усиливать поступление фосфора в растение. Бактерии могут использовать две системы повышения концентрации экзогенного фосфата:
— за счет гидролиза органических фосфатов под действием фосфатаз;
— путем растворения минеральных фосфатов за счет продукции кислот.
Еще в начале века было установлено, что некоторые почвенные микроорганизмы способны при наличии доступного органического вещества растворять фосфаты кальция. В разных типах почв микроорганизмы, способные растворять фосфаты кальция, могут составлять 5 – 95% от общей численности микробов, причем корреляция между их количеством в почве и ее механическим составом, кислотностью, содержанием гумуса, азота, фосфора не обнаружена.
Так, изучение почв Приморья показало, что фосфатрастворяющие микроорганизмы были выделены из всех исследуемых почв. Количественно они составляют 13-50% от общей численности, высокая численность фосфатрастворяющих микроорганизмов свойственна только верхним горизонтам. Вниз по профилю она резко падает. Численность микроорганизмов растворяющих железофосфаты, в 4-5 раз больше, чем микроорганизмов, растворяющих алюмофосфаты. Микроорганизмы способны растворять даже такой стойкий фосфорсодержащий минерал, как фторапатит, благодаря образованию органических кислот. Но подкисление не единственный, хотя, по-видимому, главный механизм биологической мобилизации фосфора кальциевых фосфатов.
Большой интерес представляет работа С.И. Воронова (1966), установившего по данным стерильных опытов на кварцевом песке, что мобилизация Р2О5фосфоритов бактериями, растворяющими фосфаты, происходит не вследствие подкисления среды, а является результатом других процессов.
В зависимости от кислотности среды, создаваемой физиологически кислыми солями, происходит накопление углекислорастворимого Р2О5 . Максимальное накопление было отмечено в варианте с сульфатом аммония при наибольшем подкислении среды. С уменьшением кислотности снижается содержание углекислорастворимого Р2О5. Бактерии, растворяющие фосфаты, не изменяют кислотности среды, но способствуют расщеплению фосфорита. За первые 10 дней они усиленно размножались, усваивая растворенный Р2О5 .В этот период наблюдалось резкое снижение Р2О5 , в дальнейшем его содержание резко возросло и через 28 дней достигло 50 мг на 1г фосфорита.
Влияние бактерий на динамику накопления углекислорастворимого Р2О5 отмечено и при нейтрализации среды СаСО3 с доведением рН до 7,3. В период инкубирования заметного изменения рН не наблюдалось, однако, растворение фосфорита было значительным. Так через 21 день содержание Р2О5 достигло – 21,8 мг на 1 г фосфорита, в контроле оно составило – 12,25 мг/1 г.
Существует немало органических веществ, продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, которые связывают кальций сильнее, чем фосфорная кислота. В частности, многие органические соединения (кислоты, сахара) образуют с кальцием недиссоциирующие хелатные комплексы. Если поместить фосфат кальция в раствор такого вещества, то кальций будет им связываться, а фосфор освобождаться и переходить в раствор, который может быть при этом нейтральным и даже щелочным.
Гораздо устойчивее к растворению, чем фосфаты кальция, фосфаты железа и алюминия. В отличие от фосфатов кальция они стойки при умеренно кислой реакции среды. Именно поэтому такие соединения накапливаются в кислых почвах.
В красноземной почве с высоким содержанием окислов алюминия и железа фосфатрастворяющие микроорганизмы (бактерии и грибы) были обнаружены под всеми изученными субтропическими культурами (чайный куст, лавр благородный, мандарин) причем их численность и видовой состав были различны. Наибольшее количество фосфатрастворяющих микроорганизмов обнаружено на мандариновых плантациях.
Микроорганизмы способные к растворению фосфатов полуторных окислов, распространены также в южном и выщелоченном черноземах, лугово-черноземной, серой лесной, дерново-подзолистой почвах Западной Сибири. Результаты опытов показали, что максимальное количество фосфора, которое могло быть в течение 10-24 суток переведено в раствор из фосфата железа (внесено 252 мг Р/л), составило для Neocosmopora vasinfecta — 66,1%, Penicillum luteum – 44,4%, Penicillum purpurogenum – 38,8%, а из такого же количества фосфата алюминия составило для Acpergillus niger – 85,4% и Р.fluarescens – 67,1%.
