�АЗОТФИКСАЦИЯЛАУШЫ ЦИАНОБАКТЕРИЯЛАРДЫ АУЫЛ ШАРУАШЫЛЫҒЫНДА ҚОЛДАНУ МҮМКІНДІКТЕРІ
Сарсекеева Ф.К.
Алматы 2024
�әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті. Биология және биотехнология факультеті Биотехнология кафедрасы
Фототрофты микроорганизмдер биотехнологиясы пәні
Азот - бұл біздің планетамыздағы ең маңызды рөл атқаратын элемент.
Молекула түрінде ол жер атмосферасы көлемінің 78% алады.
Биосфераның әр түрлі объектілерінде 151 млрд. тонна азот, оның ішінде топырақ жамылғысының органикалық қосылыстарында - 150 млрд. т, өсімдіктер биомассасында - 1,1 млрд. т, жануарлар биомассасында - 61 млн т.
Бұл барлық тірі организмдерге азотты құрылыс материалдарын (амин қышқылдары) синтездеу үшін қажет, олардан белоктар мен нуклеин қышқылдары түзіледі. Сондықтан оны көбіне «органоген» деп атайды.
Азотфиксациялаушы нитрогеназа ферменттік кешенінің белсенділігімен байланысты. Сонымен бірге азот аммиакқа дейін азаяды, содан кейін құрамында азот бар органикалық молекулалар түзіледі. Бұл молекулалық оттегі болған кезде регенеративті процесс, нитрогеназа инактивтеледі.�
Азот топыраққа атмосфералық жауын-шашынмен, жануарлар мен өсімдіктердің қалдықтарымен, минералды және органикалық тыңайтқыштармен түседі.
Топырақтың азоттық қорын толықтырудың маңызды көзі азотты тірі микроорганизмдер мен түйін бактериялары арқылы бекіту болып табылады.
Туыс / түр | Қожайын/өсімдіктер | Орысша атаулар |
Rhizobium meliloti | Medicago, Melilotus, Trigonella | Люцерна, донник |
Rhizobium loti | Lotus | Ледвенец |
Bradyrhizobium japonicum, Br. spp. | Glycine, Vigna, Arachis | Соя, вигна, арахис |
Azorhizobium caulinodans | Sesbania | Сесбания |
Sinorhizobium fredii | Glycine | Соя |
Klebsiella rubacearum | Trema orientalis | Тропический кустарник |
Frankia spp. | Alnus, Hippophae. Shepherdia | Ольха, облепиха, шефердия |
АҚ белоктар мен құрамында азот бар басқа органикалық қосылыстардың синтезі үшін қолданылады
ҚСҚ (қымыздық сірке қышқылы) + NH3 = аспарагин қышқылы,
Пируват + NH3 - α-аланин және т.б.
2-оксоглутарат + NH3 = глутамин қышқылы + E (ATP) → глутамин → аспарагин синтезі
Аммиак (N2 фиксациясы кезінде түзілген) + кето қышқылдары = АК синтезі
Еркін өмір сүретін азот фиксаторларына мыналар жатады
Атмосфералық азотфиксациялаушы цианобактериялар топырақтың құнарлылығын арттыруда маңызды рөл атқарады
Азотфиксациялаушы цианобактериялар бірегей микроорганизмдер, өйткені олар микробалдырлармен бірге органикалық заттардың алғашқы өндірушілері болып табылады.
Биологиялық азотфиксациялаудың проблемасы қазіргі заманғы биологияның маңызды және өзекті мәселелерінің бірі ретінде екі аспектіде маңызды
азотфиксация - топырақтың құнарлылығын арттырудың резервтерінің бірі
азотфиксациялаушы механизмін ашу процестің жасанды көбеюіне жол ашады
Цианобактериялардың таза дақылдарын зерттеу:
азотфиксациялаушылар тізімін кеңейту
азотфиксациялаудың негізгі шарттарын, осы процестің қарқындылығын және оның басқа физиологиялық функциялармен байланысын білу
Фототрофты эубактериялардың әр түрлі топтарына жататын
250-ден астам штамдарда азотфиксациялау белсенділігі анықталды.
Олардың жартысына жуығы цианобактериялар.�
Топырақта азоттың көбеюі, негізінен, цианобактериялардың гетероцисталық формаларының топырақ бетінде дамып келе жатқандығына байланысты байқалады. Цианобактериялар азотфиксацияның 40%-на дейін және тұрақты көміртектің 30% -на дейін бөледі.
Құрамында гетероцисталар бар барлық цианобактериялар потенциалды азотфиксаторлар болып саналады, оларға көбінесе Nostoc, Anabaena, Calothrix, Cylindrospermum туыстарының өкілдері жатады.
Азотфиксациялаушы цианобактериялардың саны барлық белгілі симбиотикалық емес гетеротрофты азотфиксаторлардың түрлерінен асып түседі.
