Азотфиксирующие бактерии: среда обитания, функции

Бактерии - понятие, хорошо знакомое каждому. Получение сыра и йогурта, антибиотиков, очистка сточных вод - все это делают возможным одноклеточные бактериальные организмы. Познакомимся с ними поближе.

Кто такие бактерии?

Представители этого царства живой природы представляют собой единственную группу прокариот - организмов, клетки которых лишены ядра. Но это не значит, что они совсем не содержат наследственной информации. Молекулы ДНК свободно находятся в цитоплазме клетки и не окружены оболочкой.

Поскольку размеры их микроскопические - до 20 мкм, бактерии изучает наука микробиология. Ученые выяснили, что прокариоты могут быть одноклеточными или объединяться в колонии. Они имеют достаточно примитивное строение. Помимо ядра бактерии лишены всех типов пластид, комплекса Гольджи, ЭПС, лизосом и митохондрий. Но несмотря на это, бактериальная клетка способна осуществлять важнейшие процессы жизнедеятельности: анаэробное дыхание без использования кислорода, гетеротрофное и автотрофное питание, бесполое размножение и образование цисты во время переживания неблагоприятных условий.

Классы бактерий

В основу классификации положены разные признаки. Один из них - форма клеток. Так, вибрионы имеют вид запятой, кокки - округлую форму. Вид спирали имеют спириллы, а палочковидную форму - бациллы.

Кроме того, бактерии объединяют в группы в зависимости от особенностей строения клетки. Настоящие способны образовывать слизистую капсулу вокруг собственной клетки и оснащены жгутиками.

Цианобактерии, или синезеленые водоросли, способны к фотосинтезу и вместе с грибами входят в состав лишайников.

Многие виды бактерий способны к симбиозу - взаимовыгодному сожительству организмов. Азотфиксаторы поселяются на корнях бобовых и других растений, образуя клубеньки. Какую функцию выполняют клубеньковые бактерии, легко догадаться. Они преобразуют атмосферный азот, который так необходим растениям для развития.

Способы питания

Прокариоты являются группой организмов, которым доступны все способы питания. Так, зеленые и пурпурные бактерии питаются автотрофно, за счет солнечной энергии. За счет наличия пластид они могут быть окрашены в разные цвета, но обязательно содержат хлорофилл. Бактериальный и растительный фотосинтез существенно отличаются. У бактерий вода не является обязательным реагентом. Донором электронов может служить водород или сероводород, поэтому кислород в ходе этого процесса не выделяется.

Большая группа бактерий питается гетеротрофно, т. е. готовыми органическими веществами. Такие организмы используют для питания остатки отмерших организмов и продукты их жизнедеятельности. Бактерии гниения и брожения способны разлагать все известные органические вещества. Такие организмы еще называют сапротрофами.

Некоторые бактерии растений могут образовывать симбиоз с другими организмами: вместе с грибами входят в состав лишайников, взаимовыгодно сосуществуют с корнями бобовых азотфиксирующие клубеньковые бактерии.

Хемотрофы

Еще одной группой по типу питания являются хемотрофы. Это разновидность автотрофного питания, в ходе которого вместо солнечной энергии используется энергия химических связей различных веществ. Азотфиксирующие бактерии относятся к таким организмам. Они окисляют некоторые неорганические соединения, при этом обеспечивая себя необходимым количеством энергии.

Азотфиксирующие бактерии: среда обитания

Подобным образом питаются и микроорганизмы, способные преобразовывать соединения азота. Их называют азотфиксирующие бактерии. Несмотря на то что обитают бактерии повсеместно, среда обитания именно этого вида - почва, а точнее корни бобовых растений.

Строение

Какую функцию выполняют клубеньковые бактерии? Она обусловлена их строением. Азотфиксирующие бактерии хорошо видны невооруженным глазом. Поселяясь на корнях бобовых и злаковых, они проникают в растение. При этом образуются утолщения, внутри которых происходит обмен веществ.

Стоит сказать, что азотфиксирующие бактерии относятся к группе мутуалистов. Их сосуществование с другими организмами является взаимовыгодным. В ходе фотосинтеза растение синтезирует углевод глюкозу, необходимую для процессов жизнедеятельности. Бактерии не способны к такому процессу, поэтому готовые сахара получают от бобовых.