Зависимость между рН среды и интенсивностью растворения микроорганизмами фосфатов алюминия и железа в этих опытах отсутствовала. В целом ортофосфаты алюминия несколько легче растворялись под воздействием продуктов жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, чем фосфаты железа.
По-видимому, для растворения фосфатов железа и алюминия наибольшее значение имеет механизм, основанный на связывании катионов микробными метаболитами. Процесс растворения минеральных фосфатов в почве не имеет специфических “возбудителей” может вызываться деятельностью самых разных представителей почвенных микроорганизмов.
Другая большая группа почвенных фосфатов, малодоступных растениям – органические соединения. Среди почвенных органофосфатов важное место занимает фитин, точнее, соли фитиновой кислоты, в силу их особой стойкости. В 1975 году Муромцевым и Самойловой впервые были описаны микроорганизмы (бактерии и грибы), способные к растворению фитатов кальция, железа и алюминия. Было показано их широкое распространение в почвах СССР, где они составляют от 1 до 50% от общей численности микроорганизмов при выделении на плотной глюкозо-аспарагиновой среде.
При изучении микрофлоры корней пшеницы были обнаружены бактерии, способные использовать фосфор из органических фосфатных соединений. В результате работы было установлено что способностью использовать фосфор из органических соединений обладают представители 14 видов микроорганизмов, но не все штаммы данного вида имеют это свойство. Так, из 8 культур Bacillus agile denitrificans две способны расти на среде без растворимого фосфора; из 7 культур Pseudomonas liquida – одна, из 16 Ps. Radiobacter – 6; из 13 культур Ps. Fluorescens и Ps. Zelinckii четыре; из 8 Chromobacterium denitrificans – 1; Mycobacterium luteum – 1; из двух культур Proactinomyces albicans – 1.
Механизм растворения микроорганизмами ортофосфатов и фитатов по-видимому одинаков. И в том и в другом случаях соли кальция растворяются в первую очередь при подкислении среды, а соли железа и алюминия – в результате конкурентного связывания металлов продуктами жизнедеятельности микроорганизмов. Однако в случае фитатов одного растворения недостаточно – ортофосфат должен быть отщеплен от органической части молекулы инозита. Полученные данные позволили сформулировать концепцию двухфазности микробиологической мобилизации фосфора фитатов, наиболее распространенных органофосфатов почвы:
— первая фаза (неспецифическая) – растворение фитатов кальция, железа, алюминия – весьма сходна с растворением аналогичных минеральных фосфатов и может осуществляться разнообразными микроорганизмами;
— вторая фаза (специфическая) – ферментативное разрушение водорастворимых фитатов с высвобождением ортофосфата. Как показали эти исследования, эта фаза осуществляется в разных почвах (подзолистый чернозем, серозем, краснозем) специфической группой микроорганизмов, среди которых ведущую роль играют Agrobacterium tumefascins и Fusarium sp.
Для оценки эффективности минерального фосфорного питания растений, вышеописанных мобилизующих процессов важно учесть следующее. Свободные минеральные фосфаты (в первую очередь ортофосфаты) активно связываются в почве, и срок их существования там должен быть велик. Соответственно невелики шансы, что эти растворимые фосфаты успевают достигнуть корня, если процесс произошел в некотором отдалении от него. Правда, и в этом случае, замена стойких первичных фосфатов на свежеосажденные – процесс, безусловно, положительный.
Картина радикально изменяется, если эти процессы происходят в ризосфере, активной прикорневой зоне почвы. Здесь действует градиент движения растворенных питательных минеральных элементов из почвы в корень, и есть основание считать, что фосфор, освобожденный ризосферной микрофлорой, может быть использован растениями. Тем более, что в ризосфере сравнительно много доступного для микроорганизмов органического вещества (корневые остатки и выделения), необходимого для осуществления описанных процессов.
