Аэробные свободноживущие азотфиксаторы

Федеральное  государственное  образовательное  учреждение      высшего  пРофессионального  образования

   российский  государственный аграрный университет  – МСха имени К.А. Тимирязева 
   (ФГОУ ВПО ргау  -  МСХА имени К.А. Тимирязева)

 

 

 

 

КАФЕДРА МИКРОБИОЛОГИИ

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

на тему:

«АЭРОБНЫЕ СВОБОДНОЖИВУЩИЕ АЗОТФИКСАТОРЫ»

 

 

 

                                                    

                                                         

                                                                                           Выполнил: студент 2 курса

                                                                             факультета ПАЭ 205 гр.

                                                                             Панов Е. Ю.

                                                                             Проверила: доцент Годова Г.В.

 

 

 

 

 

 

Москва 

2010

Аннотация

 

В теоретической части  работе рассмотрены биологические особенности и характеристика бактерий различных родов аэробных азотфиксирующих микроорганизмов. Рассмотрены химизм биологической азотфиксации, основные роды бактерий – азотфиксаторов, их значение в сельском хозяйстве, влияние факторов внешней среды на размер азотонакопления в почве свободноживущими азотфиксаторами.

 В практической  части представлены результаты опыта по учету численности микроорганизмов в тепличном грунте.

Курсовая работа содержит 35 страниц, 10 таблиц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………..……….4 I. Теоретическая часть 1. Биологические особенности и характеристика бактерий различных  родов аэробных азотфиксирующих бактерий………………………………………….……………………………………..6   2. Роль свободноживущих азотфиксаторов  в обогащении почвы  азотом……………………...........……………………………10   3. Оптимальные факторы  среды для развития аэробных азотфиксирующих  бактерий………………………….………………….12   4. Влияние корневых  выделений растений, органических удобрений, соломы, на активность фиксации азота азотобактером  и размеры азотонакопления в  почве……………….………..14   II. Практическая часть   1. Объект и методы  исследования   1.1. Характеристика взятого  образца почвы……………………………...……..17   1.2. Методы биологического исследования  почвы…………………….……….17   1.2.1.Отбор средней почвенной  пробы для  микробиологического анализа  и требования к ней………………..………….18   1.2.2. Определение влажности  почвы…………………………………...……..18   1.2.3.Учет численности  микроорганизмов почвы……………………………..18   1.2.4.Приготовление почвенной  суспензии и  посев на питательные  среды……………………………………………………19   2.Результаты опыта.  Учет численности микроорганизмов различных групп……………………………………………………………………..20   Заключение……………………………………………………………………………...34   Список используемой литературы…………………………………….………….….35

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Среди процессов, от которых  зависит биологическая продуктивность является фиксация микроорганизмами азота. Проблема биологической азотфиксации относится к числу основных проблем сельскохозяйственной и биологической науки. Перед учеными стоит задача изыскать возможности управления процессом азотфиксации и на этой основе увеличить урожайность сельскохозяйственных культур.

Азот является абсолютно  необходимым элементом для всех живых организмов. Основным резервуаром азота служит земная атмосфера.  Эукариотические организмы не способны усваивать азот непосредственно из атмосферы. Такой способностью обладает ограниченное количество видов прокариот, которых называют азотфиксаторами, а процесс связывания азота атмосферы (восстановление до ) этими организмами - биологической азотфиксацией.

 Биологическая азотфиксация  представляет собой глобальный  процесс, обеспечивающий существование жизни на Земле. Общая мировая биологическая фиксация азота составляет 17,2· т/год, что в четыре раза превышает связывание N₂ в форме NH₃ на предприятиях химической промышленности.

Впервые выделить культуру свободноживущих азотфиксирующих  микроорганизмов удалось в 1893 году С.Н. Виноградскому. Он выделил почвенный спороносный анаэробный микроорганизм, относящийся к роду Clostridium , названный автором в честь выдающегося французского микробиолога Л. Пастера Clostridium pasteurianum. В 1901 году М. Бейеринк выделил аэробно живущий почвенный микроорганизм Azotobacter, способный к азотфиксации, неприхотливый при выращивании. Этот микроорганизм интенсивно исследуют не только как удобную модельную культуру, но и применяют в технологии обогащения сельскохозяйственных посевов биологическим азотом. С тех пор коллекции свободноживущих азотфиксаторов постоянно увеличиваются, особенно с 1949 года, когда в арсенал методов регистрации фиксации азота вошли метод изотопных индикаторов ( ) и реакция восстановления ацетилена в этилен, катализируемая основным ферментом системы азотфиксации - нитрогеназой. Тогда выяснилось, что способностью к фиксации азота обладают большинство аноксигенных фототрофных бактерий, многие цианобактерии, некоторые бациллы, клебсиеллы и др. [7]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теоретическая часть