Nostoc muscorum
Anabaena planctonica
Calothrix marchia
Cylindrospermum
stagnales
Мәдениленген топырақтарға Cylindrospermum түрлері және кейбір Anabaena және Nostoc түрлері дағдыланған.
Түрлердің көп бөлігі барлық топырақ-климаттық аймақтарда - тундрадан шөлге дейін таралған.
Scytonema hofmanii
N. сommune
Tolypothrix tenuis
Көптеген тың топырақтарға тән:
Nostoc paludosum
Calothrix elenkinii
Ылғалды тың топырақтарға тән:
Гетероцисталар - бұл сарғыш реңді жасушалар, өйткені оларда фикоцианин жоқ немесе аз мөлшерде болады (вегетативті жасушалардағы құрамның 20% -дан аз), сонымен қатар вегетативті жасушаларға қарағанда хлорофилл аз.
Гетероцисталар - тек белсенді өсіп келе жатқан дақылдарда пайда болатын ерекше жасушалар. Олар вегетативті жасушалардан үлкенірек, бір-екі немесе одан кем жиі үш тесікшелі қалың қабықшасы бар, олардың көмегімен гетероцисталар көршілес вегетативті жасушамен байланысады.
Қартайған гетероцисталар жасушалық құрамынан айырылады, жіпшелердің фрагментациясын тудыруы және біртіндеп ыдырауы мүмкін.
Қалыптасқан гетероцисталар өсіп, бөлінуге қабілетсіз.
Бірқатар түрлер үшін байланысты азоттың, әсіресе аммонийдің қатысуымен гетероцисттер түзілуінің тежелуі белгіленген.
азотсыз ортада өседі
гетероцисталардың максималды жиілігі - 6 күндік культурада (6,0%)
жасына қарай гетероцисталар саны 1,83% дейін төмендеді
Азот көзі ретінде аммоний тұздарының болуы дақылдағы гетероцисталар санының тез азаюына әкелді.
Anabaena cylindrical
Вегетативті жасушалардан гетероцисталардың түзілуі терең ультрақұрылымдық және функционалдық бұзылыстармен жүреді.
иондар
Жетілген гетероцисталар жасуша қабырғасынан тыс үш қосымша қабатпен қоршалған, бұл оларға енуді қиындатады.
сулар
Табиғаты гидрофильді бейтарап заттар
еріген газдар
Гетероцистаны вегетативті жасушадан бөлетін бөлімді көптеген жасушалардың цитоплазмасын жалғайтын және жасуша метаболиттерінің алмасуын қамтамасыз ететін көптеген ұсақ каналдар (микроплазмодисматалар) теседі.
.
Гетероцисталардың цитоплазмасында, вегетативті жасушалармен жанасу аймақтарында цианофициннің жарық сындыратын полярлы түйіршіктері орналасқан.
Тилакоидтардағы морфологиялық өзгерістер функционалды
деңгейдегі фотосинтетикалық аппараттағы маңызды өзгерістермен
үйлеседі.�
Фотосинтетикалық мембраналар жүйесі гетероцисталарда айтарлықтай қайта ұйымдасуға ұшырайды:
олар қысқарады
вегетативті жасушаларға тән орналасуын жоғалтады
гетероциста полюстерінің жанында тилакоидтардың жинақталуы белгіленген
АЗОТФИКСАЦИЯ БИОХИМИЯСЫ
Азот молекуласын қалпына келтіру үшін алты электронды ауыстыру қажет, бірақ бір циклде екіден көп электронды беру мүмкін емес, сондықтан процесс кем дегенде үш кезеңде жүреді:
Нитрогеназаның екі компоненті бар: ұсақ және үлкен.
Нитрогеназаның жұмыс істеуі үшін АТФ, Mg2 + иондары және тотығу-тотықсыздану потенциалы төмендеуі қажет.
Ферменттің белсенді аймағындағы металдың құрамына байланысты нитрогеназаның үш түрі кездеседі:
1. Мо-нитрогеназа (Mo)
2. V-нитрогеназа (V)
3. Fe-нитрогеназа (Fe)
Фотосистема II гетероцистада жұмыс жасамайды, ал жасушаішілік оттегі оларда түзілмейді.
фотосинтетикалық өнімдер (дисахаридтер)
вегетативті жасушадан гетероцистаға келеді
N2-ді NH3-ке дейін төмендету процесі нитрогеназаның белсенділігін ынталандыратын ферредоксин көмегімен жүзеге асады
NH3-ті глутамин қышқылына дейін төмендету, оны вегетативті жасушаларға тасымалдау
Гетероцисталар тотығатын пентоза-фосфат жолының ферменттерінің жоғары белсенділігін көрсетеді
глюкозо-6- фосфатдегидpогеназа
6-фосфоглюконатдегидpогеназа
Вегетативті жасушалардан тасымалданатын органикалық заттар негізінен глюкоза-6-фосфатқа айналады, содан кейін пентоза-фосфат жолының жұмыс істеуі нәтижесінде гетероцисталарда тотығады.
