Факультет

Студентам

Посетителям

Условия азотфиксации почвенных водорослей

Этот вопрос изучается преимущественно на чистых культурах, хотя учитываются и наблюдения, проведенные в природе.

В связи с тем что фиксация азота у Cyanophyta, как и у других азотфиксаторов, идет параллельно с ростом (Fogg, 1956а), нелегко разграничить факторы среды, действующие на рост и оказывающие специфическое влияние на процесс азотфиксации.

Углеродное питание. Азотфиксирующие синезеленые являются фототрофами и могут жить на чисто минеральных средах. Вместе с тем некоторые синезеленые способны к усвоению органических

веществ и к росту в темноте. Степень миксотрофности различна. Так, эндофитный симбионт саговников Anabaena cycadeae растет гетеротрофно в темноте на различных сахарах, но фиксирует азот только в присутствии глюкозы. Nostoc muscorum способен расти в темноте в присутствии глюкозы, но много слабее, чем на свету.

Однако другой штамм N. muscorum, Anabaena cylindrica и многие другие виды оказались облигатными фототрофами. В опытах Аллен гетеротрофный рост большинства испытанных видов был очень медленным; они сохраняли окраску в темноте, но не размножались; только несколько видов, в том числе Nostoc muscorum, росли на агаре с глюкозой. В работе Киохара с соавторами показано, что Tolypothrix tenuis мог расти гетеротрофно в полной темноте при наличии органических веществ как источника углерода и азота, однако скорость роста была ниже, чем в автотрофных условиях. Оказалось, что на свету Т. tenuis способен ассимилировать экзогенную глюкозу и превращать ее в клеточные углеводы; в темноте он может использовать глюкозу только как энергетический, но не как строительный материал. Chlorogloeopsis fritschii после 14 недель инкубации в темноте обнаружила хороший рост на сахарозе (с нитратом и без него) и на глюкозе (только с нитратом).

Свет. Большинство исследованных видов синезеленых фиксирует азот только на свету. Это доказано для Anabaena variabilis, Nostoc spongiaeforme, Hapalosiphon fontinalis и Calothrix elenkinii. По данным Эллисона, штамм Nostoc muscorum, способный жить гетеротрофно, фиксировал азот в темноте, хотя и значительно медленнее, чем на свету. Точно так же Cylindrospermum sphaerica был способен к накоплению азота в темноте, особенно в присутствии сахара, но значительно слабее, чем на свету. У Chlorogloeopsis fritschii в темноте на чисто минеральной среде азотфиксации ограничена. Добавление ряда органических соединений, особенно сахарозы, увеличивало способность к росту и азотфиксации в темноте, однако одновременное внесение нитратов намного улучшало рост. Anabaena cylindrica — облигатный фототроф, но способна фиксировать азот в течение короткого времени после наступления темноты.

В последнее время были получены мутанты автотрофных азотфиксирующих видов Anabaena doliolum и A. cycadeae, которые плохо росли на свету на минеральной среде и утратили способность к ассимиляции молекулярного азота в этих условиях.

Таким образом, азотфиксация у водорослей происходит только при наличии фотохимических реакций, реже, при определенном питании, — в темноте. Даже в бесклеточных препаратах водорослей азотфиксация на свету несколько выше, чем в темноте. Естественно, имеет значение интенсивность света, хотя данные по этому вопросу противоречивы. По Эллисону, оптимальная интенсивность света для культуры Nostoc muscorum зависит от других факторов — СО2, состава среды, источников углерода, аэрации и пр. По данным Аллен, рост и азотфиксация Anabaena cylindrica ускоряются с повышением интенсивности освещения по крайней мере до 16 000 лк, причем при такой интенсивности рост был одинаковым как при круглосуточном, так и при 13-часовом освещении. У Nostoc commune лучший рост и наивысшая азотфиксация наблюдались при интенсивности 4000—6000 лк. Азотфиксации у Anabaena cylindrica благоприятствовала низкая интенсивность света. Как показали работы Таха, способность к азотфиксации у Anabaena variabilis, Calothrix elenkinii и Hapalosiphon fontinalis увеличивается с повышением интенсивности света до определенного значения, которое может быть различным для разных видов. Во всех опытах световое насыщение для роста было ниже интенсивности света, при которой наблюдалась максимальная азотфиксация.

