Бактерии, открытые Виноградским

Сергей Николаевич Виноградский, выдающийся русский микробиолог, долгое время работавший в Пастеровском институте в Париже, внес огромный вклад в развитие микробиологии. Центральной темой его исследований было изучение автотрофных бактерий. Вслед за работами, посвященными серобактериям и железобактериям, ученый занялся изучением химических превращений аммиака в почве.

В 1890 году ему удалось выделить из почвы культуру микробов, очень чувствительных к минимальным количествам органических соединений и потому не растущих на обычных питательных средах с желатиной или агаром. Когда же он применил неорганическое студенистое соединение силикагель и, поместив его в чашки Петри, добавил несколько капель минеральных соединений (среди которых был и аммиак), а сверху присыпал комочками почвы, то вскоре увидел, что около них выросли колонии бактерий. Это были автотрофные нитрифицирующие бактерии, обладающие способностью превращать почвенный аммиак сначала в нитриты, а затем в нитраты. В обеих фазах этого окислительного процесса освобождается энергия, используемая нитрифицирующими бактериями при ассимиляции углекислого газа в процессе хемосинтеза.

Нитрифицирующие бактерии чрезвычайно полезны для сельского хозяйства. В течение лета на 1 га хорошо обработанной почвы они преобразуют до 200 кг аммиачного азота в нитраты, делая таким образом этот азот доступным для растений.

Независимые растения

Среди культурных растений есть такие растения, которые не нуждаются в азотном удобрении. Это бобовые. К ним относятся клевер, люцерна, горох, фасоль, соя и др. Уже в Древнем Риме было известно, что бобовые улучшают свойства почвы и что урожай на полях, где предшествующей культурой были бобовые, всегда богаче.

В прошлом веке было установлено, что бобовые растения содержат в 2–3 раза больше азота, чем любые другие культурные растения. Содержание белка в них даже выше, чем в мясе. Каково же происхождение азота в этих растениях? Если мы осторожно выдернем из почвы растения клевера или гороха, то обнаружим на их корешках вздутия – клубеньки. В этих клубеньках живут так называемые клубеньковые бактерии. Они‑то и являются причиной высокого содержания белка, поскольку усваивают азот непосредственно из воздуха. Единственной доступной для них фермой азота является молекулярный азот, запасы которого в атмосфере неисчерпаемы. В процессе превращения молекулярного азота в аминокислоты часть этих соединений остается в клубеньках, откуда они распространяются затем по всему растению. Так бобовое растение, неспособное самостоятельно синтезировать органические соединения из газообразного азота, получает их недорогой ценой от клубеньковых бактерий. Взамен оно отдает им воду, минеральные соли и запас энергии в форме сахаров, образующихся при фотосинтезе. Эти вещества в свою очередь служат необходимым питанием для клубеньковых бактерий, нуждающихся в готовых углеродных соединениях. Таким образом, пребывание клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений очень выгодно для обоих партнеров – бактерий и высших растений. Такое взаимовыгодное сожительство двух различных организмов мы называем симбиозом.

Другие фиксаторы азота

В 1893 году С. Н. Виноградский сообщил ученому миру интересные данные о другом виде бактерий, выделенном им из почвы и названном в честь Пастера Clostridium pasteurianum. Он выращивал эти бактерии на питательной среде, лишенной азота, и они нормально росли и размножались. Через некоторое время Виноградский обнаружил, что питательная среда обогатилась соединениями азота, отсутствовавшими в ней ранее. Он установил, что С. pasteurianum способны усваивать азот из воздуха и «вырабатывать» из него белки. Этот микроорганизм относится к анаэробным бактериям, которые обитают в бескислородной среде.

Спустя восемь лет после открытия этих бактерий голландский микробиолог Мартин Бейеринк обнаружил в почве еще один вид, способный фиксировать атмосферный азот, и назвал его Azotobarter chroococcum. Это был тот самый Бейеринк, который одновременно с Ивановским открыл существование вирусов, о чем будет рассказано в 10‑й главе. Любопытная деталь: будучи убежденным холостяком, Бейеринк свои лекции в университете всегда начинал обращением «Господа и дамы!» Когда один из его ассистентов женился, он прервал с ним всякие отношения, заявив: «Ученый не имеет права жениться!»

Связывание (фиксация) атмосферногр азота бактериями – процесс огромной важности. Молекулярный азот, недоступный никаким другим организмам, преобразуется в соединения, которые могут использоваться как легкоусвояемая пища. Очень любопытен химический механизм этого явления.

При химическом производстве азотных соединений из атмосферного азота применяются методы резких температурных скачков и сложная химическая аппаратура. Химики улавливают азот из воздуха при помощи мощной электрической дуги, сквозь которую прогоняют струю воздуха при температуре 3000 °C. Затем образующийся газ пропускают через воду, и азотные соединения, связываясь с водой, превращаются в азотную кислоту. По другой методике воздух охлаждают до –194 °C; азот отделяют от остальных составных частей воздуха, смешивают с водородом в отношении 1:3, подогревают до 550 °C, и тогда под высоким давлением в присутствии катализатора образуется аммиак. В результате взаимодействия аммиака с кислородом в присутствии платинового катализатора образуется азотная кислота[18].

Насколько же проще делают все это мельчайшие клетки бактерий, усваивающие атмосферный азот! Им достаточно одних остатков растений, служащих источником углерода и энергии. Они живут во мраке, во влажной, теплой почве и, невидимые, неслышные, усваивают азот из богатейшей природной кладовой. При помощи своих ферментов они преобразуют его в значительно более сложные соединения, чем может даже представить человек. И в результате всех этих превращений в клетках бактерий создаются белки, без которых невозможна жизнь на нашей планете.

Связывание атмосферного азота имеет и огромное хозяйственное значение. Согласно некоторым подсчетам, бактерии поставляют в почву до 9 830 000 т азота в год. В пересчете этого количества азота на такое промышленное азотное удобрение, как натриевая селитра, мы получили бы астрономическую цифру. Если бы бактерии не обогащали почву азотом, нам пришлось бы тратить на удобрение до 150 000 000 т натриевой селитры в год. Только на транспортировку такого количества потребовалось бы 300 000 поездов по 50 вагонов.

Естественно, что эта способность азотфиксирующих бактерий уже давно привлекала к ним внимание микробиологов. Они использовали эти организмы в виде так называемых бактериальных культур, которые заделываются в почву. Почва обогащается азотом, и ее плодородие значительно повышается.

В Японии и Индии при выращивании риса в последние годы стали применять новое микробное удобрение. Это удобрение содержит культуры сине‑зеленых водорослей, очень быстро размножающихся на заливаемых водой рисовых полях. К тому же они не только связывают атмосферный азот, в них происходит еще и процесс фотосинтеза, что поддерживает деятельность других микроорганизмов и влияет на повышение урожаев риса.

Таким образом, знания ученых о способах питания микроорганизмов с успехом используются для повышения урожайности культурных растений, то есть теоретические исследования микробиологов и в сельском хозяйстве приносят богатые практические результаты.

Круговорот веществ в природе, в котором деятельное участие принимают микроорганизмы.