 

1. Биологические особенности и характеристика бактерий различных родов аэробных азотфиксирующих бактерий

 

К свободноживущим азотофиксирующим микроорганизмам относятся представители сем. Azotobacteriaceae,а именно:

Род Azotobacter впервые был выделен голландским ученым Мартином Бейериком в 1901 году из огородной почвы. Азотобактер требователен к субстрату и особенно реагирует на дефицит фосфора. На бедных почвах он не развивается. В связи с этим его используют в качестве индикатора на содержание в почве фосфора и калия. Азотобактер плохо развивается в кислой среде, растет при рН 5,5 - 7,8 и более влаголюбив, чем другие микроорганизмы почвы. Азотобактер широко распространен в почвах разных географических широт. В целинных почвах азотобактер встречается редко, и по мере их окультуривания, создания необходимых условий численность его возрастает. Положительное действие азотобактера на растения объясняется тем, что он выделяет в окружающую среду витамины и другие биологически активные вещества: никотиновую и пантотеновую кислоты, гиббереллин, гетероауксин.

 Молодые клетки  азотобактера представляют собой  палочки размером 2-3×4-6 мкм. Позже  они превращаются в крупные  кокки диаметром 4 мкм. Кокковидные  клетки обычно покрыты капсулой  и содержат различные включения  (жир, крахмал, поли-β-гидроксимасляную  кислоту и т.д.).

У кокковидных клеток некоторых видов азотобактера появляется толстая оболочка и они превращаются в цисту. На одних питательных  средах палочки быстро приобретают  кокковидную форму, на других – лишь по истечению длительного времени. Палочковидные клетки азотобактера имеют жгутики и обладают подвижностью. При переходе палочек в кокки жгутики обычно теряются. [3]

 

Все виды азотобактера аэробны. Источник азота для них - соли аммония, нитриты, нитраты и аминокислоты. При отсутствии связанных форм азота азотобактер фиксирует молекулярный азот. Небольшие дозы азотсодержащих соединений не приводят к депрессии фиксации азота, а иногда даже стимулируют её. Увеличение дозы связанного азота в среде полностью подавляет усвоение молекулярного азота. Энергия усвоения азота у отдельных культур азотобактера колеблется в широком диапазоне. Активные культуры связывают 15...20 мг азота на 1 г. потребленного органического вещества.

Азотобактер способен использовать большой набор органических соединений - моно- и дисахариды, некоторые полисахариды(декстрин, крахмал), многие спирты, органические кислоты, в том числе ароматические. Вообще азотобактер проявляет высокую потребность в органических веществах, поэтому в больших количествах встречается в хорошо удобренных почвах.

Из описанных видов  азотобактера наиболее изучены A. chroococcum, A. beigerinckii, A. vinelandii и A. paspali. Перечисленные виды различаются по размерам и форме клетки, а так же по некоторым другим признакам, в частности пигментации колоний. Так, колонии A. chroococcum имеют бурый, почти черный цвет, A. vinelandii выделяют желтый пигмент зеленой флуоресценции, A. paspali так же продуцируют желтый пигмент. В почве чаще всего встречается A. chroococcum.

Рис. 1  Род Azotobacter

Род Beijerinckia был выделен из кислых почв рисовых полей в Индии (в 1939 г.). Г. Деркс (1950), обнаружив эту бактерию в почве Ботанического сада в Богоре (Ява), предложил назвать ее именем М. Бейеринка — одного из первых исследователей фиксаторов азота.

Клетки бактерий рода Beijerinckia имеют круглую, овальную или палочковидную формы; палочки иногда искривлены. Размеры молодых клеток 0,5-2,0 х 1,0-4,5 мкм. Встречаются подвижные и неподвижные формы. Цист и спор не образуют. Культуры характеризуются медленным ростом. Типичные колонии формируются обычно через 3 недели при 30°С. Большинство культур Beijerinckia образует на безазотном агаре с глюкозой выпуклые, нередко складчатые, блестящие слизистые колонии очень вязкой консистенции. При старении культуры, как правило, образуют темноокрашенный пигмент.[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 Род Beijerinckia

На 1г использованного энергетического материала организмы рода Beijerinckia фиксируют 16-20 мг молекулярного азота. Спектр углеродсодержащих соединений, доступных бейеринкии, значительно уже, чем у азотобактера. Хорошо используются моно- и дисахариды, хуже — крахмал, органические кислоты, ароматические вещества не усваиваются. Минеральный азот и многие аминокислоты бактерии рода Beijerinckia предпочитают молекулярному азоту.

