Метаболізм азоту

Азот разом з вуглецем, киснем та воднем утворює групу так званих елементів — органо­генів. Хоча атмосфера майже на 78% складається з азоту, для більшості рослин він недоступ­ний. Азот не підтримує дихання, горіння, тому Д. Резерфорд назвав його нежиттєвим, незва­жаючи на те що він входить до складу нуклеїнових кислот, білків та багатьох інших органічних сполук. Над кожним квадратним метром земної поверхні скупчено майже 8 т азоту. Кількість азоту в природі цим не обмежується. Вважають, що в розораному шарі грунту на глибину 30 см на 1 га кількість органічного та мінерального азоту становить у чорноземі 18 т. Однак ос­новні джерела азотного живлення рослин — нітрати й аміачні солі — не перевищують 1%. Тому ніякий інший елемент так не обмежує ресурси поживних речовин в екосистемах, як азот.

Академік Д.М. Прянишников майже всю свою творчу діяльність присвятив проблемі азоту в житті рослин та в землеробстві. Азотне живлення рослин залишається центральною пробле­мою фізіології живлення, агрохімії, мікробіології, землеробства.

Адже одна з найгостріших проблем людства сьогодні — дефіцит продовольства, насампе­ред кормового та харчового білків. Основне джерело їх — рослинні організми з їхньою унікаль­ною здатністю до синтезу білків з СО₂, Н₂О, неорганічних сполук, але для цього їм вкрай потрібний азот. Тому сучасне сільське господарство неможливо уявити без застосування азот­них добрив. Якщо на початку 80-х років використання азоту в усьому світі досягало 60 млн т, то в 1985 р.— 70 млн т, а в 2000 р. досягло 110-140 млн т. Однак, щоб виробити 1 т азотних добрив, слід витратити до 4 т нафти, тобто на долю виробництва азотних добрив припадає близько 30-50% енерговитрат в сільському господарстві та близько 1% всієї енергії, яка витрачається розвинутими країнами світу.

В наші дні в промисловості виробляють приблизно стільки ж сполук азоту, скільки їх утворюється в природі. Ми ще не знаємо, до чого може привести нагромадження азоту у біосфері. Вже зараз відбувається масове забруднення ґрунтових вод нітратами. Припустимі норми нітратів 300 мг/кг живої маси людини.

Саме тому питання, пов'язані із засвоєнням сільськогосподарськими азоту культурами мають надзвичайне теоретичне і практичне значення.

Джерелом азоту для рослин можуть бути:

• молекулярний азот повітря, який засвоюється лише певними видами мікроорганізм;і

• азот амонійних солей та солей азотної кислоти, тобто неорганічних сполук (NH₄⁺ , NO₃^-);

• азот різних органічних сполук (сечовина, гній, рештки рослинних та тваринних організмів).

Азот атмосфери фіксується у вигляді іону амонію (NH₄⁺), який потім поглинається коренем та асимілюється всередині клітин у вигляді азотистих органічних сполук.

Процес розкладання білків, амінокислот та інших органічних речовин у грунті називається амоніфікацією, а грунтові організми, що здійснюють цей процес, — амоніфікаторами. Вони характеризуються активними ферментами, які інтенсивно розкладають білки до амінокислот. Останні дезамінуються з утворенням аміаку.

Мінералізацію органічного азоту, розпочатого амоніфікацією, продовжує процес нітрофікації, в ході якої нітрифікуючі бактерії аероби (Нітросомонас, Нітробактер) перетворюють на нітрити, а на другому етапі Нітробактер окислює нітрит до нітрату, бо нітрити токсичні для рослин.

Інтенсивність нітрифікації є показником родючості грунту. Нітрати — найоптимальніша форма азоту для живлення рослин.

Важливу роль в завершені циклу азоту мають процеси денітрифікації, в ході якої денітрофікуючі бактерії відновлюють нітрати та нітрити до молекулярного азоту. Відновлення каталізується нітратредуктазою — ферментом, до складу якого входить молібден, що тісно пов’язаний з бактеріальною мембраною. Існує ряд бактерій-денітрифікаторів, які здатні відновлювати нітрати до молекулярного азоту (Псевдомонас, Мікрокок, Тріобацилус).

Асиміляція нітратів відбувається в три етапи:

• надходження нітратів у рослину клітину;

• відновлення нітратів до нітритів;

• відновлення нітритів до амонію.

Процес відновлення нітратів до нітритів здійснюється в коренях та листках рослин. Нітрити, які утворилися на першому етапі відновлення нітратів, майже не накопичуються, а швидко відновлюються до аміаку за допомогою ферменту нітритредуктази.