15096 (Роль биологического азота в азотном балансе почв)

Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева

Кафедра Микробиологии

Курсовая работа

На тему: «Роль биологического азота в азотном балансе почв»

Выполнил студент 2 курса

группа 22 (ЗАО):

Проверил:

Москва, 2009г.

Аннотация

В настоящей работе рассматривается процесс биологической азотфиксации, протекающий в условиях почвенной среды. Особое внимание уделяется практическому использованию азотфиксации в сельскохозяйственном производстве, поскольку азот, усвоенный микроорганизмами (биологический азот), существенно может пополнить азотный фонд почвы и способствовать повышению плодородия почв. «Биологический» азот позволяет восполнить дефицит минеральных азотных удобрений и дает возможность экономнее их расходовать. Рассказывается о свободноживущих микроорганизмах и их роли в обогащении почвы азотом. В третьей главе освещается значение клубеньковых бактерий в агротехнике бобовых культур. Широко представлены методы исследования биологической азотфиксации, а также, на мой взгляд правильно изложены принципы управления биологической азотфиксацией. Планетарная биологическая (симбиотическая и несимбиотическая) фиксация углерода и азота – непреходящий и самый мощный фактор плодородия почвы и жизни на земле. Совершенно очевидно, что почти весь азот, содержащийся в населяющих нашу планету живых организмах, имеет своим источником биологическую фиксацию азота атмосферы. В шестой главе указаны пути повышения эффективности биологической азотфиксации, а в самой последней главе широко освещается роль биологического и технического азота в земледелии России и других стран.

Введение

Биологический азот, который фиксируется из атмосферы в результате жизнедеятельности свободноживущих и симбиотических микроорганизмов, является значительным добавочным резервом азотного питания растений. Он представляет собой важную приходную статью азотного баланса мирового земледелия. По подсчетам исследователей, сельскохозяйственными культурами потребляется в год не менее 25 млн. т фиксируемого в биосфере биологического азота. Размеры ежегодной несимбиотической фиксации атмосферного азота в умеренной зоне колеблется в пределах 10-30 кг/га. Еще больше биологического азота накапливается в результате деятельности бобово-ризобиальных симбиотических систем: на каждый гектар посевов бобовых культур поступает 50-300 кг азота. Обогащение почвы азотом после бобовых позволяет в 1,5-2 раза снизить дозу внесения азотных удобрений под последующие культуры.

Велика роль бобовых культур как продуцентов кормового белка. Усвоенный азот атмосферы они переводят в биологически ценные белки, которые богаче аминокислотами, чем белки зерна, а также лучше усваиваются животными. Биологический азот отличается полной безвредностью для окружающей среды, в то время как технический легко вымывается, загрязняет нитратами грунтовые воды и открытые водоемы, может аккумулироваться в растительной продукции в избыточных количествах и вызывать тяжелые заболевания у человека и животных.

Биологический азот азотфиксаторы «поставляют бесплатно», а применение 1т минеральных азотных удобрений с учетом затрат на их приобретение, перевозку, хранение и внесение обходится очень дорого. Биологическая азотфиксация осуществляется за счет энергии Солнца, в то время как получение и применение 1 кг азотных удобрений сопряжено с большими энергозатратами (6-10 тыс.ккал).

Содержание

Аннотация

Введение

1. Биологическая и абиологическая фиксация азота

2. Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы и их роль в обогащении почвы азотом

а) значение азотобактера в практике сельского хозяйства

б) роль Clostridium в пополнении азотного фонда почвы

в) значение других видов микроорганизмов в пополнении азота в почве

3. Симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы: значение клубеньковых бактерий в агротехнике бобовых культур

4. Методы исследования биологической азотфиксации

5. Принципы управления биологической азотфиксацией

6. Пути повышения эффективности биологической азотфиксации

а) агротехнические мероприятия

б) применение бактериальных препаратов в земледелии

7. Роль биологического и технического азота в земледелии России и других стран

Заключение

Библиографический список

1. Биологическая и абиологическая фиксация азота

Основная масса азота на Земле находится в газообразном состоянии и составляет свыше ¾ атмосферы (78,09% по объему, или 75,6% по массе). Практически запас азота нашей планеты неисчерпаем – 3,8*10 т N2. Азот – довольно инертный элемент, поэтому редко встречается в связанном состоянии. Это один из основных биофильных элементов, необходимый компонент главных полимеров живых клеток – структурных белков, белков-ферментов, АТФ, нуклеиновых кислот. Никакой другой элемент так не лимитирует ресурсы питательных веществ в агросистемах, как азот. Он может стать доступным для живых организмов только в связанной форме, т.е. в результате азотфиксации.

