Азотофиксирующие бактреии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Факультет технологии пищевых  производств

Кафедра промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности

 

 

 

 

 

 

 

 

                           Семестровая работа

                   По дисциплине: Микробиология

                Тема: Азотофиксирующие бактерии

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили:

Студентка группы ПП-252

Полицеймако К.А.

Проверил:

                                                                       Преподаватель

                                                  Колотова О.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

                                             Волгоград 2013

 

                                                    Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

1.Общие сведения……………………………………………………………….4

2.Клубеньковые бактерии бобовых ……………………………………………7

2.1 Морфология и физиология клубеньковых бактерий……………………...9

3.Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы………………….12

3.1. Азотобактер (AZOTOBACTER)………………………………….………12

3.2. Бейеринкия (BEIJERINCKIA)……………………………….………….18

3.3.Клостридиум  (CLOSTRIDIUM)……………………………………...….19

4. Другие роды  азотфиксирующих бактерий……………………………….22

Заключение………………………………………………………………….…26

Список литературы……………………………………………………………..27

 

 

 

 

 

 

                                                           Введение

 

    Воздух нашей планеты на 78% состоит из молекулярного азота. Азот как элемент необходим всем живым организмам для существования: он входит в состав почти всех биологических макромолекул. Однако первое звено во всех пищевых цепях – растения – не способны связывать молекулярный азот из воздуха. Природа – гениальный «нанотехнолог». Она создала целую группу самых разнообразных бактерий, которые способны переводить молекулярный азот (N2) в биологически доступный (соединения аммония) [3].

    Значение существования на Земле азотфиксирующих бактерий очень сложно переоценить. Это – одна из основ жизни на нашей планете. Они относятся к различным таксономическим группам, но объединены именно по признаку способности усваивания атмосферного азота и перевода его в аммонийную форму. В данном реферате мы рассмотрим значение существования азотофиксирующих бактерий, их роль в природе, а также познакомимся с наиболее важными видами.

 

1. Общие сведения

В земной коре общее содержание азота (молекулярного и в виде соединений) достигает 0,04% (по массе). Основная масса азота на Земле находится в атмосферном воздухе; 78% воздуха — чистый молекулярный азот. В количественном выражении это составляет 4*10¹⁵ т.

Ни человек, ни животные, ни растения не могут потреблять молекулярный азот, которым изобилует воздушный океан. Столб воздуха над одним гектаром земной поверхности содержит 80 000 т азота. Если бы растения могли его усваивать, этого запаса было бы достаточно для получения 30 ц зерновых с 1 га в течение более полумиллиона лет. Однако растениям нужен азот минеральных соединений, и, «купаясь» в молекулярном азоте, они могут испытывать «азотный голод» [5].

Содержание доступного растениям азота в почве обычно невелико. Поэтому повышение урожайности сельскохозяйственных растений связано в первую очередь с улучшением их азотного питания.

По примерным подсчетам, для сельскохозяйственной продукции  земного шара требуется ежегодно около 100 —110 млн. т азота. С минеральными удобрениями вносится лишь около 30% азота.

Дефицит азота в значительной степени компенсируется биологическим  путем, в основном за счет запаса азота, аккумулированного в почве микроорганизмами, в первую очередь азотфиксирующими.

К 2000 г. на Земле будет  вырабатываться в год примерно 100 млн.т азотных удобрений. Следует думать, что урожаи к этому времени удвоятся и будут выносить из почвы до 200 млн. т азота. Следовательно, и тогда роль микробиологического фактора в азотном обеспечении сельскохозяйственных растений останется весьма значительной [1].

 

Признавая, таким образом, несомненную необходимость химизации  земледелия, нельзя забывать о возможности  и целесообразности самого широкого использования биологического азота. Это связано и с улучшением кормовой базы, так как симбиотические азотфиксаторы обеспечивают животноводство дешевым белковым кормом (люцерна, клевер и другие виды бобовых культур).

Выдающийся русский  ученый, основатель советской агрохимии  Д. Н. Прянишников отметил, что, как  бы ни было высоко развито производство минеральных удобрений, никогда не следует забывать о целесообразности использования биологического азота [6].

В ряде районов черноземной  зоны, где почвы возделываются  уже более 300 лет, вполне удовлетворительные урожаи получают и без внесения минеральных удобрений. По расчетам же, за это время почвы должны были бы потерять весь находящийся в них азот. В том, что этого не происходит, заслуга азотфиксаторов.

