ВСТУП

Інтерес до азотного живлення рослин проявився в XVІІІ ст. після відкриття в 1777 році азоту, як хімічного елемента.

Перші фундаментальні досліди в органічному плані відносяться до середини ХІХ ст., коли в 1837 р. Буссенго розробив наукову теорію живлення рослин.

В середині 50-х років стало очевидно, що асиміляція мінерального азоту на відміну від асиміляції вуглецю може відбуватися, як в коренях так і в листях. Вміст загального азоту в орному шарі різних ґрунтів коливається в межах 0,05 – 0,3 %, і залежить від типу ґрунту, вмісту органічної речовини.

Азот – один з головних біологічних елементів. Він входить до складу основних полімерів будь-якої клітини – структурних білків і білків – ферментів, нуклеїнових і аденозинфосфорних кислот. Його перетворення в біосфері пов’язані з утворенням первинної рослинної продукції.

Великі запаси азоту на нашій планеті представлені його відновленими й окисленими газоподібними формами (N2, NH3, N2O, NO, NO2). Найбільшу частину атмосферних газів складає молекулярних азот – 78,09% по обсягу 75,6% по масі.

Азот застосовується рослиною у вигляді аніонів – NО2-, NО3-, катіона NН4+. Значення N в житі рослин надзвичайно велике. При його недостачі в ґрунті порушуються всі найважливіші функції і розвиток рослин. Азот важливий органогенний елемент. Він не виводиться з організму, а використовується багатократно (реутилізується) – тобто при старінні листків звільняється в процесі розпаду цитоплазматичних білків і інших азотовмісних сполук, відтікає в молоді частини рослин. Зовні це проявляється в зміні забарвлення старіючих листків – від зеленого до жовтого, починаючи з верхньої більшої сторони їх частини. Подібні явища спостерігаються і при недостачі азоту в ґрунті. Листки дістають жовтий відтінок з червонуватими жилками. Крім того в рослині затримується ріст, зменшується розмір листків і плодів.

З врожаєм відбувається постійний винос азоту з ґрунту, що перевищує 100 млн т/рік. Виробництво мінеральних азотних добрив, яке досягає 60-70 млн т/рік, вимагає енерговитрат. У той же час коефіцієнт їхнього використання рослинами не перевищує 50%. Надлишок його викликають забруднення окремих екосистем і біосфери в цілому, що приводить до негативних наслідків. Таким чином, проблема азоту перетворюється в глобальну соціальну проблему.

Кругообіг азоту в природі розбивається на кілька основних ланок, у яки х головними елементами виступають мікроорганізми. Азот у цьому циклі бере участь у газоподібній формі, у вигляді мінеральних і органічних сполук. При фіксації азоту мікроорганізмами відбувається його відновлення; розкладання органічних азотовмісних сполук (амоніфікація) приводить до звільнення азоту у формі аміаку, що далі окислюється послідовно до нітратів і нітритів (нітрифікація). Окислений азот знову відновлюється до N2 у процесі денітрифікації. Амонійні і нітратні форми сполук азоту асимілюється рослинами і мікроорганізмами, що приводить до тимчасового закріплення азоту в органічних речовинах, його імобілізації в мікробній біомасі.

АЗОТ В РОСЛИНАХ І ҐРУНТАХ. АЗОТНІ ДОБРИВА. СПОЛУКИ АЗОТУ У ҐРУНТІ.

Азот є важливим елементом живлення рослин і має велике загально біологічне значення. Без азоту не може бути білка, а без білка не може бути життя. На це вказував Ф.Єнгельс. не випадково, що основоположник аргохімії Д.Н. Прянишнков на протязі свого життя вивчав азотне живлення рослин. Його роботи отримали світове визнання.

Особливе значення азоту у живленні рослин і в землеробстві визначається наступними причинами: по-перше, азот повітря не засвоюється вищими рослинами, за виключенням бобових культур, які можуть азотом живитися з повітря в симбіозі з бактеріями; по-друге в землі корі азоту дуже мало і в більшості ґрунтів, особливо у дерново-підзолистому ґрунті.

У природі ми зустрічаємо, що в складі повітря міститься 4/5 азоту, а над кожним квадратним метром поверхні земного шару міститься 7 т азоту, а над 1 га – 70 тис. Азоту. Наші культурні рослини знаходяться в цьому безмежному азотному океані. Тому Д.Н. Прянишнков широко рекомендував використовувати азот атмосфери біологічним шляхом, причому більш дешевше – за допомогою бобових рослин.

Азот в рослинах входить до складу амінокислот, амідів, а також нуклеїнових кислот (РНК,ДНК), відіграючи виключно важливу роль у обміні речовин у рослин. Азот містить також в хлорофілі, фосфатидах, алкалоїдах, деяких вітамінах, ферментах і других органічних сполуках.

Загальний вміст азоту у орному шарі різних ґрунтів коливається (табл.1). Значне коливання вмісту азоту у дерново-підзолистих ґрунтах пояснюється це різними механічними складом, найменші цифри відносяться до піщаних і супіщаних ґрунтів, найбільші до суглинкових коливання вмісту азоту у різних ґрунтах пояснюється різними вмістами гумусу. Враховуючи, що в гумусі міситься приблизно 5% азоту.

