Получение ризоторфина (нитрагина)
Сложность азотного питания растений сводится к тому, что запасы доступных для них соединений этого элемента в почве незначительны. С урожаем зерновых ежегодно выносится из почвы 50 — 90 кг азота на каждые 10 ц зерна. Азотфиксаторы же создают естественное плодородие почвы, и человечество до появления химически связанного азота использовало лишь биологический азот.
В настоящее время азотфиксирующих микроорганизмов известно довольно много. Среди них есть и симбиотические, и свободноживу-щие виды. Наибольшее же значение для повышения урожая сельскохозяйственных культур имеет использование клубеньковых бактерий. Азотфиксирующие микроорганизмы, образующие клубеньки на корнях бобовых, относят к родам Rhizobium nBradirhizobium. Бактерии «узнают» своего хозяина (бобовое растение) по гликопротеипу — лектииу, расположенному на корневых волосках. При внедрении Rhizobium в корневые волоски образуются так называемые инфекционные нити, в которых находятся размножающиеся бактерии и которые проникают в кору корня и достигают тетраплоидных клеток, после чего начинают формироваться клубеньки. В зрелом состоянии в последних на продольном срезе можно выделить четыре типа тканевой дифференциации: кора, меристема, сосудистая система и бактероидная зона. Последняя занимает центральную часть клубенька, причем в начале его формирования клетки находятся в обычной форме, а затем образуют бактероиды, которые фиксируют молекулярный азот. Появление клубеньков происходит во время развития первых настоящих листьев (в том числе и у однолетних растений). Функционируют они недолго — некроз начинается во время цветения растения. Часть бактеро-идиых клеток лизируется, другая попадает в почву в виде мелких кокков. Фиксация молекулярного азота клубеньковыми бактериями ведет к образованию аммиака, из которого затем синтезируются аминокислоты. Этот процесс часто сопровождается выделением молекулярного водорода:
N2+ 8Н++ 8е + пАТФ -> 2NH3+ H2+ пАДФ + пФ
Многие клубеньковые бактерии содержат гидрогеназу, которая катализирует окисление водорода, в результате чего происходит его рециклизация. В образовании из азота аммиака и водорода участвует иитрогепаза — фермент, состоящий из компонента I — молибдофер-редоксина (железомолибденсодержащий белок) и из компонента II — азоферредоксипа (железосодержащий белок).
Нитрогеназа образуется и активна лишь в анаэробных условиях, поэтому в клубеньках имеется железосодержащий пигмент — легге-моглобии, который обратимо связывает молекулярный кислород. В последние годы показана возможность фиксации азота и чистыми культурами некоторых азотфиксаторов в условиях низкого парциального давления кислорода.
Сразу после открытия явления симбиотрофиой фиксации молекулярного азота возникла мысль использовать ее для практических целей. Сначала для этого применяли почву, на которой выращивались бобовые культуры, ее разбрасывали па площадях для посева бобовых там, где они раньше не выращивались. Более эффективным оказалось собирание с их корней клубеньков, которые затем подсушивали и топко размельчали. Таким материалом, с добавлением талька и бентонита, обрабатывали семена бобовых перед посевом.
В 1896 г. в Германии Ноббе и Гильтпер изготовили препарат, содержащий смесь клубеньковых бактерий, — нитрагин. В нашей стране в 30-х гг. XX в. такой препарат получали на торфе и называли ризоторфипом. Он наиболее эффективен при использовании под сою, люпин, люцерну, кормовые бобы. При этом наряду с увеличением урожая за счет существенного повышения содержания белка в растениях улучшается его качество. Процесс производства ризоторфииа включает следующие стадии.
A. Выращивание и хранение культуры клубеньковых бактерий.
Для этого используют растительные экстракты (отвары бобовых куль
тур), а также дополнительно обогащают сахарами (глюкозой, смесью
сахарозы с глюкозой) или маниитом. Пробирки со скошенным агаром
засевают соответствующим штаммом и выдерживают при 28 — 30 "С
от 4 до 10 сут. Выращенные культуры хранят в холодильнике (3 —
5°С).
Б. Получение жидкой культуры (инокулята). Оно происходит посредством культивирования в качалочных колбах или 5-литровых бутылях. При этом в первую емкость на 750 мл наливают 200 мл среды, а во вторую — 2 л. Бактериями с одного косяка засевают одну колбу, далее 3 — 5 % жидкой культуры, полученной в ней, засевается бутыль. Выращивают 48 — 96 ч. Выращенную культуру охлаждают до 10 — 15 РС и используют для инокуляции торфа.
B. Подготовка торфа. Для производства ризоторфииа „спользу-
ют преимущественно кислые или слабокислые торфа (рН 3,0 — 6,0),
предпочтительно древесно-осоковые и осоковые. Их очищают, высу
шивают (до влажности 25 — 30 %), размалывают (диаметр частиц —
0,1 мм), загружают в смеситель, увлажняют (до 35 — 40 % Н20),
прибавляют мел (до рН 6,8 - 7,0), перемешивают и фасуют в пакеты
по 150 — 160 г, запаивают.