Существуют две группы фиксирующих атмосферный азот микроорганизмов. Одна из них находится в симбиозе с высшими растениями, образуя клубеньки на корнях. К этой группе относятся клубеньковые бактерии. Микроорганизмы другой группы обитают в почве независимо от растений. К ним относятся азотобактер, клостридиум, бейеринкия и другие свободно-живущие микроорганизмы. Потенциальные возможности симбиотических азотфиксаторов значительно выше, чем свободноживущих [3].

 

                          2.Клубеньковые бактерии бобовых

Данные палеонтологии  свидетельствуют о том, что самыми древними бобовыми культурами, имевшими клубеньки, были некоторые растения, принадлежащие к группе Eucaesalpinioideae. У современных видов бобовых растений клубеньки обнаружены на корнях многих представителей семейства Рарilijоnасеае.

Филогенетически более  примитивные представители таких семейств, как Caesalpiniaceae Mimosaceae, в большинстве случаев клубеньков не образуют.

Из 13 000 видов (550 родов) бобовых  растений наличие клубеньков выявлено пока только приблизительно у 1300 видов (243 рода). Сюда в первую очередь относятся  виды растений, использующиеся в сельском хозяйстве (более 200) [3].

Сформировав клубеньки, бобовые растения приобретают способность  усваивать атмосферный азот. Однако они способны питаться и связанными формами азота — солями аммония  и азотной кислоты. Лишь одно растение — копеечник (Hedysarum coronarium) — ассимилирует только молекулярный азот. Поэтому без клубеньков в природе это растение не встречается.

Клубеньковые бактерии снабжают бобовое растение азотом, который фиксируют из воздуха. Растения же, в свою очередь, поставляют бактериям продукты углеводного обмена и минеральные соли, необходимые им для роста и развития [1].

 

В 1866 г. известный ботаник  и почвовед М. С. Воронин увидел в клубеньках на корнях бобовых растений мельчайшие «тельца». Воронин выдвинул смелые для того времени предположения: он связал образование клубеньков с деятельностью бактерий, а усиленное деление клеток ткани корня с реакцией растения на проникшие в корень бактерии.

20 лет спустя голландский  ученый Бейеринк выделил из  клубеньков гороха, вики, чины, фасоли, сераделлы и лядвенца бактерии  и изучал их свойства, проверив  способность заражать растения  и вызывать образование клубеньков. Он назвал эти микроорганизмы Bacillus radicicola. Поскольку к роду Bacillus относятся бактерии, образующие споры, а клубеньковые бактерии лишены этой способности, А. Пражмовский переименовал их в Bacterium radicicola. Б. Франк предложил более удачное родовое название клубеньковых бактерий — Rhizobium (от греч. rhizo — корень, bio — жизнь; жизнь на корнях). Это название привилось и используется в литературе до сих пор [6].

Для обозначения вида клубеньковых бактерий принято к  родовому названию Rhizobium добавлять термин, соответствующий латинскому названию того вида растения, из клубеньков которого они выделены и на котором могут образовывать клубеньки. Например, Rhizobium trifolii — клубеньковые бактерии клевера, Rhizobium lupini — клубеньковые бактерии люпина и т. д. В тех случаях, если клубеньковые бактерии способны образовывать клубеньки на корнях разных видов бобовых растений, т. е. вызывать так называемое перекрестное заражение, видовое название является как бы собирательным — в нем отражена именно эта «перекрестно заражающая» способность. Например, Rhizobium leguminosarum — клубеньковые бактерии гороха (Pisum), чечевицы (Lens), чины (Lathyrus) [5].

 

                    2.1 Морфология и физиология клубеньковых бактерий

Для клубеньковых бактерий характерно поразительное разнообразие форм — полиморфность. На это обращали внимание многие исследователи, изучая клубеньковые бактерии в чистой культуре в лабораторных условиях и почве. Клубеньковые бактерии могут быть палочковидными и овальными. Среди этих бактерий встречаются также фильтрующиеся формы, L-формы, кокковидные неподвижные и подвижные организмы.