Табл. 1

Вміст азоту в орному шарі різних ґрунтів

Ґрунти | Азот загальний

% | в т. на 1 га

Дерново-підзолистий | 0,05-0,2 | 1,5-6

Сірі лісові | 0,2-0,35 | 6-10,5

Каштанові | 0,15-0,25 | 4,5-7,5

Сіроземи | 0,1-0,2 | 3-6

Червоноземи | 0,2-0,3 | 6-9

Звичайний чорнозем | 0,2-0,49 | 7,5-13,5

Із даної таблиці 1 видно, що валовий вміст азоту в орному шарі грунту в межах від 1,5 до 15 т на 1 га. Отже, кількість азоту в цілому достатньо для азотного живлення, як вказано раніше джерелами азотного живлення рослин є тільки мінеральні сполуки солі амонію і нітратів, які складають всього 1% від загального азоту. А решта 99% азоту знаходиться у формі складних органічних сполук гумусових, білкових, і інших недоступних для рослин, які послідовно проходять у різних ґрунтах з різною швидкістю мінералізації у результаті мікробіологічних процесів до доступних форм, як аміачне і нітратна. Перетворення в ґрунті недоступних органічних сполук азоту у доступні мінеральні і при допомозі мікроорганізмів проходять слідуючи процеси по схемі:

білок, гумусові речовини під дією протеолітичних ферментів;

амінокислоти, аміди під дією різноманітних мікроорганізмів-амоніфікаторів (бактерій, актиноміцетів, пліснявих грибів)у анаеробних умовах;

аміак (HN3), аміачна сіль і поглинання амонію доступні для рослин під дією нітріфікуючих бактерій в аеробних умовах.

Розклад органічних сполук з виділенням аміаку називають амоніфікація, а окислення аміаку до нітратів – нітрифікація. Цьому процесові підлягають білки і їхні похідні – пептиди й амінокислоти, нуклеїнові кислоти і їхні деривати – пуринові і піримідинові основи, сечовина і сечова кислота, азотовмісний полісохарид хітин і гумусові кислоти. Процес амоніфікація носить універсальний характер і здійснюється багатьма мікроорганізмами в широкому діапазоні умов, за винятком місць з дуже жарким і сухим кліматом, де відбувається муміфікація мертвих залишків.

Амоніфікація білків (гниття). Це найбільш динамічна ланка в циклі азоту. При позаклітинних перетвореннях кінцевим продуктом є амінокислоти. В процесі беруть участь протеози мікроорганізмів і рослин. Далі амінокислоти або надходять у клітини мікроорганізмів, або залучаються у хімічні реакції в ґрунті, або адсорбується на ґрунтових частках. Внутрішньоклітинні перетворення, декарбоксилювання і дезамінування. Останній шлях приводить до виділення вільного аміаку. В аеробних умовах крім аміаку. В аеробних умовах – крім аміаку при амоніфікації утворюються СО2 і окиси сірки, а в анаеробних – жирні й ароматичні кислоти, спирти, продукти з неприємним запахом і отруйні аміни – кадаверин, путресцин.

У процесі амоніфікації, крім бактерій, беруть участь актиміцети і гриби. Для процесу амоніфікації велике значення має співвідношення С:N у субстраті, що розкладається. Відношення С:N гною низьке (<25), і тому його розкладання супроводжується нагромадженням аміаку, а для соломи С:N високе і внесення в ґрунт соломи без мінеральних азотних добрив приводить до іммобілізації азоту, тобто закріпленню його в мікробних клітинах і азотному голодуванні рослин.

Аміак, що утворюється при мікробному розкладанні нуклеїнових кислот, сечовини і сечової кислоти, хітину сполук рослинного і тваринного походження, зазнає різні перетворення: 1) частково адсорбується не глиняно-гумусових комплекса або нейтралізує ґрунтові кислоти; 2) споживається рослинами як джерело азоту і іммобілізується в процесі метаболізу ґрунтових мікроорганізмів; 3) виділяється в атмосферу; 4) окислюється в нітрити і нітрати. Цей останній процес називається нітрифікацією і є єдиним у циклі азоту, що веде до утворення окислених форм азотистих сполук.

У 1891 р. С. М. Виноградський виділив мікроорганізми, названі нітрифікаторами. Вони були представлені двома групами, кожна з яких проводила один із двох етапів окислення азоту: спочатку утворювалися нітрити, а потім – нітрати.

Першу групу нітрозних бактерій складають роди Nirosomonos, Nitrosococcus, Nitrosospiro, Nitrosovibrio, другу – нітратних бактерій – Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Мікроорганізми тієї й іншої групи морфологічно різноманітні – це коки, палички, спірально вигнуті клітини. У метаболічному відношенні всі бактерії, що нітрифікують – хемолітоавтотрофи, що використовують енергію окислювання аміаку або азотистої кислоти для синтезу органічних речовин із СО2, тобто здійснюються хемосинтез. Окислювання аміаку до нітрату відбувається поетапно з втратою електронів. Друга фаза нітрифікації супроводжується втратою двох електронів. Донором кисню при окислюванні нітритів до нітрату служить вода: NO2–+H2O>NO3–+2H++2e. Електрони, що утворюються в першій і другій фазі нітрифікації, надходять у дихальний ланцюг на цитохроми. Оптимальні умови для їхнього росту лежать у діапазоні температур 25-30о і рН 7,5-8,0. У кислих ґрунтах автотрофна нітрифікація пригнічена, цей процес заміщається окислюванням аміаку або інших відновлених азотовмісних речовин до нітритів і нітратів гетеротрофної нітрифікації, тому що утворення нітратів супроводжується окисленням органічних речовин, яке йде паралельно.

У природі гетеротрофна нітрифікація має місце скрізь, де аміак утворюється в умовах достатку органічних речовин, наприклад у компостних купах, у скупченнях гуано, в аеротенках, в створених водоймах.

Показано, що розлини використовують не більше 50% внесеного азоту нітратів у процесах асиміляції, а інша частина – 1) закріплюється в складі органічної і мінеральної речовини ґрунту; 2) іммобілізується в клітинах мікроорганізмів у процесі асиміляторної нітратредукції; 3) відновлюються до молекулярного азоту в результаті дисиміляторної нітратредукції, або денітрифікації; 4) виливається в ґрунтові води, звідкіля вони виносяться в ріки, моря й океани.

Обсяг надходження нітратного азоту у водойми складає мільйони тонн у рік.

