Мир микробов
Шрифт:
Долгое время человечество не знало, как происходит образование селитры в почве. Еще в середине XVIII века немецкая Академия наук объявила премию за решение этого практически важного вопроса. Но только в 1889 г. была раскрыта тайна происхождения селитры. Мы обязаны этим открытием одному из величайших микробиологов — русскому учёному Сергею Николаевичу Виноградскому (род. в 1856 г.) (рис. 37).
Рис. 37.С. Н. Виноградский
С. Н. Виноградский доказал, что селитра образуется из аммиачных солей под влиянием особой группы бактерий, так называемых нитрифицирующих (от слова «нитрум» — селитра). С. Н. Виноградский, применив разработанную им оригинальную
Нитрифицирующие бактерии образуют в почве огромные количества селитры. Летом в поверхностных слоях черноземной почвы может образоваться более 1500 килограммов селитры на 1 гектар. Селитра эта легко исчезает из почвы вследствие потребления её зелёными растениями, вымывания влагой, а также вследствие деятельности другой группы микробов, так называемых денитрифицирующих бактерий, которые разлагают селитру до свободного азота, нанося этим некоторый вред сельскому хозяйству и снижая плодородие почв.
Микробы помогают растениям черпать необходимые им источники азота не только из аммиака и селитры. Давно было замечено, что бобовые растения — горох, вика, клевер — могут прекрасно развиваться в почвах, в которые не вносились добавочные азотсодержащие удобрения. Больше того, оказалось, что бобовые растения даже обогащают почву азотистыми соединениями. Поэтому после выращивания бобовых на истощённой земле получается высокий урожай и других растений. В чём же причина такого необычного поведения бобовых растений? Еще в XVII веке учёные наблюдали на корнях бобовых растений небольшие желвачки — клубеньки и считали их проявлением заболевания растений. В 1886 г. русский ботаник академик М. С. Воронин доказал, что в клетках клубеньков находится огромное количество мельчайших телец, чрезвычайно похожих на бактерии. В дальнейшем была выделена чистая культура этих телец, действительно оказавшихся бактериями. Бактерии были названы клубеньковыми. Оказалось, что, поселясь в клетках корней бобовых растений, бактерии так действуют на корневую ткань, что клетки корневой ткани начинают усиленно делиться и образуют клубенёк. Но самое главное свойство клубеньковых бактерий — их способность усваивать атмосферный азот и превращать его в вещество своего тела. Промежуточные продукты усвоения азота бактериями используются бобовыми растениями. Поэтому бобовые растения не нуждаются в азотистых удобрениях. Бобовые растения при помощи клубеньковых бактерий накапливают огромные запасы усвояемого азота. По данным академика Д. Н. Прянишникова, клевер, например, накапливает в течение года до 150–160 килограммов азота на 1 гектар, а люцерна — до 300 килограммов на 1 гектар.
Здесь перед нами один из случаев столь распространённых в природе явлений взаимопомощи между двумя организмами — растением и микробом. Растение получает от бактерий азотистые соединения, а бактерии питаются выделениями растений. Эта взаимопомощь настолько тесна, что, по мнению некоторых учёных, клубеньковые бактерии, будучи изолированными от растений в чистую культуру, не в состоянии усваивать атмосферный азот. Для этих опытов был применён следующий весьма оригинальный метод: клубеньковые бактерии выращивались в атмосфере, содержавшей радиоактивный азот. Эти так называемые меченые атомы азота могут быть легко найдены в любой части растений при помощи физических методов, учитывающих радиоактивные элементы. Если меченый азот воздуха усваивается клетками, то он может быть обнаружен в бактериальной культуре. Но в лабораторной культуре клубеньковых бактерий не удалось найти радиоактивного азота. Клубеньковые бактерии в чистой культуре, вне бобового растения, по-видимому, не усваивали атмосферного азота.
Если клубеньковые бактерии помогают бобовым растениям усваивать азот воздуха, то, следовательно, чем лучше и активнее будет развиваться культура бактерий в клубеньках растения, тем выше будет урожай. Отсюда уже давно возникла идея: нельзя ли искусственно заразить бобовые растения наиболее активной культурой клубеньковых бактерий и тем самым повысить урожай таких ценных сельскохозяйственных культур, как горох, бобы, соя, клевер?