Азотфиксация – биологический процесс, и единственными организмами, способными его осуществлять, являются прокариоты (эубактерии и архебактерии). Эти микроорганизмы частью самостоятельно, а частью в симбиозе с высшими растениями превращают молекулярный азот (N2) в органические соединения и интегрируют его (непосредственно или через растение) в белок, который, в конце концов попадает в почву.

Небиологические процессы фиксации азота (грозовые разряды, УФ – лучей, работа электрического оборудования и двигателей внутреннего сгорания) в количественном отношении весьма несущественны, так как все вместе дают не более 0,5% связанного азота. Даже вклад заводов азотных удобрений, производящих синтетический аммиак по методу Габера – Боша, составляет лишь 5%. Следовательно, свыше 90% всей фиксации молекулярного азота атмосферы осуществляется в результате метаболической активности микроорганизмов.

Азот, который поступает в растение и включается в состав белков, нуклеиновых кислот и других компонентов клеток в результате связывания микроорганизмами, носит название «биоло財ический», а сами микроорганизмы, фиксирующие молекулярный азот атмосферы, - азотфиксаторами, или диазотрофами, т.е. использующими как N2, так и связанные формы азота.

2. Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы и их роль в обогащении почвы азотом

а) Значение азотобактера в практике сельского хозяйства

В 1901г.голландский ученый Мартин Бейерик выделил из огородной почвы чистую культуру аэробного фиксатора азота, названного им Azotobacter chroococcum, который активно связывает атмосферный азот и обогащает им почву. Клетки азотобактера шаровидной, иногда овальной формы, располагаются попарно или по четыре и окружены слизистой капсулой. Для молодых клеток характерны палочковидная форма, жгутики, для старых – форма неподвижных кокков, содержащих различные включения. 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. Колонии азотобактера напоминают слизь, которая вначале белого цвета, затем буреет и приобретает коричневый оттенок. 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.

Азотобактер в нашей стране начали применять с 1933г. В практике используют почвенный и агаровый препараты. Почвенный, или торфяной, азотобактерин обычно готовят на местах. Почвенный азотобактерин вносят под технические культуры из расчета 3кг/га, а под картофель и рассаду овощных культур – 6-9кг/га. Слегка смоченные семена посыпают азотобактерином и тщательно перемешивают. Сразу после обработки проводят посев. Азотобактерин можно вносить в лунки перед посадкой картофеля или овощей, а также в торфоперегнойные горшочки, что способствует повышению урожайности овощных культур. Агаровый азотобактерин применяют после смыва его с поверхности среды водой. Для этого в бутылку с препаратом наливают немного воды, встряхивают, разводят, а затем обрабатывают клубни картофеля, корнеплоды овощных культур, реже – семена зерновых культур, после чего немедленно высаживают. Все это необходимо делать под навесом, так как солнечные лучи могут убить клетки азотобактера.

б) Роль Clostridium в пополнении азотного фонда почвы

Из бактерий ныне известно уже несколько видов, для которых свободный азот представляет вполне пригодную пищу. Наиболее обстоятельно изучена в этом отношении открытая и исследованная Виноградским бактерия Clostridium Pasteurianum, которая живет в почве и пользуется очень широким распространением. Клетки Cl. pasteurianum крупные, их длина 2,5—7,5 мкм, ширина 0,7 —1,3 мкм. Располагаются они поодиночке, парами или образуют короткие цепочки. Молодые клетки подвижны, имеют перитрихиально расположенные жгутики, плазма их гомогенна. При старении клетки плазма становится гранулированной, в ней накапливается гранулеза (вещество типа крахмала). В центре клетки или ближе к ее концу формируется спора, которая в поперечнике значительно шире, чем вегетативная клетка, и поэтому клетка в этот период приобретает форму веретена. Размер спор 1,3 х 1,6 мкм. На рисунке 2 изображены клетки Cl. pasteurianum со спорами. Азотфиксирующая функция выявлена у многих представителей рода Clostridium: Cl. pasteurianum, Cl. butyricum, Cl. butylicum, Cl. beijerinckia, Cl. pectinovorum, Cl. acetobutyli-cum и других видов. Наиболее энергичный азотонакопитель — Cl. pasteurianum — фиксирует 5—10 мг азота на 1 г потребленного источника углерода.