Як видно, нітрифікація потребує добрих аерацій ґрунту. Крім того, вона потребує нейтральної або слаболужної реакції (рН 6-8), оптимальною вологою ґрунту (60-70 капілярної вологи), температури (25-32оС). При таких умовах в чорноземних ґрунтах в чистому парі може накопичуватися більша кількість нітратів – від 30 до 50мг N на 1кг. ґрунту, або 90-150кг на 1га. В дерново-підзолистих ґрунтах азоту накопичується менше, приблизно 50-70кг. на 1га. Значна кількість нітратів знаходиться у міжряддя просапних культур, де ґрунт підтримується у рихлому стані. Чим більше окультурений ґрунт, чим краща агротехніка, тим швидше ідуть мікробіологічні процеси і більше накопичується доступного азоту. Кількість в ґрунті нітратів у різний час року неоднаковий, їх більше накопичується у літніх місцях. Нітрифікацію можна підсилити добрим обробітком ґрунту, вапнуванням кислих ґрунтів. Внесення неперепрілого, солом’яного гною навпаки, ослаблює процеси нітрифікації, так як збільшує потреби розчинних форм азоту мікробами в ущерб азотному живленню рослин. Крім того, внесення соломистого гною у погано оброблений ґрунт може призвести до підсилення процесу денітрифікації. Перетворення з’єднаного азоту в ґрунті не обмежиться тільки амоніфікацією і нітрифікацією. (М. П. Петухов).

Разом з мінералізацією азотовмісних органічних сполук в ґрунтах проходять і протилежні процеси – перехід мінеральних сполук азоту, доступні для рослин в недоступні органічні сполуки, процеси ведучі до втрат азоту із ґрунту у виді газоподібних форм, а також процес біологічного поглинання азоту. Такий процес може бути сильно виражений при недостатку в ґрунті безазотистих органічних сполук або при внесенні їх в ґрунт у вигляді соломи або соломистого гною. Відомо, що для розвитку мікроорганізмів їм потрібні і мінеральні сполуки, особливо азоту. А при отриманню і слідую чому розміщенню мікроорганізмів цей азот буде знову доступний для рослин. Таким чином, біологічне поглинання азоту є тимчасовим і не є у кінцевому етапі втратою азоту із ґрунту. У ґрунті проходять другий процес – денітрифікація її називають хемоденітрифікація, яка веде до втрат азоту у виді молекулярного або його окисів.

Терміном «денітрифікація» звичайно позначають суму процесів, що ведуть до втрат азоту нітратів і нітритів у результаті їхнього відновлення до газоподібних форм біологічним шляхом. При прямій денітрифікації всі процеси цілком і безпосередньо проводяться мікроорганізмами, при непрямій денітрифікації деякі реакції йдуть поза клітинами в результаті хімічної взаємодії нітритів із продуктами мікробного метаболізму – амінокислотами. HNO2+RCONH2>RCOOH+H2O+N2.

Мікроорганізми можуть відновлювати нітрати різними шляхами в різних метаболічних процесах – конструктивних і енергетичних.

Денітрифікація протікає в анаеробних умовах і пригнічується киснем. Нітрати в анаеробних умовах виконують функцію акцепторів електронів, які надходять від субстрату, що окислюється. Ним може бути як органічна, так і неорганічна речовина. Ферменти дисиміляційної нітратредукації – це нітратредуктози, що містять MoFeS – білки. Вони локалізовані на клітинних мембранах у вигляді NO, NO2 або N2 у залежності від виду мікроорганізму і від умов середовища. Нітрати відновлюються в наступній послідовності: NO3–> NO2–> NO> N2O> N2. Число родів бактерій, представники яких здатні до нітратного дихання, досить велике. При цьому перший етап – перехід нітратів у нітрити – здатні здійснювати різноманітні мікроорганізми, у тому числі і еукаріоти – водорості, гриби і дріжджі. Повну денітрифікацію, до газоподібних продуктів, проводять тільки прокаріоти. Більшість з них – факультативно анаеробні хемоорганотрофи родів Pse undomonasi Bacikkus, що використовують нітрати як окислювачі органічних субстратів. Останні окислюються при цьому до СО2 і Н2О, як і в акті кисневого дихання, а азот втрачається в газоподібній формі:

Органічна речовина +RNO3>CO2+H2O+N2

Нітрати виступають як окислювачі неорганічних речовин, наприклад сірки, відновлюючись при цьому або до N2, або до нітритів.

У процесі дисиміляційної нітратредукції крім молекулярного азоту можуть утворюватися інші газоподібні продукти – NO, N2O, i NH3.

Особливо часто стоїть проблема утворення в стоку закису азоту, тому що з ним зв’язують деякі природні і кліматичні явища – руйнування озонового шару в стратосфері, деякі фотохімічні реакції. Одне із самих могутніх джерел N2O – мікробна денітрифікація.

Отже, денітрифікація в сучасному розумінні – це один зі шляхів біологічного відновлення нітратів. Процес характеризується тим, що він має енергетичне значення для мікроорганізмів, протікає в анаеробних умовах і приводить до утворення газоподібних форм азоту у вигляді N2O, NO, i N2. У результаті денітрифікації в атмосферу щорічно надходить 270-300 млн. т. N2, тобто цей процес можна порівняти з азотфіксацією. Більша частина цього азоту – втрати з ґрунту. Особливо великі вони в перезволожених ґрунтах, при внесенні нітратів разом із гноєм і іншими органічними добривами. Активно протікає денітрифікація в ризосфері рослин за рахунок постійного надходження органічних речовин у формі кореневих виділень. На інтенсивність денітрифікації сильно впливає аерація ґрунту і рН. Посилення аерації і кисле середовище знижують швидкість денітрифікації. В сухих безструктурних ґрунтах при зволоженні протікає денітрифікація, при висушуванні – нітрифікація. Чергування цих процесів веде до швидкої втрати азоту ґрунтом. У структурних ґрунтах обидва процеси йдуть одночасно, але в просторово розділених мікрозонах з різним окислювально-відновним потенціалом. Так само відбуваються процеси в зоні кореневих систем, де наявні градієнт кисню й органічні речовини, що стимулює денітрифікацію.