Многие авторы изучали влияние продолжительности освещения на рост синезеленых и обнаружили, что лучший рост водорослей наблюдается при круглосуточном освещении. Третьякова показала, что у 7 изученных ею штаммов Nostoc muscorum наилучшая скорость роста была при круглосуточном освещении, однако азотфиксирующая способность оказалась наибольшей при 14-часовом освещении. Автор обращает внимание на то обстоятельство, что при круглосуточном освещении меняется также морфология клеток и колоний, нередко возникают нетипичные и уродливые формы с толстыми слизистыми слоевищами. Феоктистова изучала сопряженное влияние длины светового дня и интенсивности света на рост и накопление азота синезелеными. В условиях интенсивной лабораторной культуры наибольшие урожаи Nostoc linckia и N. punctiforme получены при сочетании 24-часового дня и интенсивности света 12 000 лк, однако максимальная азогфиксация обнаружена на 8-часовом световом дне. Накопление азота в клетках за счет азотфиксации было максимальным при 8000 лк и снижалось при увеличении интенсивности света до 16 000 и 24 000 лк. Меняя характер светового режима, можно было вызвать преобладание азотфиксации или ассимиляции нитратов при росте водорослей на нитратной среде: на коротком дне и слабой интенсивности света преобладала азотфиксация, на длинном дне и при высокой интенсивности света — усвоение нитратов.

Температура. Как было сказано (гл. V), оптимальная температура для роста большинства почвенных Cyanophyta лежит в пределах 25—30°. Лучший рост Nostoc muscorum происходил при температуре 25—30°; рост замедлялся при 41°; при 5—10° вегетативные клетки переходили в состояние покоя. Известна выносливость синезеленых к высоким температурам. В опытах Аллен 40 различных культур хорошо росли при 35° и продолжали нормально развиваться яри 40°. Оптимальной температурой для ассимиляции элементарного азота у Anabaena cylindrica (при оптимальном освещении) оказались 30°; при этой температуре отношение С : N составило 10, тогда как при 15 и 35° оно увеличивалось до 40. Максимальная азотфиксация у Nostoc commune из почв Египта наблюдалась при 30—35°, у N. linckia и N. punctiforme из дерново-подзолистых почв СССР — при 27° (Феоктистова, 19676). В бесклеточных препаратах азотфиксирующих водорослей интенсивная азотфиксация получена тоже при 28—30°.

Концентрация углекислоты, азота и водорода. Оптимальные для азотфиксации водорослей концентрации углекислоты и азота в среде зависят от температуры и освещения. Так, для Anabaena cylindrica при наилучшем освещении и температуре 15° оптимальной была концентрация СО2 0.1%, при температуре 20° и выше — 0.25%; ассимиляция азота прекращалась при концентрации СО2 0.03% и тормозилась при 0.5% и больше. Однако указан и более высокий оптимум — для Nostoc muscorum 1% СО2. Де и Сулейман установили, что фиксация азота значительно возрастает в присутствии растений риса, и объяснили это улучшенным снабжением углекислотой за счет дыхания корней риса; в почвенной смеси, которая снабжалась воздухом с 2% СО2, фиксация была такой же высокой, как в культурах с рисом.

Изучение механизма азотфиксации у Nostoc muscorum показало, что парциальное давление азота, обеспечивающее половину максимальной скорости фиксации, равно 0.02 атм. — цифра того же порядка, что и у Azotobacter и клубеньковых бактерий.

Для свободного проникновения азота в клетки водорослей необходим достаточный доступ воздуха, что достигается в культурах встряхиванием сосудов или выращиванием в тонком слое жидкости. Для азотфиксации в бесклеточных препаратах синезеленых анаэробные условия так же благоприятны, как и аэробные.

У водорослей, как и у бактерий, азотфиксация специфически ингибируется молекулярным водородом и окисью углерода. Для Nostoc muscorum ингибирующее влияние СО зависит от парциального давления азота и при 0.10 атм. проявляется сильнее, чем при 0.75 атм.

Источники азота. Большой интерес представляет вопрос о зависимости азотфиксации водорослей от источников азота и наличия связанного азота в среде. Источниками азота для азотфиксирующих синезеленых могут быть нитраты, соли аммония, молекулярный азот и некоторые органические соединения.

Мэджи и Буррис отмечают хороший рост Nostoc muscorum и одинаковый состав гидролизата при всех источниках азота. Однако связанный азот в форме нитратов, аммония и аспарагина используется несколько быстрее, чем свободный. Крац и Майерс определили относительные константы роста Nostoc muscorum при ассимиляции разных форм азота: 0.37 с элементарным азотом, 0.50 с нитратами, 0.48 с аммонием и 0.54 с мочевиной. Аллен показала, что при благоприятных условиях рост Anabaena cylindrica происходит с одинаковой скоростью как па связанном, так и на молекулярном азоте. По Стюарту, Nostoc entophytum и Calothrix scopulorum хорошо росли как на элементарном азоте, так и в присутствии связанного азота, однако высокие концентрации аммиачного азота частично или полностью подавляли рост водорослей.