Первые такие опыты были поставлены еще в царской России в 1911–1912 гг. Но только при советской власти, в условиях крупного, колхозного и совхозного сельского хозяйства эти опыты могли дать практический эффект. В настоящее время препараты клубеньковых бактерий широко используются в Советском Союзе, как весьма действенное бактериальное удобрение. Этот бактериальный препарат называется нитрагин
Но не только клубеньковые бактерии обладают способностью усваивать азот атмосферы и тем самым повышать урожай сельскохозяйственных культур.
В 1893 г. С. Н. Виноградским был открыт анаэробный микроб — клостридий, свободно живущий в почве и усваивающий газообразный азот. В 1901 г. учёные выделили другой микроорганизм, обладающий той же функцией, но развивающийся в присутствии кислорода, — аэробную бактерию азотобактер. Азотобактер строит белки своего тела, пользуясь азотом воздуха, а энергию, необходимую для этого процесса, получает, окисляя углеродистые соединения — сахар, крахмал, спирты. Отмершие клетки азотобактера разлагаются гнилостными микробами, выделяющими при этом аммиак, окисляются нитрифицирующими бактериями до азотной кислоты, а ее соли в виде селитры используются зелёными растениями. Хотя азотобактер фиксирует меньше атмосферного азота, чем клубеньковые бактерии, все же он способен накопить до 30–40 килограммов азота на 1 гектар.
Давно было замечено, что в Крыму табаки дают хороший урожай в течение ряда лет без внесения дополнительных удобрений. Заинтересовавшись причиной этого явления, академик С. Костычев и А. Шелоумова нашли, что на корнях табака прижилось очень много клеток азотобактера, которые снабжают растения азотистыми соединениями. Отсюда и родилась идея повышения урожая некоторых сельскохозяйственных культур путём заражения их корневой системы азотобактером. С 1937 г. по предложению А. Шелоумовой в Советском Союзе в массовом масштабе начато изготовление нового бактериального удобрения — азотобактерина. Выращенная в лаборатории культура азотобактера смешивается с торфом или перегноем и в таком виде запаковывается в ящики и рассылается в колхозы. В день посева семена увлажняются, тщательно перелопачиваются вместе с азотобактерином и высеваются. Азотобактер поселяется на корневой системе растения и значительно повышает урожай сельскохозяйственной культуры. Особенно удачные результаты получились с овощами. Так, урожай томатов увеличивается на 26 процентов, капусты — на 34 процента, огурцов — на 14 процентов. Прибавка урожая картофеля составила 15–20 процентов. Особенно эффективен азотобактерин, если он применяется в свежеприготовленном виде. Поэтому наиболее рационально было бы изготовлять его на месте — в колхозах. Колхозники ряда областей уже освоили приготовление азотобактерина и значительно повышают свои урожаи. Применяя азотобактерин собственного изготовления, в колхозе «Новая жизнь» Горьковской области собрали урожай ранней капусты, обладавшей крупными и тугими вилками, в количестве 360 центнеров на 1 гектар, та же капуста без азотобактерина дала только 220 центнеров.
Кроме азотистых соединений, большую роль в питании растений играют также соединения фосфора. К сожалению, фосфор находится в почве большей частью в виде сложных, не усваиваемых растением соединений. И здесь на помощь растению приходят микробы. Расщепляя эти соединения, бактерии освобождают фосфорную кислоту, которая в виде растворимых солей хорошо усваивается растением. Такие бактерии были получены в виде чистых культур в Советском Союзе. В настоящее время делаются попытки применить эти бактерии в качестве нового бактериального землеудобрительного препарата, называемого фосфоробактерин. Многочисленные опыты показывают, что фосфоробактерин является эффективным средством повышения урожайности зерновых культур.
Мы рассмотрели деятельность микробов в почве. Мы убедились, что микробы имеют огромное значение для сельского хозяйства. Изучение роли микробов в почвах позволяет нам правильно направить их деятельность и поставить их на службу человеку. Вместе с тем перед нами вырисовывается ведущая роль микробов в общем круговороте азотистых соединений в природе.
В этом круговороте можно различить несколько стадий, каждая из которых осуществляется специально приспособленной группой микроорганизмов. Вначале отмершие животные и растения разлагаются гнилостными и некоторыми другими микробами до простейших соединений. Образовавшийся при этом аммиак под влиянием нитрифицирующих микробов превращается в соли азотной кислоты — селитру. Селитра потребляется растениями, но может также разложиться денитрифицирующими бактериями до свободного азота. Но и свободный азот не теряется безвозвратно: клубеньковые и свободно живущие азотфиксирующие бактерии усваивают его и опять-таки превращают в соединения, используемые растениями.