Денітрифікація – одна з основних причин неповного використання рослинами внесених у ґрунт азотних добрив. Зменшення втрат азоту можна домогтися шляхом застосування гранульованих добрив, слаборозчинних азотних туків і дробовим внесенням добрив. Регулювати цей процес можна також шляхом створення визначеного водного режиму ґрунтів, змінюючи в такий спосіб аерацію. Для природи в цілому – це оздоровчий процес, тому, що саме в результаті денітрифікації відбувається відновлення балансу азоту в атмосфері і захист водойм від надмірного нагромадження в них нітратів, що вимиваються з ґрунтів.

Азотні добрива

Азотні добрива поділяються на: аміачні, нітратні, амідні, амонійні, амонійно-нітратні і аміака.

До нітратних добрив відносять натрієву і кальцеву селітру, яка містить азот у нітратній формі NO3–. Натрієва селітра (NaNO3) містить 15-16% азоту і 26% натрію. Являє собою біле або буровато-жовтуватого кольору, має кристалічну будову, гігроскопічна і при зберіганні злежується, добре розчинна у воді. При взаємодії натрієвої селітри з ґрунтовим натрієм поглинається ґрунтом в обмін на кальцій, а в розчині залишається нітрат кальцію.

[TK] Ca+2NaNO3=[TK]2Na+Ca(NO3)2.

Нітратний іон (NO3–) не поглинається ґрунтом, а знаходиться у рухомому вільному стані і може використовуватися рослиною. Натрієва селітра фізіологічно-лужне добриво. Аніон NО3– надходить в рослини у обміні на аніони вугільної кислоти (HCO3) який об’єднується з катіонами натрію дає соду (NaHCO3), яка має лужну реакцію. Тому натрієву селітру вносять у ґрунт з підвищеною кислотністю.

Кальцева селітра (Са(NO3)2). Містить 13-15% азоту. Ця сіль дуже гігроскопічна, сильно зволожується, злежується, розчинна у воді. При взаємодії з ґрунтом катіони натрію частково поглинаються. Кальцева селітра являється фізіологічно лужним добривом (аніони НСО–3 виділені корінними рослинами об’єднуються з кальцевою селітрою і дає бікарбонат кальцію). Кальцеву селітру найбільше використовують для кислих ґрунтів. Недолік селітри є низький вміст азоту.

До амоній добрив відносять добрива, які містять азот у амонійній формі, а саме сульфат амонію і хлористий амоній.

Сульфат амонію (NH3SO4) містить 20,5-21% азоту, добриво легко розчинне, має білий колір, гігроскопічне, добре розсипчасте, має 24%сірки. Це добриво фізіологічно кисле, тому що рослини краще засвоюють NН4 ніж SO4 тому при нітрифікації у ґрунті утворюється як азотна кислота так і сірчана. Ці кислоти підсилюють ґрунтовий розчин і витісняють із ґрунтового розчину катіони.

Хлористий амоній (NH4Cl) дрібнокристалічна і білого кольору сіль, містить 24-25% азоту. Містить багато хлору (66%) у зв’язку з цим добриво не рекомендують використовувати під культури, які чутливі до хлору. Якщо вносити восени завчасно, то хлор вимивається у нижній горизонт. Добриво фізіологічно кисле.

До амонійно-нітратних добрив відноситься аміачна селітра, яка містить нітрат амонію і амоній (NH4NO3). Аміачна селітра містить 34,6% азоту. Добриво білого кольору, добре розчинне у воді. Аміачну селітру випускають у кристалічному вигляді із високою гігроскопічністю, воно сильно злежується. Добриво фізіологічно кисле, систематичне внесення аміачної селітри у малобуферних ґрунтах призводить до значного підкислення.

До амідних добрив належать добрива, які містять азот у амідній формі, а саме сечовина СО(NH2)2 містить 46% азоту. Сечовину виробляють у грануметричному виду із розміром гранул 1-2,5мм. Добриво має добрі фізіологічні властивості, не злежується, добре розчиняється у воді.

До аміачних добрив відносять рідкий аміак і аміачну воду.

Рідкий аміак NH3 буває безводний, найбільш поширене концентроване добриво, вміст 82,3% азоту, це безбарвна рідина, ніколи не буває відкрита.

Аміак водний або аміачна вода – це розчин аміаку в воді. Концентрований розчин містить 20,5% азоту. Це прозора речовина, яка має жовтуватий колір, сильний запах. Вносять у ґрунт на 10-12см., він випорошується якщо на поверхню.

Аміакат – це концентровані розчини нітрату амонію, карбаміду та інші компоненти у водному середовищі. Азот добре засвоюється рослинами, міститься азоту 30-50%. Ця рідина жовтого кольору, одержують у спеціальних установах.

ПОНЯТТЯ ПРО БІОЛОГІЧНИЙ АЗОТ

Проблема азотного балансу ґрунтів і азотного живлення рослин – одна з центральних у ґрунтознавстві її агрохімії. Від її правильного вирішення залежить врожайність полів і збереження ґрунтової родючості при багаторічній експлуатації земель.

У природних екосистемах рослини використовують азот з різних джерел: із ґрунтових розчинів, з гумусу після його розкладання мікроорганізмами і від бактерій, що зв’язують молекулярний азот, який у формі амінокислот надходить у клітини коріння. В агроценозах рослини додатково одержують азот із внесених у ґрунт добрив. Азот, що включається в біомасу рослин у результаті фіксації його бактеріями із атмосфери, називають біологічними, а самі бактерії, що зв’язують молекулярний азот – азотофіксаторами, або діозотрофами. Частка біологічного азоту в врожаї за різними оцінками складає від 60 до 90%.