Молодые клубеньковые бактерии в чистой культуре на питательных  средах обычно имеют палочковидную  форму, размер палочек примерно 0,5—0,9 X 1,2—3,0 мкм, подвижные, размножаются делением. У палочковидных клеток клубеньковых бактерий клевера наблюдается деление перешнуровыванием. С возрастом палочковидные клетки могут переходить к почкованию. По Граму клетки окрашиваются отрицательно, ультратонкая структура их типична для грамотрицательных бактерий [2].

При старении клубеньковые бактерии теряют подвижность и переходят  в состояние так называемых опоясанных палочек. Такое название они получили вследствие чередования в клетках  плотных и неплотных участков протоплазмы. Полосатость клеток хорошо выявляется при просмотре в световом микроскопе после обработки клеток анилиновыми красителями. Плотные участки протоплазмы (пояски) прокрашиваются хуже, чем промежутки между ними. В люминесцентном микроскопе пояски светло-зеленые, промежутки между ними не светятся и выглядят темными. Пояски могут располагаться в середине клетки или на концах. Опоясанность клеток видна и на электроннограммах, если препарат перед просмотром не обрабатывать контрастирующими веществами. Вероятно, с возрастом бактериальная клетка наполняется жировыми включениями, не воспринимающими окраску и вследствие этого обусловливающими исчерченность клетки. Стадия «опоясанных палочек» предшествует стадии формирования бактероидов — клеток неправильной формы: утолщенных, разветвленных, сферических, грушевидных и колбовидных. Термин «бактероиды» ввел в литературу Дж. Брунхорст в 1885 г., применив его к необычным по форме образованиям, значительно более крупным, чем палочковидные клетки бактерий, встречающимся в тканях клубеньков.

Бактероиды содержат большее количество волютиновых  гранул и характеризуются более  высоким содержанием гликогена  и жира, чем палочковидные клетки. Бактероиды, выращенные в искусственных  питательных средах и образовавшиеся в тканях клубенька, физиологически однотипны. Есть мнение, что бактероиды — это формы бактерий с незавершенным процессом деления. При незавершенном делении клеток клубеньковых бактерий возникают дихотомически ветвящиеся формы бактероидов. Количество бактероидов увеличивается при старении культуры; их появлению способствуют истощение питательной среды, накопление продуктов обмена, внесение в среду алкалоидов [2].

В старых (двухмесячных) культурах клубеньковых бактерий с  помощью электронного микроскопа можно  выявить во многих клетках четко очерченные образования сферической формы — артроспоры. Их количество в клетках варьирует от 1 до 5.

На питательных средах клубеньковые бактерии различных видов  бобовых растений растут с разной скоростью. К быстрорастущим относятся  клубеньковые бактерии гороха, клевера, люцерны, кормовых бобов, вики, чечевицы, чины, донника, пажитника, фасоли, нута, лядвенца; к медленнорастущим — клубеньковые бактерии люпина, сои, арахиса, сераделлы, маша, вигны, эспарцета, дрока. Вполне сформировавшиеся колонии быстрорастущих культур можно получить на 3 — 4-е сутки инкубации, колонии медленнорастущих — на 7 - 8-е.

Для быстрорастущих клубеньковых бактерий характерно перитрихиальное  расположение жгутиков, для медленнорастущих — монотрихиальное.

Кроме жгутиков, у клеток клубеньковых бактерий при выращивании на жидких средах образуются нитевидные и четковидные выросты. Длина их достигает 8 —10 мкм. Они обычно располагаются на поверхности клетки перитрихиально, содержится их от 4 до 10 и больше на одну клетку [4].

Колонии быстрорастущих клубеньковых бактерий имеют цвет топленого молока, часто полупрозрачные, слизистые, с ровными краями, умеренно выпуклые, со временем разрастаются на поверхности агаризованной среды. Колонии медленнорастущих бактерий более выпуклые, мелкие, сухие, плотные и, как правило, не разрастающиеся на поверхности среды. Слизь, вырабатываемая клубеньковыми бактериями, представляет собой комплексное соединение полисахаридного типа, в состав которого входят гексозы, пентозы и уроновые кислоты.

Клубеньковые бактерии — микроаэрофилы (развиваются при незначительных количествах кислорода в среде), предпочитающие, однако, аэробные условия.

Многие виды клубеньковых бактерий способны синтезировать витамины группы В, а также ростовые вещества типа гетероауксина (бета-индолилуксусная кислота).