Данные о влиянии минерального азота среды на азотфиксацию противоречивы. Предполагалось, что в присутствии легкодоступных соединений азота усвоение молекулярного азота подавляется или совсем не происходит. Присутствие нитратов считалось даже токсичным, но позднее было показано, что Anabaena cylindrica продолжает фиксировать элементарный азот в присутствии нитратов, если она предварительно адаптирована на среде без связанного азота.

В опытах Аллен Anabaena cylindrica фиксировала азот при довольно высокой концентрации нитратов, хотя не фиксировала в присутствии аммония и мочевины. Внесение нитратов подавляло азотфиксацию у Chlorogloeopsis fritschii, Anabaena variabilis и Hapalosiphon fontinalis. Cylindrosperum sphaerica фиксировал одинаковое количество азота как в безазотистой среде, так и в среде с нитратами. Отдельные виды, например Calothrix elenkinii, совсем не потребляют нитраты и интенсивно фиксируют элементарный азот в присутствии нитратов.

Причину разного отношения видов к источникам азота надо искать, по-видимому, как в физиологических особенностях изучаемых видов, так и в особенностях условий среды. Де отмечает, например, что азотфиксация в присутствии нитратов улучшалась, если в среду добавляли небольшое количество почвенной вытяжки. В опытах Бортельса 7 видов синезеленых в присутствии нитрата фиксировали больше азота, чем на безазотистой среде, но при условии, что одновременно добавлялся молибден; однако при добавлении одного молибдена или молибдена с почвенной вытяжкой фиксация была еще выше. Фай показал, что у Chlorogloeopsis fritschii при росте в темноте азотфиксация зависит от присутствия сахаров и минерального азота: рост и ассимиляция молекулярного азота были больше при одновременном присутствии в среде сахарозы и нитрата; если же субстратом была глюкоза, то заметная азотфиксация отмечалась только в присутствии аммония.

По Фоггу, аммоний всегда и полностью подавляет азотфиксацию у Anabaena, а нитраты лишь иногда, что, по мнению автора, зависит от адаптации. В опытах Панкратовой A. cylindrica и Tolypothrix tenuis фиксировали азот как в безазотистой среде, так и на средах с содержанием аммиачного азота 0.25—1.5 мг/л или нитратного 0.87—1.74 мг/л. Связанный азот все же снижал азотфиксацию, и она прекращалась при содержании аммиачного азота 2.1 мг/л.

По данным Перминовой, в процессе роста культуры Tolypothrix tenuis фиксация азота начиналась лишь тогда, когда количество минерального азота снижалось до определенного уровня; этот момент совпадал с появлением гетероцист.

Таким образом, к азотфиксирующим водорослям, очевидно, применим вывод, полученный при изучении других азотфиксаторов: высокие лозы легкодоступного минерального азота замедляют усвоение молекулярного азота.

Как указано выше, соотношение азотфиксации и ассимиляции нитратов водорослями зависит от светового режима и, вероятно, от ряда других условий культивирования. Особенно изменяется в зависимости от условий среды многократно наблюдаемая токсичность аммиачного азота. По Стюарту, увеличение pH среды от 7.2 до 8.4 повышает токсический эффект аммиачного азота и не оказывает влияния на рост водорослей в присутствии нитратов. Высокие дозы аммиачного азота подавляли рост Anabaena cylindrica, причем токсическая доза аммиака определялась условиями культивирования, в частности длиной дня и температурой.

Была проверена азотфиксация Nostoc paludosum в почве с разным содержанием азота. Внесение аммиачного (1—2 мг на 100 г почвы) и нитратного (1—3 мг на 100 г почвы) азота обеспечивало более значительное накопление азота по сравнению с почвой без внесения азота; возможно, это объясняется усилением роста водорослей под влиянием связанного азота.

Следовательно, в полевых условиях, где всегда присутствует связанный азот, синезеленые могут быть фиксаторами элементарного азота. Это подтверждается и тем фактом, что в окультуренных плодородных почвах азотфиксирующих водорослей гораздо больше, чем в бедных.

Минеральное питание. Специфическое значение для азотфиксации водорослей имеет снабжение некоторыми минеральными элементами. Бортельс установил, что молибден в дозе до 0.4 мг/л необходим 7 видам синезеленых, азотобактеру и клостридиуму при их росте на безазотистой среде. Вольфе уточнила, что относительно высокие концентрации молибдена нужны Anabaena при росте на нитратах и особенно при росте на элементарном азоте; при использовании солей аммония недостаток молибдена не влияет на рост культуры. Был сделан вывод об участии молибдена в синтезе восстановленных соединений и, в частности, в фиксации азота.