Азотфіксація – процес, що лімітує всі інші ланки циклу азоту. Він має планетарне значення і по масштабах співставний з фотосинтезом. Азотфіксація використовує енергію продуктів фотосинтезу, і не веде до порушення екологічного середовища через забруднення ґрунтів, водойм і атмосфери. Сумарна річна продукція азотфіксації в екосистемах складає 178-190 млн. т. 5% від цього виробляють заводи азотних добрив у формі синтетичного аміаку, що синтезуються з молекулярного азоту і водню на каталізаторах при високих температурах і тисках.

Біологічний процес відновлення азоту являє собою ланцюг ферментативних реакцій, у яких головну роль відіграє фермент нітрогеназа. Активний центр цього ферменту складається з комплексу двох білків, що містить залізо, сірку і молібден.

У передачі електронів нітрогенозі бере участь залізовмісний водорозчинний білок-фермент феродоксин, при цьому витрачається АТФ, а в активізації водню води і переносі протонів – фермент гідрогеназа.

Останнім часом стало відомо, що метаногени (архебактерії) також можуть вловлювати азот і мають особливу термостабільну ферментативну систему азотфіксації, відмінну від термолабільної системи еубактерій. Таким чином, хоча властивість фіксувати азот властива багатьом організамам, вона обмежена тільки царством прокаріот. У мікроорганізмів – азотофіксаторів зустрічаються усі відомі типи метаболізму. Серед них є аероби з дихальним енергетичними обміном, анаероби, що здійснюються бродіння, хеморганаторни, автотрофи – фатосинтетики і хемолітоавтотрофи. Фіксація молекулярного азоту для них не обов’язковий процес, тому в присутності азоту в іншій формі – мінеральній або органічний – вони забезпечують потреби зв’язаним азотом.

Велике значення для активної азотфіксації має кисневий стан, тому що фермент ніторгеназа гальмується молекулярним киснем. У різних мікроорганізмів виробилися різні механізми захисту нітрогенозного комплексу від кисню.

В аеробних бактерій – діазотрофів відбувається активне зв’язування кисню за рахунок зростання рівня дихання при азотфіксації. Інший механізм захисту нітрогенози в аеробних умовах – комформаційна зміна тих компонентів ферментних білків, що чутливі до кисню.

У ціанобактерій, що виділяють внутрішньоклітинний кисень при аеробному фотосинтезі, процес азотфіксації локалізований у нефотосинтезуючих гетеро цистах, де він просторово ізольований від кисню.

МЕХАНІЗМ ФІКСАЦІЇ МОЛЕКУЛЯРНОГО АЗОТУ ПОВІТРЯ

Молекулярний азот N2 складає 80% атмосферного повітря. Однак в такому вигляді він недоступний для вищих рослин. Вони можуть засвоювати лише його аміак, яких дуже мало в атмосфері. Тому основними джерелами азоту для рослин служить його мінеральні сполуки з ґрунту. Рослини мають здатність до автотрофного засвоєння не лише вуглецю і азоту.

При фіксації азоту в біологічних системах молекулярний азот атмосфери перетворюється на початку в амоній, який в більшості випадків швидко асимілірується в клітини у вигляді органічних сполук азоту. Було підраховано, що кожного року фіксуються від 100 до 200 млн. т. азоту, що становить більше 70% надходження азоту в ґрунт і воду земного шару. Із інших 25-30% близько 15% приходяться на долю азотних добрив, а решту 10% на долю окислів азоту, утворення яких зв’язано з електричними у атмосфері ультрафіолетової радіації і роботою двигунів внутрішнього згорання. Фіксація азоту в біологічних і небіологічних системах дозволяє компенсувати втрати фіксованого азоту в атмосфері при денітраоргації. Не слід забувати що молекулярний азот атмосфери або верхніх шарів поверхні землі може бути використаний рослинами тільки після його фіксації у виді амонію, а потім нітратів і т.д.

Здатність фіксувати азот володіють найбільш примітивні живі організми, наприклад, бактерії. Азотофіксуючі системи можна розділити на дві категорії: 1) вільноживучі організми

2) симбіотичні асоціації між вільноживучими організмами і вищими рослинами.

ВІЛЬНОЖИВУЧІ СИСТЕМИ

Здатністю фіксувати азот володіють бактерії, які належать до багатьох різних родів і знаходяться у самих різноманітних умовах, однак ці бактерії звичайно не фіксують азот, якщо він уже присутній у навколишньому середовищі у зв’язаній формі. Крім того, продукт первинної фіксації – амоній – завжди асимілірується швидко так, що для рослин фіксований азот стає доступний лише після гниття і розкладу мікробів. Кількість азоту фіксованого вільноживучими бактеріями з труднощами підрахувати, але вважають, що ці організми вносять в ґрунт в 1000 раз менше фіксованого азоту, чим симбіозі з бавовни.

З екологічної точки зору ціанобактерії – найбільш важливі фітотрофи, використовують сонячну енергію для фіксації двохоокисного вуглецю. Для фіксації азоту ці організми використовують сонячну енергію, але ці процеси контролюються коли водорості потрапляють у темноту. Інакше відбувається із звичайними бактеріями здатними фіксувати азот: у природних умовах ці організми рідко забезпечити енергетичними субстратами в кількостях, дозволяючих їм підвищити вміст азоту в навколишньому середовищі шляхом експорту фіксованого азоту, коли його утворення перевищує нормальну потребу клітин. Більшість вільноживучих ціанобактерій фіксують азот в спеціалізованих клітинах називається гетероцистами, які дозволяють ізолювати місця фіксації азоту від кисню – міцного інактиваторами білків, беручи участь в процесі фіксації азоту. (С.М. Брей)

Другі представники цієї групи організми, які утворюють гетероцист можуть фіксувати азот лише при низькому парціальному тиску кисню в середовищі і мало освітленому. Ціанобактерії завжди першими заселяють сухі і неродючі зелені їм головне екологічний вклад, кругообіг азоту зв’язаний із симбіозом в якості вільноживучих організмів, вони фіксують в декілька сот раз більше азоту чим такі вільноживучі бактерії, як Clastridium i Arotobactet.