Основные отличия  бейеринкии от азотобактера — высокая кислотоустойчивость (могут расти даже при рН 3,0), кальцефобность (ничтожные дозы кальция подавляют рост), устойчивость к высоким концентрациям железа, алюминия.

Бактерии рода Beijerinckia широко распространены в почвах южной и тропической зоны, реже встречаются в зоне умеренного климата. Beijerinckia часто встречается на поверхности листьев тропических растений в Индонезии.

Раньше полагали, что  бактерии рода Beijerinckia могут существовать только в кислых почвах. Сейчас установлено, что они неплохо развиваются и в нейтральных и щелочных почвах. Тем не менее следует полагать, что Beijerinckia играют значительную роль в азотном балансе главным образом кислых почв (латеритах, красноземах), не имея существенного агрономического значения для нейтральных почв.

К свободноживущим фиксаторам молекулярного азота семейства Azotobakteriaceae относятся также виды рода Derxia, выделенные из почв Индии с рН 6,5. Это медленно растущие на безазотистых средах палочковидные бактерии со слизистыми капсулами, обладающие на определенной стадии развития жгутиками. Колонии могут быть пленочными или слизистыми, при старении преобретают желтовато-коричневый цвет. Derxia используют различные источники углерода - моно-, ди-, полисахариды, спирты, органические кислоты, в среде без азота фиксируют 12 - 15 мг N2 на 1 г использованного сахара. Представитель данного рода - Derxia gummosa - развивается в почвах с рН 4,5 - 6,5, однако лучше растет при рН 5,1 - 5,5. Виды данного рода распространены в почвах тропической зоны - Индии, Индонезии, тропической Африки, Южной Америки. [2]

2. Роль свободноживущих азотфиксаторов в обогащении почвы азотом

 

По предложению С. П. Костычева и его сотрудников  с 30-х годов XX века в СССР начали применять землеудобрительный препарат, содержащий культуру Az. chroococcum. Он рассматривался как аналог азотных удобрений. Позднее, когда выяснилась способность азотобактера продуцировать биологически активные вещества, его действие на растения начали связывать не только с процессом азотфиксации и улучшением азотного питания растений, но и с поступлением в растения вырабатываемых им биологически активных соединений (витаминов и стимуляторов роста). С азотобактерином в СССР была проведена очень большая работа, которая позволяет в настоящее время дать вполне определенный отзыв о целесообразности его использования в практике сельского хозяйства.[1]

Создается вполне определенное впечатление, что для полевых  культур азотобактерин малоэффективен. Опыты, поставленные в 1958-1960 гг., показали, что лишь в 34% случаев применение препарата давало прибавку урожая, но она была невысока и граничила с возможной ошибкой полевого эксперимента.

На унавоженных почвах положительное действие азотобактерина возрастает. Вполне благоприятно влияет этот препарат на овощные культуры, которые, как правило, выращиваются на сильно удобренных навозом почвах. В таких случаях бактеризация высеваемых семян может увеличить урожай на 20-30% и, что особенно важно, ускорить его созревание. [4]

Азотобактер, безусловно, не может действовать как аналог азотных удобрений. Его благоприятный эффект на растения связан с продукцией биологически активных веществ и особенно фунгистатических соединений. Азотобактерин, очевидно, может с успехом применяться на богатых почвах как ростовой препарат.

 

Вклад свободноживущих азотфиксаторов в азотный фонд почвы весьма существенен. До последнего времени считали, что  деятельность этих микроорганизмов  не имеет особого значения в азотном  питании растений. Однако длительные опыты опровергли эту точку зрения. Так, показано, что без применения азотных удобрений и без посева бобовых можно получить урожаи зерновых культур, для создания которых требуется внесение до 50 кг азота на 1 га. При этом к возможным источникам пополнения азота относятся деятельность свободноживущих азотфиксаторов и отчасти поступление этого элемента из атмосферы с дождевыми водами.

По материалам многолетнего опыта МСХА, на делянках бессменной ржи ежегодное азотонакопление  при известковании почвы составило 28 кг/га, а на неизвесткованном фоне, где условия для азотфиксаторов были хуже – в 2,5 аза меньше.