Исследователи, изучающие динамику фосфора в почве, стали обращать внимание на связь процессов мобилизации фосфора труднодоступных фосфатов с динамикой содержания органического вещества в почве. Разнообразные органические вещества – продукты жизнедеятельности микроорганизмов, могут образовывать с кальцием, железом и алюминием соединения, более устойчивые, чем фосфаты соответствующих оснований. В этом случае реакция между труднорастворимыми фосфатом и органическим соединением будет идти в одну сторону; с образованием недиссоциирующего органометаллического комплекса и выделением в почвенный раствор эквивалентного количества фосфата.
Такими органическими веществами являются анионы различных карбо- и аминокислот, некоторые сахара, а также гумус и лигнин. Среди наиболее активных анионов отличаются цитрат, тартрат и оксалат, кроме того, на интенсивное растворение фосфатов железа и алюминия оказывают анионы изоаскорбиновой, галловой и муциновой кислот. Эти же анионы, в основном ди-, трикарбоновых кислот (сюда же относятся яблочная и янтарная кислоты), дают трудно растворимые соединения с кальцием.
Если по отношению к рН растворимость фосфатов кальция и фосфатов железа и алюминия в чистых растворах не одинакова, то при взаимодействии с анионами органических кислот между ними обнаруживается большое сходство, а именно, интенсивное растворение в присутствии солей лимонной, щавелевой, винной и некоторых других. С одной стороны, сохраняет свое значение непосредственное воздействие Н+ и ОН— ионов на фосфат, а с другой рН будет в большей степени определять устойчивость органометаллического комплекса.
Например, при повышении рН с 3,4 до 6,3 растворимость фосфатов железа и алюминия повысилась при взаимодействии с цитратом и понизилась при взаимодействии с тартратом. Это связано с тем, что цитраты железа и алюминия устойчивы при более высоких значениях рН, чем тартраты этих металлов. Отсюда вытекает, что при наличии в среде специфических органических веществ, в частности анионов некоторых органических кислот, растворение фосфатов кальция, железа и алюминия может происходить при любом значении рН, в зависимости от природы образующегося органометаллического комплекса. Это позволяет объяснить процесс растворения фосфатов кальция почвенными микроорганизмами при самых различных значениях рН. Продукты жизнедеятельности бактерий образуют соединения, не диссоциирующие в тех или иных зонах рН, при этом высвобождается соответствующее количество фосфора.
Схематически этот процесс можно представить так:
Ме–фосфат (осадок) + В ® Ме-В (осадок или комплекс) + фосфат,
где В – продукт жизнедеятельности микроорганизмов; образующий с кальцием, железом и алюминием не диссоциирующий комплекс или осадок.
Наибольшее количество фосфата будет переходить в раствор в том диапазоне рН, при котором данное органометаллическое соединение наиболее растворимо.
Широко распространенное, мнение о почве как о субстрате, подобии питательной среды, которую можно заселить любыми микроорганизмами, глубоко неверно. Заселение микробами отдельных участков (как было показано, часто очень мелких) может иметь место в течение непродолжительного времени. Затем вступают в действие регуляторные механизмы, и популяции «пришельцев» оказываются сведенными к минимуму. Настойчивые попытки на протяжении многих лет применить бактеризацию (внесение) почвы микроорганизмами с полезными для растений свойствами (фиксаторов азота, активных минерализаторов фосфорсодержащих веществ) оказались неуспешными, однако практическая важность использования эффективной способности микроорганизмов мобилизовывать многие элементы минерального питания обеспечивают большой интерес к этой проблеме.
До последнего времени исследования мобилизации фосфатов алюминия и железа не проводились из-за отсутствия эффективных методов выделения активных культур. Метод, разработанный Муромцевым и Павловой (1975) открыл широкие возможности для выделения микроорганизмов, растворяющих фосфаты алюминия и железа. Применение этого метода позволило впервые выделить из разных типов почв (дерново-подзолистой, красноземной, сероземной и черноземной) микроорганизмов, способных растворять фосфаты полуторных окислов. Их численность составляет от 1 до 40% от общего количества микроорганизмов, учитываемых при высеве почвенной суспензии на агаризованную глюкозо – аспарагиновую среду.