СИМБІОТИЧНІ СИСТЕМИ – АСОЦІАЦІЯ

МІКРООРГАНІЗМІВ І РОСЛИН.

Із сільськогосподарської точки зору ці системи відіграють найбільш важливу роль по двом причинам:

азот фіксується близько від коренів потребуючих в них рослин;

частина амонію утвореного у результаті фіксації і використовується мікросимбіонтам для росту і підтримання його клітин, більша частина амонію транспортується у клітини господаря і може бути використано для підтримання ростових процесів.

Бобові рослини і види Rhizobium. Група квіткових рослин належить до родини Meguminosae, яка включає горох, квасолю, конюшину, люпин, сою і арахіс. Більшість представників цієї родини здатні фіксувати азот у симбіозі з бактеріями роду Rhizobium ця симбіотична асоціація відіграє дуже важливу роль в сільському господарстві. Існує деяка специфічність бобових рослин по відношенню до заселення їх видом Rhizobium. Бактерії колонізують коріння рослин приблизно коли починають появлятися перші листки, але в різних амбіотичних асоціаціях природи початок колонізації може бути неоднаковий.

Першим кроком у колонізації рослин різними видами Rhizobium є пізнання бактеріями рослин-господаря. Роль компонентів системи пізнання в клітинах рослин відводиться ростовим білкам леатинам, якs можуть зв’язуватися з специфічними залишками цукрів. (С. Д. Брей). Ці лектини рослин можуть взаємодіяти з специфічними бактеріями цього роду, що забезпечує рослинам пізнання і контакт з потрібними видами Rhizobium. Бактерії Rhizobium проникають в господаря через кореневі волоски, які деформуються під дією гормоноподібної речовини, утвореною бактеріями. Від місця проникнення бактерій у кореневій волосок розвивається тяж, по якому вони переміщаються, розмножуються по мірі руху по волоску в тканинах кореня. Здатність різних штамів Rhizobium фіксувати азот неоднаково і залежить від того, яка рослина-господар ними заражена, тому зрозуміло, як важливо з практичної точки зору, щоб заразивши сільськогосподарські рослини бактерії могли ефективно фіксувати азот, тим більше, що після заселення рослин одним штамом Rhizobium другі штами в нього уже не проникають. Заселення клітин кореня рослин-господаря проходить після вивільнення бактерій із тяжка і зв’язане з діяльністю двох ферментів, гідролізують квіткову стінку – пектинози із клітин Rhizobium і целюлози із ростовими клітинами, які допомагають проникненню бактерій в клітини рослин, де бактерії продовжують ділитися. В результаті ростова клітина переповнена бактеріями, які припиняють потім ділитися, збільшуються у розмірах ґрунту в 40 раз і одночасно змінюють свою будову і функцію, перетворюючи у бактероїди багаті нітрогеназою – ферментом відповідальним за фіксацію азоту.

Одночасно з вторгненням Rhizobium в клітини рослин господаря починається активне ділення інфікованої клітини і декілька шарів сусідніх неінфікованих клітин. Це сприяє поширенню бактерій і призводить до утворення кореневих бульбочок, які характерні для цієї симбіотичної асоціації.

Внутрішня частина інфікованих і неінфікованих клітин бульбочок оточена кортикальним шаром незаражених клітин господаря. Інфіковані клітини внутрішньої зони дозрілих кореневих бульбочок містять один або декілька бактероїдів, оточених мембранною оболонкою, в які локалізований червоний пігментний білок, леггемоглобін обумовлюючи характерне забарвлення бульбачків, активно фіксуючи азот.

Леггемоглобін – це білок, який утворюється у фіксуючих азот бульбочок в середині бульбочок локалізованих тільки у інфікованих клітинах, де міститься 25-30% всього розчиненого білку клітини. По своїм властивостям леггемоглобін подібний до мніглобіну і його синтез кодується ДНК генами клітини рослини-господаря, а не ДНК інфіцируючого штаму Rhizobium. Щоб симбіотична система могла фіксувати азот, вона повинна задовольняти три обов’язкові вимоги: 1) утворення кореневих клубочків; 2) диференціація бактерій в бактероїди; 3) утворення леггемоглобіна.

При виконанні цих умов фіксація азоту буде продовжуватись на протязі всього життєвого циклу рослин: звичайно до формування насіння, коли бульбочки старіють і фіксація азоту припиняється. Деякі бактероїди втрачають здатність до дальшого розмноження, але частина зберігає життєздатність після старіння і одержання рослин-господаря живуть у ґрунті до початку нового вегетативного періоду.

ШЛЯХИ ПОПОВНЕННЯ ВМІСТУ БІОЛОГІЧНОГО АЗОТУ В ҐРУНТІ

Поповнити вміст біологічного азоту можна заробленням у ґрунт соломи, зелених добрив, а також соломи разом з сидератами.

Солома – не тільки цінний корм для великої рогатої худоби, добрий підстилковий матеріал, але і сировина для приготовлення різних компонентів. В період збирання її можна вносити в ґрунт, особливо на віддалених полях, де перевозка і скиртування невигідні. Солома містить всі мікро і макроелементи і після мінералізації у ґрунті є джерелом живлення для рослин. Із 1т. соломи може синтезуватися біля 180кг. гумусу, а із 1т. соломистого гною – 50-60-кг. Однак в соломі зернових міститься велика кількість безазотистих речовин: целюлози – 33-35%, геміцелюлоза – 21-22%, лігніну – 18-22%, а також білка 3-5%, азоту і мінеральних солей – 4-6%.