Из других особенностей минерального питания азотфиксирующих синезеленых следует отметить относительно высокую потребность в кальции. Опыты с Nostoc commune подтвердили, что кальций необходим и для хорошего роста культуры, и для фиксации азота; оптимальная доза кальция для N. commune 1.8 мг/л. Кальций не мог быть заменен стронцием, который оказывал ингибирующее действие на рост культуры и на азотфиксацию.

Аллен показала, что для некоторых Cyanophyta необходим натрий как макроэлемент. Подтверждена необходимость натрия для роста Nostoc muscorum, Anabaena cylindrica и др. Натрий не мог быть заменен калием, литием, рубидием и цезием, наоборот, возможна замена калия натрием. Доза NaCl, превышающая 15 г/л, не подавляла рост Chlorogloeopsis fritschii.

К наиболее важным микроэлементам, кроме молибдена, относятся железо, марганец, бор и кобальт, однако кобальт не играет специфической роли в фиксации N2.

Концентрация водородных ионов. Значение pH для азотфиксирующих синезеленых показано еще в работе Эллисона; для Nostoc muscorum были найдены пределы роста культуры при pH 5.7—9.0 с оптимумом при 7.0—8.5; быстрое снижение роста наблюдалось при pH меньше 6.5. Приуроченность большинства синезеленых к нейтральным или щелочным условиям хорошо известна. Однако, по данным Фогга, специфического влияния на фиксацию азота ион водорода не оказывает, как это было показано и для Azotobacter. Например, в опытах Де и Сулеймана в почвах с pH ниже 6.0 азотфиксация при отсутствии риса не происходила, а в присутствии его было обнаружено заметное накопление азота.

Надо иметь в виду большую буферную способность синезеленых, которые меняют pH среды в благоприятную для себя сторону: кислая среда подщелачивается, а сильно щелочная несколько подкисляется. В опытах Третьяковой три разных штамма Nostoc muscorum при культивировании на средах с начальным pH от 5.0 до 9.0 через 15 дней изменили pH среды до 7.1—8.7, а три штамма Tolypothrix tenuis — до 9.1—9.8. Подобную картину наблюдал Зендер при изучении Gloeotrichia natans. Однако разные штаммы одного и того же вида по-разному растут и фиксируют азот при разных начальных значениях pH. Особенно различались штаммы Nostoc muscorum по отношению к крайним значениям pH: штамм 1, выделенный из кислого подзола, неплохо рос при pH 4.0 и лучше всего при pH 5.0; максимальным пределом было pH 10.0; штамм 3, выделенный из мощного чернозема, очень слабо рос при pH 4.0 и почти с одинаковой скоростью рос при pH 7.0—10.0. Отмечено, что исходное pH среды сильно влияет и на морфологические особенности культивируемых водорослей.

По данным Таха, рост водорослей, выделенных из рисовых полей Египта, происходил в широких пределах значений начального pH культуральной среды, но оптимальной величиной было pH 7.0—8.0; эти значения совпадают со значениями pH той среды, откуда выделены водоросли.

Влажность почвы. На рост водорослей и азотфиксацию в почвенных условиях влияет влажность почвы. Отмечается, что частое увлажнение почвы благоприятствует азотфиксации, но в постоянно затопляемой почве фиксация снижена. Калдер нашел, что переменное увлажнение и высушивание почвы, содержащей Anabaena, приводит к большему накоплению азота, чем в постоянно влажной почве; автор объясняет этот результат уменьшением денитрификации при высыхании почвы. Третьякова установила, что изученные ею штаммы Nostoc muscorum лучше всего развивались в почве при влажности 80% и особенно 100% от полной влагоемкости. Обнаружена корреляция между накоплением азота в почве и развитием внесенных в почву штаммов Nostoc muscorum.

Состояние клеток. Исследованиями последних лет были установлены морфологические особенности отдельных стадий в жизненном цикле азотфиксирующих синезеленых, позволяющие различать возрастные состояния водоросли, и выяснены зависимости некоторых физиологических функций от состояния клеток. Правда, прямых данных в этом отношении еще мало, но все же становится очевидным, что процесс азотфиксации зависит не только от внешних условий (свет, химический состав среды и т. п.), но и от текущего состояния клеток, обусловленного возрастной стадией. В частности, в опытах с Chlorogloeopsis fritschii обнаружено, что азотфиксация проходит у этой водоросли более активно на ранних фазах развития клеток, чем при полном их сформировании и последующем старении. Кроме того, было показано, что мутанты Ch. fritschii, полученные при УФ-облучении и действии рентгеновых лучей, т. е. с измененным состоянием клеток, вызванном радиацией, проявляют пониженную способность к фиксации азота.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: