Cтраница 1
Ассимиляция нитратов микробами постоянно протекает в почве. Однако в условиях, когда нитрификация с избытком покрывает убыль нитратов, этот процесс практически не может быть установлен. При определенной обстановке, например при наличии в почве значительных запасов легко растворимых угле-родсодержащих веществ, вызывающих бурное развитие микробов, нитраты потребляются микроорганизмами полностью и исчезают из почвы. Это наблюдается, например, при внесении в почву соломы или соломистого навоза. [1]
Ассимиляция нитрата осуществляется в два этапа: сначала нитратредук-таза катализирует превращение нитрата в нитрит, а затем нитритредуктаза катализирует реакцию нитрит - аммиак. У некоторых видов осуществляются обратные реакции: Nitrosomonas превращает аммиак в нитрит, a Nitrobacter окисляет нитрит в нитрат. [2]
При ассимиляции нитратов минеральный азот переводится в соединения плазмы микробной клетки. После отмирания микроорганизмов органические вещества минерализуются и содержащийся в них азот становится доступным высшим организмам. Таким образом, биологическсе закрепление нитратов приводит лишь к временному обеднению почвы доступными для растений формами азота. [3]
При ассимиляции нитратов в качестве подготовительной стадии может происходить их восстановление до азотистой кислоты, появляющейся в среде в заметных количествах. [4]
Показано, что система восстановительной ассимиляции нитрата в водорослях и высших растениях состоит из двух различных ферментов, которые участвуют в восстановлении нитрата последовательно до нитрита и аммиака. Флавомолибдопротеин НАДН-нитратредуктаза катализирует восстановление нитрата до нитрита, а железо-серный белок ферредоксин-нитритредуктаза катализирует восстановление нитрита до аммиака. [5]
Николас и Насон [69] установили, что молибден является существенным компонентом ферментативного восстановления нитрата до нитрита при ассимиляции нитратов редуктазой Neurospora, но не требуется для восстановления ФАД в присутствии НАДФН, поскольку инактивированные цианидом, лишенные молибдена и нативные формы белка также являются эффективными медиаторами восстановления ФАД. Ферментные препараты, содержащие молибдат, катализируют окисление ФМНН2 ( структура IX, см. выше), а препараты, содержащие восстановленный молибден ( они получаются путем восстановления молибдата Na3S2O4 - H2), катализируют восстановление нитрата до нитрита. Фермент обладает также НАДФН-цитохром с-редуктазной и ФАДН-нитрат-редуктазной активностью и способен катализировать восстановление нитрата восстановленным метилвиологеном, что указывает на его возможную сложную природу. Не исключено, что этот фермент представляет собой комплекс нескольких прочно связанных субъединиц. [6]
Осеннее исчезновение нитратов в почвах, находящихся под паром, очевидно, объясняется тем, что при понижении температуры торможение процесса нитрификации является более сильным, чем при ассимиляции нитратов почвенными микробами, среди которых имеется значительное количество форм психро-толерантного характера. Нитраты в почве могут потребляться весьма разнообразными микроорганизмами. [7]
Способность к ассимиляционной нитратредукции необязательно облигатно связана со способностью к денитрификации. Например, Pseudomonas aeruginosa обладает обеими метаболическими активностями; у Rhodopseudomonas sphaeroides обнаружена способность к денитрификации, но не к ассимиляции нитрата; наконец, многие эубактерий могут ассимилировать нитрат, но не могут осуществлять денитрификацию. Информация об ассимиляционной нитратредукции и денитрификации закодирована в разных генах. [8]
Биологические процессы, в ходе которых почвенные нитраты превращаются в аммиак, необходимый для биосинтеза белков, нуклеиновых кислот и других компонентов клетки, называют восстановительной ассимиляцией нитрата. Нитраты могут также использоваться вместо кислорода в качестве конечного акцептора электронов при анаэробной генерации энергии в некоторых бактериях. Продуцирование энергии этим способом называют нитратным дыханием или восстановительной диссимиляцией нитрата. [9]
Некоторые почвенные бактерии и бактерии, обитающие в корневых клубеньках бобовых, обладают способностью фиксировать атмосферный азот при помощи сложной нитрогеназной системы. Круговорот азота в природе представляет собой результат четырех процессов: образования аммиака путем связывания молекулярного азота в корневых клубеньках бобовых; нитрификации аммиака, осуществляемой почвенными организмами, т.е. превращения его в нитраты; ассимиляции нитратов высшими растениями, приводящей к образованию аммиака; и, наконец, синтеза аминокислот из аммиака в организме растений и животных. [10]
Клетки Chlorella, перенесенные в такой раствор, образовали в темноте на 70 % больше двуокиси углерода, чем поглощали кислорода, указывая этим на наложение нитратного дыхания на обычное или кислородное дыхание. Выход аммиака был сперва неэквивалентен выделению двуокиси углерода, но через несколько часов процессы стали эквивалентными, что указывает на первоначальное аминирование клеточных материалов. При азотном голодании в первые часы ассимиляции нитратов клетки совсем не образуют свободного аммония. Для восстановления нитратов требуется присутствие кислорода; при анаэробных условиях в качестве продукта восстановления появляется, кроме аммиака, нитрит и действует как яд, разрушая хлорофилл и убивая клетки. [11]
Восстановление нитрата растениями и микроорганизмами служит двум целям: с одной стороны, из нитрата образуется аммиак, который используется в реакциях синтеза, с другой - нитрат служит конечным акцептором электронов. В последнем случае продуктом восстановления может быть N2, N20 или N0 - в зависимости от вида организма, у которого такое восстановление наблюдается. Эти вещества уже более не вовлекаются в метаболизм клетки, и, следовательно, ассимиляции нитрата при этом не происходит. [12]
Живые организмы сильно различаются между собой по своей способности синтезировать аминокислотные предшественники этих типов молекул в отношении источников азота, которые они могут использовать для целей биосинтеза. Высшие животные не способны к биосинтезу ряда аминокислот ( их называют незаменимыми) и должны получать эти аминокислоты извне. Кроме того, они не могут использовать наиболее широко распространенные формы природного неорганического азота, а именно нитраты, содержащиеся в почве, и атмосферный азот, для синтеза даже и таких аминокислот, которые не относятся к незаменимым. Однако растения и многие микроорганизмы обладают более широкими возможностями: они могут синтезировать все содержащиеся в белках аминокислоты, исходя из нитратов или аммиака. Биологическая ассимиляция нитрата в аммиак происходит в две основные стадии: 1) восстановление нитрата до нитрита и 2) восстановление нитрита до аммиака. Первая из этих реакций катализируется молибденсодержащим ферментом нитратредуктазой. Аммиак образуется также при фиксации молекулярного азота бактериями. Эта реакция осуществляется свободно обитающими в почве бактериями, например Clostridium pasteuranium, а также, что еще более существенно, некоторыми почвенными бактериями, живущими в клубеньках корней ряда овощных культур. К таким бактериям относятся, например, Rhizobium. Оба эти процесса фиксации катализирует другой молибденсодержащий фермент - нитрогеназа. [13]