Широке відношення вуглецю до азоту (90:1) затримує біологічне розкладання соломи. В процесі мінералізації соломи целюлозорокладаючі мікроорганізми потребують із ґрунтових запасів мінеральний азот (NH4NO3). Це проходить до того часу, поки відношення С:N у свіжій соломі не зменшиться до (20-25):1. При досягненні цієї степені розкладання, закріплений мікроорганізмами азот мінералізується і знову стає доступним для рослин.

Якщо іммобілізація азоту ґрунту співпадає з періодом засвоєння поживних речовин існуючими небобовими рослинами, то останні можуть відчувати недостаток азоту. Необхідно на кожну тонну соломи вносять на слабокультурних ґрунтах 8-10кг., а не висококультурних – 5-6кг мінерального азоту. Це призводить до звуження відношення С:N соломи до (20-30):1.

Допоміжну дозу мінерального азоту виділяють у залежності від вмісту в соломі азоту, типу ґрунту, її механічного складу, фізичних властивостей, показника рН, родючості, погодних умов (вологості, температури), глибини заробки і виду соломи. Із недостачі азотних добрив солому у багатьох господарствах заробляють у чистому виді, ефект цього прийому різко знижується.

Фосфор мало впливає на швидкість розкладання соломи в ґрунті ніж азот. Для мікроорганізмів розкладаючих солому, необхідно також і фосфор, який має велике значення в клітковому обміні. Зона протоплазми мікробів може містити до 25% цього елемента. Тому на ґрунтах бідних фосфором потрібно додатково вносити фосфорні добрива.

При мінералізації соломи мікроорганізмами поглинають калій. В зоні протоплазми містять 37% калію. Але ні рослини, ні мікроорганізми не відчувають недостатку в калію при розкладанні заробленої в ґрунт соломи.

Солома зернових культур – ефективне органічне добриво. Внесення мінерального азоту в дозі N10 сприяє процесу гуміфікації соломи в ґрунті, що відбувається більш інтенсивно ступінь розкладу соломи підвищується, а коефіцієнт її гуміфікації в ґрунті перебувають на рівні коефіцієнтів гуміфікації гною. Зазначені процеси проявляються інтенсивніше під час заробки соломи в шар ґрунту 0-5см. Поверхнева заробка соломи сприяє більшому на 15-20% виходу новоутворених речовин і зміні їхнього групового складу порівно з заорюванням. Внесення компенсаційної дози азоту підсилює гуміфікацію соломи і сприяє підвищенню в 1,3 рази гуматності новоутворених гумусових речовин.

Збагачення з року в рік верхньої третини гумусового горизонту післяживними, кореневими рештками і соломою зернових культур сприяє поповненню складу ґрунтової мікрофлори.

При цьому у верхньому шарі відбувається збільшення вмісту на 26-30% екологотрофічних груп мікроорганізмів (бактерій і грибів), які використовують органічний азот, порівняно із заорюванням, а в шарі ґрунту 15-30см на 20-30% зменшується вміст бактерій, які використовують мінеральний азот. Це забезпечує гальмування процесів мінералізації і активізує процес гуміфікації органічної речовини внесеної в ґрунт.

Для азотної недостатності при біологічному розкладанні соломи вносять 8-10кг діючої речовини на 1т післяживних решток. Одна тонна соломи з компенсацією азотної недостатності за дії й після дії на врожай і накопичення гумусу ідентична внесенню 4-5т напівперепрілого гною внесення соломи ефективніше проявляє свою дію за виконання системи обробітку ґрунту, яка полягає у систематичному обробітку ґрунту і заробкою гною, післяживних, кореневих решток і соломи їх заорювання сприяє простому відтворенню гумусу, а заробка у верхніх шарах дисковою бороною – розширеному.

Цей підхід поліпшує всі ґрунтові режими: водний, тепловий і повітряний, фітосанітарний внаслідок поліпшення гумусового стану.

Заслуговують уваги технологія використання соломи разом з бобовими сидератами. При спільному використанні зеленого добрива і соломи розкладання органічної речовини протікає нормально при відношенні С:N в межах (20-30):1.

Існує 2 способи використання соломи з сидератами.

При першому під покрив озимини або ярих зернових пересівають бобові сидерати (багаторічний люпин, середела). Після обробки покривної культури подрібнена солома залишається на полі у виді мульчі під ростучі сидерати, який весною наступного року заробляють під просапні культури.

При другому способі після обробки зернових подрібнену солому розкидають по полю і заробляють, потім висівають по жниву бобові сидерати (вузьколистий люпин, пелюшка) пізно осінню їх заробляють під ранні ярі культури.

Солома і поживні сидерати мало впливають на врожайність першої культури. Заробка багаторічного люпину забезпечила таку ж надбавку, як використання гною в дозі 30т/га. Однак внаслідок заробки соломи дала реальну добавку урожайності зерна ячменю і вівса 0,35т/га., соломи разом з підживними вузьколистим люпином 0,68т/га., з багаторічним люпином 0,9т/га., з гірчицею білою 0,6т/га. Внесення соломи разом з зеленим добривом сприяє активізації біологічних процесів у ґрунті. При цьому активізуються діяльність ґрунтових вільноживучих мікроорганізмів флори, здатні фіксувати атмосферний азот, збільшилася ферментативна активність ґрунту.

В результаті активізації біологічних процесів, особливо азотофіксатори мікрофлори на фоні використання сидерата в сукупності з соломою покращує забезпечення рослин доступними формами азоту, створилися кращі умови для формування врожаю.