Растениям для жизни необходим азот. Этого вещества в природе достаточно большое количество. Например, содержание азота в воздухе составляет 78 %. Однако в таком состоянии растения не способны поглощать это вещество. Азотфиксирующие бактерии усваивают атмосферный азот и переводят его в форму, удобную для растений.

Производительность

Какую функцию выполняют азотфиксирующие бактерии, можно убедиться на примере хемотрофной бактерии азоспириллум. Живет этот организм на корнях злаковых: ячменя или пшеницы. Его по праву называют лидером среди продуцентов азота. На гектар земли он способен отдать до 60 кг этого элемента.

Азотфиксирующие бактерии бобовых, такие как ризобитумы, синоризобиумы и другие, также хорошие "труженики". Они способны обогатить гектар земли азотом массой до 390 кг. На многолетних бобовых растениях обитают победители азотообразования, производительность которых достигает до 560 кг в расчете на гектар пахотных земель.

Процессы жизнедеятельности

Все азотфиксирующие бактерии по особенностям процессов жизнедеятельности можно объединить в две группы. Первая группа является нитрифицирующей. Суть обмена веществ в этом случае заключается в цепочке химических превращений. Аммоний, или аммиак, превращается в нитриты - соли азотной кислоты. Нитриты, в свою очередь, превращаются в нитраты, тоже являющиеся солями этого соединения. В виде нитратов азот лучше усваивается корневой системой растений.

Вторая группа называется денитрификаторами. Они осуществляют обратный процесс: нитраты, содержащиеся в почве, превращают в газообразный азот. Таким образом происходит круговорот азота в природе.

К процессам жизнедеятельности также относят и процесс размножения. Происходит он путем деления клеток надвое. Гораздо реже - путем почкования. Характерен для бактерий и половой процесс, который называется конъюгация. При этом происходит обмен генетической информацией.

Поскольку корневая система выделяет много ценных веществ, бактерий на ней поселяется очень много. Они преобразуют растительные остатки в вещества, которые способны впитать растения. В результате слой почвы вокруг приобретает определенные свойства. Его называют ризосферой.

Пути проникновения бактерий в корень

Существует несколько способов внедрения бактериальных клеток в ткани корневой системы. Это может произойти вследствие повреждения покровных тканей или в местах, где клетки корня молодые. Зона корневых волосков также является путем проникновения хемотрофов внутрь растения. Далее корневые волоски инфицируются и в результате активного деления бактериальных клеток образуются клубеньки. Внедрившиеся клетки образуют инфекционные нити, которые продолжают процесс проникновения в растительные ткани. С помощью проводящей системы бактериальные клубеньки связаны с корнем. С течением времени в них появляется особое вещество - легоглобин.

К моменту проявления оптимальной активности клубеньки приобретают розовую окраску (благодаря пигменту легоглобину). Фиксировать азот способны лишь те бактерии, которые содержат легоглобин.

Значение хемотрофов

Люди давно заметили, что, если перекопать бобовые растения с почвой, урожай на этом месте будет лучше. На самом деле суть не в процессе вспахивания. Такая почва больше обогащается азотом, столь необходимым для роста и развития растений.

Если лист называют фабрикой по производству кислорода, то азотфиксирующие бактерии могут по праву называться фабрикой по производству нитратов.

Еще в 19 веке ученые обратили внимание на удивительные способности бобовых растений. Из-за недостатка знаний их приписывали только растениям и не связывали с другими организмами. Было высказано предположение, что листья могут фиксировать атмосферный азот. В ходе экспериментов было выяснено, что бобовые, которые выросли в воде, такую способность утрачивают. Более 15 лет этот вопрос оставался загадкой. Никто не догадывался, что осуществляют все это азотфиксирующие бактерии, среда обитания которых не была изучена. Оказалось, что дело в симбиозе организмов. Только вместе бобовые и бактерии могут производить нитраты для растений.

Сейчас ученые выявили более 200 растений, которые не относятся к семейству бобовых, но способны образовать симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Картофель, сорго, пшеница также обладают ценными свойствами.