Г. Стерилизация. Облучение торфа гамма-излучением дозой 2,5 Мрад
обеспечивает практически полную стерильность субстрата-носителя. >
Д. Инокуляция и хранение препарата. В стерильный пакет с тор-
фом вносят жидкий инокулюм клубеньковых бактерий. До инокуляции в жидкую культуру вводятся дополнительно стерильные растворы углеводов. Ииокулированные пакеты загружают во вращающийся барабан на 3 — 5 мин для перемешивания торфа с жидким ииокулю-мом. Хранят при 5 — 15 °С (до б мес).
Применение ризоторфина происходит таким образом:
1) осуществляется предпосевная обработка семян бобовых в день посева (200 г/га на норму семян);
2) его суспендируют в соответствующем количестве воды, и этой жидкостью обрабатывают семена;
3) суспензия бактерий вносится глубже расположения высеваемых семян.
Получение азотобактерина
В богатых органическим веществом, хорошо дренированных и увлажненных почвах значительное место занимают свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы. Большой интерес вызывают ассоциативные Azospirillum, обитающие в ризоплаие и гистосфере корней. Фиксация азота в значимых величинах имеется в ассоциации азоспирилл с С4-растениями - кукурузой, сахарным тростником, просом. Во Вьетнаме и некоторых других южных странах в качестве зеленого удобрения используют водный папоротник — азоллу, — в полостях листьев которого обитает азотфиксирующая цианобакте-рия Anabaena azollae. Его выращивают в особых прудах и вывозят на рисовые поля. Ведется изучение свободноживущих азотфиксиру-ющих цианобактерий в целях их использования для обогащения почв соединениями азота. Особое место среди них занимает азотобактер. При выращивании овощных культур — салата, томатов, огурцов — отмечалось благотворное влияние жидкой культуры этого азотфикса-тора на урожайность. Им обрабатывали корни рассады. Увеличение урожая было связано с образованием биологически активных веществ этими бактериями — антибиотиков, стимуляторов роста, витаминов. Вклад же в азотфиксацию был невелик. Однако в настоящее время исследуется возможность модификации Azotobacter с целью производства биологического удобрения азотобактерина.
Технология получения сухого азотобактерина.Азотобактерин — бактериальное удобрение, приготовленное на основе культуры сво-бодноживущего почвенного микроорганизма Azotobacter chroococcum, способного фиксировать до 20 мг атмосферного азота на 1 г использованного сахара. Более того, внесенные в качестве удобрения бактерии выделяют в почву биологически активные вещества (никотиновую и пантотеновую кислоты, пиридоксин, биотин, гетероауксин, гибберелин и др.), стимулирующие прорастание и развитие растений, а продуцируемые ими фунгицидные-вещества из группы анисомицина угнетают
развитие некоторых нежелательных микроскопических грибов в ризосфере растения.
Все виды азотобактера — строгие аэробы. Микроорганизмы особенно чувствительны к наличию в среде фосфора в виде органических и неорганических соединений и развиваются при высоком содержании его в питательной среде. Недостаток этого элемента замедляет развитие бактерий и снижает азотфиксирующую способность. Многие виды азотобактера фиксируют азот только в среде, обедненной связанным азотом или вовсе лишенной его. Эта способность культуры подавляется аммиаком, стимулирующее воздействие на нее оказывают соединения молибдена (иногда ванадия).
Установлено, что при фиксации азота процесс его восстановления протекает целиком на одном и том же синтезируемом азотобактером ферментном комплексе, и лишь конечный продукт (аммиак) отделяется от фермента. Ответственная за фиксацию иитрогеназная система представляет собой мультиферментный комплекс, содержащий не связанное с гемом железо, молибден и SH-группы.
Микробиологическая промышленность выпускает несколько видов азотобактерина: сухой, почвенный и торфяной.
Технология получения его в сухом виде имеет много общего с производством сухого нитрагина, поэтому будут рассмотрены только наиболее существенные их отличия.
Азотобактерин сухой представляет собой активную культуру высушенных клеток азотобактера с наполнителем, в 1 г которого должно содержаться не менее 0,5 млрд жизнеспособных клеток. Культуру микроорганизма получают методом глубинного культивирования на среде, содержащей все те же компоненты, что и при выращивании клеток Rhizobium. Дополнительно вводят сульфаты железа и марганца, а также сложную соль молибденовой кислоты. Значение рН среды культивирования составляет 5,7 — 6,5, аэрация — 1 объем воздуха на 1 объем среды в 1 мин.
Процесс ферментации проводят до начала стационарной фазы роста культуры, так как во время нее биологически активные вещества выделяются из клетки и остаются в культуральной жидкости. При этом существует опасность, что с их выходом клетки могут утратить способность фиксировать атмосферный азот после внесения в почву.
Биологически активные вещества полностью или частично могут теряться и в процессе высушивания клеток, однако оставшиеся жизнеспособными клетки после выведения азотобактера из анабиоза восстанавливают способность к их продуцированию. Высушенную культуру стандартизуют путем добавок необходимого количества наполнителя и фасуют в полиэтиленовые пакеты по 0,4 — 2 кг, которые герметизируют и хранят при температуре не выше 15 °С в течение не более 3 мес.