Зелене добриво одержують від рослин вирощеної для зеленої маси, яку заорюють у ґрунт для збагачення ґрунту органічною речовиною, азотом і іншими елементами живлення цей прийом називають сидерацією. Сидерати заорені у ґрунт підвищують вміст гумусу, буферність, збільшують водостійкість структурних часток ґрунту, капілярну вологоємність та ємність катіонного обміну. Посіви сидератів пригнічують сходи і ріст бур’янів і поліпшують фітосанітарний стан ґрунту. На зелене добриво вирощують люпин однорічний і багаторічний, горох, серадела, які у процесі азот фіксації накопичують азот від 150-300 кг/га та органічної речовини яка рівноцінна 30-40т/га гною. Для поповнення органічної речовини і захисту від вимивання нітратів у осінній період у зеленій масі сидератів міститься N як у гною, але менше Р і К, а тому треба вносити Р і К добрива. Коефіцієнт використання азоту із зелених добрив у перший рік вдвічі вищий ніж із гною. Бобові сидерати багаті на білок і мають вузьке співвідношення С до N. Швидко розкладаються тому доорюють не задовго до посіву. Глибинне заорювання впливає не урожай і нагромадження гумусу. За неглибокого заорювання підвищується урожай і значно впливає на накопичення гумусу, а глибоко загортають на легких ґрунтах.

Скошують і заорюють люпин у фазі сизих бобиків у цей час швидко накопичується азот. На піщаних ґрунтах за 15 днів до посіву озимини, а на важких за 25 днів. Зелена маса люпину буває 150-160т/га, яка містить 80-175 кг/га азоту.

Вплив на фізичні властивості ґрунту сидератів. Ґрунт під сидератами менше розливається і ущільнюється, вода добре поглинається. Під сидератами немає бур’янів, вони їх пригнічують. Також нейтралізуються кислотність.

ФАКТОРИ ЯКІ ВПЛИВАЮТЬ НА ФІКСАЦІЮ МОЛЕКУЛЯРНОГО АЗОТУ.

Клубочкові бактерії володіють здатністю асимілювати значну кількість атмосферного азоту і постачати бобовим рослинам. Добрі посіви конюшини і люцерни можуть зв’язати у рік до 400кг/га азоту. В даний час відомо приблизно 200 видів бульбучкових бактерій, які здатні до азотфіксації і представляють інтерес для землеробства.

Клубочкові бактерії дуже чутливі до низького значення рН ґрунтового розчину. Так, конюшина може добре рости при рН 4, якщо його постачати мінеральним азотом, однак його клубочкові бактерії нездатні до азотфіксації. Клубочкові бактерії люпину, конюшини і квасолі характеризуються найбільшою кислотністю, а в люцерни низька границя рН лежить у інтервалі 4,8-5,2. Високі концентрації нітратів і амонію в поживному середовищі подавляють утворення на коренях бульбочок і знижують їх активність. Мобілізація азоту збільшується при підвищенні температури до 22оС, максимальна при 26-27оС. Найбільш активно проходить цей процес у верхніх горизонтах ґрунту, володіючи високою біологічною активністю. Так, по даних П. М. Смирнова на дерново-підзолистих ґрунтах з непорушеною структурою в товщі шару 40-85см. закріпилося в органічні форми лише 1-4% внесеного азоту. В слої промивного водного режиму викликати рух нітратів в глибоких горизонтах, розміри мобілізації мінерального азоту знижуються, складає у розрахунку на 165 – сантиметрову товщу за 4,5 місяці приблизно 17%. У виді нітратів у профілі ґрунту виявлено 40% внесеного азоту, засвоєння його рослинами склало 34%. Втрати цього елемента живлення в умовах вимивання нітратів не перевищує 9%.

На фіксацію азоту впливає такий процес, як обробка насіння бобових культур перед посівом на основі бульбочкових бактерій виготовляють препарати нітрагін, нітразон, фосфоробактерії. Існують різні типи нітрагіну в залежності від способу його приготування: суміш бактерій із сухими наповнювачами для обробки насіння і водна суспензія бактерій для обприскування; препарат для інокуляції насіння методом вакуумної інфільтрації. Мікробіологічна промисловість випускала дві форми нітрагіну (сухий нітрагін) і ризоторфін (торф’яний нітрагін). Технологічна схема виробництва сухого нітрагіну включає наступні етапи: одержання посівного матеріалу > ферментація > зміщування рідкої культури з захисним середовищем > висушування розпилюючим способом.

Гектарна порція ризоторфіну – 200г. Передпосівна обробка насіння здійснюється шляхом розведення препарату у воді і перемішування його з насінням в день посіву. Висів обробленого ризоторфіном насіння необхідно здійснювати у вологий ґрунт, удобрений фосфором, калієм і мікрокислотами, особливо молібден. На ґрунтах слабокультурних, бідних на азот, застосування ризоторфіну варто поєднати з внесенням невеликих доз мінерального азоту не більше 45кг/га. Інокуляція бобових бульбочковими бактеріями особливо ефективна на площах, де раніше не вирощувалася дана бобова культура і відповідні специфічні бактерії в ґрунті відсутні.

На фіксацію азоту впливають макро і мікроелементи. Наприклад, мікроелемент сірка відіграє важливу роль в окисленні і відновлених процесах, активізації ферментів, синтез білків. Сірка бере участь в асиміляції нітратів рослиною стимулює її нагромадження. При нестачі сірки під час живлення рослин затримується синтез білків і нагромадження азоту у небілкові форми, нітратів. У бобових культур знижується життєдіяльність бульбочкових бактерій і синтез хлорофілу. Під впливом сірки збільшується не тільки урожай, а й покращується якість продукції і вміст білка може збільшуватися 2%. Загальний вміст сірки коливається від 20-35мг/м в ґрунті.

Молібден потрібний для живлення бобових культур і фіксації молекулярного азоту із повітря. Молібден є складовою частиною ферменту нітрат редуктоз, які беруть участь у відновленні нітратів у частинках кореня до аміаку.

Важливий фактор який впливає є світло. Має прямий зв’язок із живлення, зміна дня і ночі, зміна вологості, температури. Інтенсивність освітлення це виробилося у рослин і тому вони постійно реагують і як наслідок нормального розвитку.

Також впливає на фіксацію азоту механічний склад ґрунту, фізичні властивості, кількість гумусу, глибина одного шару, вологість ґрунту, пористість, щільність, аерація.