Наряду с молекулярным азотом бактерии рода Clostridium хорошо усваивают минеральные и органические азотсодержащие соединения. В качестве источника углеродного питания бактерии рода Clostridium используют различные соединения, которые обычно одновременно служат для них и источником энергии. К фосфору, калию и кальцию они значительно менее чувствительны, чем азотобактер. Однако удобрение почв фосфорно-калийными солями, известкование почв или компостов всегда приводит к возрастанию численности. Клостридии относительно устойчивы к кислой и щелочной реакции среды. Область рН, при которой их развитие протекает нормально, довольно широка; минимальное значение рН ниже 4,5, максимальное — выше 8,5. Влияние воздушно-водного режима на развитие бактерий рода Clostridium изучено достаточно полно. Будучи анаэробными, они хорошо переносят высокое насыщение почвы влагой. Однако оптимальная степень увлажнения для них определяется типом почвы и обеспеченностью органическим веществом. Лучше всего клостридий развивается при влажности почвы, равной 60—80% от полной влагоемкости.

Clostridium — анаэробный организм, т.е. может развиваться только в бескислородной среде. Но в почве он живет в симбиозе с двумя другими бактериями, образуя вместе с ними слизистые комки, напоминающие кефирные зерна. Эти спутники сами не способны усваивать свободный азот, но они поглощают кислород и тем защищают клостридий от вредного влияния этого газа. В симбиозе с ними Cl. Pasteurianum может развиваться во всякой почве, какова бы ни была степень ее аэрации, и обогащает ее связанным азотом. Микроб производит при этом брожение сахара и на каждые 1000 частей его усваивает 1,5—3 части азота. Так как почвы относительно богаты углеродистыми соединениями и бедны азотом, то деятельность этого микроба представляется в высокой степени плодотворною.

в) Значение других видов микроорганизмов в пополнении азота в почве

К семейству Azotobakteriaceae относят и азотфиксирующих бактерий рода Azomonas – A.agilis, A.insignis и A. macrocytogens. Первые два вида обитают в водоемах, третий – в почвах. Виды Azonomas близки к азотобактеру, отличаются от него рядом морфологических и физиологических особенностей. Для A.agilis характерны относительно крупные, овальные клетки с перитрихальным жгутикованием, для A.insignis также крупные, но более округлые клетки, с полярными или лофотрихальными жгутиками, для A.makrocytogenes – клетки размером 8 – 10 мкм с одним полярным жгутиком. Образуют колонии с розоватым пигментом, который флуоресцирует в ультрафиолетовых лучах. Предстваители рода Azonomas – аэробы. В отличие от азотобактера они могут расти и фиксировать азот при рН 4,6 – 6,9 и даже 4,3. Источник углерода для этих бактерий – углеводы, спирты, органические кислоты. Достаточно эффективно виды Azonomas связывают азот атмосферы (до 15 – 18 мг N2 на 1г использованного сахара). Распространены в тропических почвах. К этому же семейству относятся и бактерии рода Beijerinckia, близкие по свойствам к азотобактеру. От азотобактера они отличаются значительной кислотоустойчивостью, кальцифобностью и некоторыми другими свойствами. Они могут расти и фиксировать азот даже в среде с рН 3,9. Большинство культур бактерий рода Beijerinckia формируют на безазотистой среде с глюкозой выпуклые, блестящие, нередко складчатые слизистые колонии вязкой консистенции. В отличие от азотобактера эти бактерии не усваивают ароматические соединения и хуже ассимилируют органические кислоты. При развитии на среде с углеводами накапливаются кислые продукты (уксусная и другие органические кислоты). Они менее требовательны по сравнению с азотобактером к концентрации фосфорных соединений в среде. Даже небольшие дозы соединений кальция тормозят рост представителей данного рода. Они значительно менее, чем азотобактер, чувствительны к повышенной концентрации солей железа и алюминия, нуждаются в молибдене, но также довольствуются меньшими его дозами. Эти свободноживущие азотфиксаторы фиксируют 18 – 20 мг азота на 1 г использованного сахара. 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.