Цианобактериялардың гетероцисталарындағы нитрогеназа үшін электрондардың доноры – қалпына келген ферредоксин болып табылады.
Жарықта ферредоксиннің тотықсыздануы І-ң жұмыс істеуі нәтижесінде пайда болады, фотосистема үшін электрондардың негізгі көзі НАДФН болып табылады.
Қараңғыда және in vitro жағдайда ферредоксин тотықсыздануы тікелей НАДФН - ферредоксиноксидоредуктаза қатысуымен жүруі мүмкін.
Гетероцисталардың түзілу процесінде вегетативті жасушаларға тән әр түрлі цитоплазмалық қосындылардың жойылуы байқалады:
Гликоген түйіршіктері
Полифосфат түйіршігі
Олардың өсуі мен бөлінуінің бірнеше рет байқалған фактілері гетероцисталардың генетикалық толыққандылығын көрсетеді.
Сонымен бірге генетикалық ақпарат гетероцистада толығымен сақталады және олардың тіршілік әрекеті процесінде РНҚ мен белок синтезінің белсенді процестері байқалады.
Глутамат молекулаларының бірі NH4 + қабылдау үшін гетероцистаға оралады, екіншісі вегетативті жасушаның метаболизміне енеді.
Нитрогеназа жүйесі глутаминсинтетазасы катализдейтін реакцияға глутамин қышқылы молекуласына енетін азоттың аммонийге дейін тотықсыздануын катализдейді.
Бұл түрінде фиксирленген азот гетероцисталардан вегетативті жасушаларға жеткізіледі, мұнда глутаматсинтазасының көмегімен амид тобы α-кетоглутарат молекуласына ауысады:
Цианобактерияларда глутамин синтетаза мен нитрогеназа өзара
әрекеттеседі. Глутамин синтетаза тікелей немесе жанама түрде
нитрогеназа түзілуін реттеуге қатысады.�
Жетілген гетероцисталар вегетативті жасушалардан ерекшеленеді
белсенді нейрогеназа
глутамин-кетоглутаратамидотрансферазаның төмен деңгейімен
глутамин синтетазасының жоғары деңгейімен
Глутаминсинтетаза
Цианобактериялардың азот метаболизмінің негізгі ферменті
Белсенділік ATФ немесе AДФ болуына байланысты
Mn2 + және Mg2 + иондары үшін маңызды ерекшелік көрсетеді
Гетероцисталардың биохимиялық ерекшеліктері
СО2 Бекітпейді
Оттегіні бөлмейді
Кальвин циклі ферменттерінің белсенділігі өте төмен
тыныс алу жылдамдығы вегетативті жасушаларға қарағанда жоғары
Гетероцисталарда электронды тасымалдауға арналған компоненттердің толық жиынтығы бар.
Электрондардың көзі - вегетативті жасушаларда синтезделген органикалық субстраттар.
Цианобактерияларда ATФ-тәуелді (O2-сезімтал) пируватферредоксиноксидоредуктаза бар, ол NH4-де өсетін дақылдармен салыстырғанда азотфиксация жағдайында 5 есе белсенді.
Нитрогеназаның белсенділігін сақтау үшін АТФ келіп түседі:
жалпы және циклдік фотофосфорлану
тотығу
фосфорлануы
субстрат деңгейіндегі фосфорлану
Жарықта циклдік фотофосфорлану ғана нитрогеназаның максималды белсенділігі үшін қажетті АТФ қамтамасыз ете алады.
Вегетативті жасушаларға қарағанда гетероцистада едәуір жоғары болатын тыныс алу сонымен қатар цианобактериялардың нитрогеназа белсенділігінің сыртқы ортаның оттегісіне төзімділігін анықтайды.�
Жарықта циклдік фотофосфорлану ғана нитрогеназаның максималды белсенділігі үшін қажетті АТФ қамтамасыз ете алады.
Гетероцистада нитрогеназа сыртқы оттектен қорғалған. Бұл жерде маңызды рөлді:
полисахарид қабаты
гликолипидті қабат
Композицияға тек гетероцистада кездесетін төрт ерекше гликолипид кіреді.
ФОТОСИНТЕЗ БЕН АЗОТФИКСАЦИЯНЫҢ ӨЗАРА БАЙЛАНЫСЫ
Тыныс алу да, фотосинтез де азотфиксация процесіне қуат (энергия) бере алады.
Тилакоидтарда:
фотосинтетикалық аппаpат
Тыныс алу тізбегі
Тыныс алу және фотосинтез процестерінде бірқатар қарапайым электронды тасымалдаушылар қолданылады.
Тыныс алу тізбегін фотосинтетикалық электрондарды тасымалдау тізбегінің бөлігі ретінде қарастыруға болады.
Қараңғы жағдайда НАДФН2 тотығуы фотосинтетикалық фермент феppедоксин-НАДФ+-оксидоpедуктаза ферментін катализдеуі мүмкін.
.
Цианобактериялардың көлеңкеге төзімді түрлері де бар, олардың жаппай өсуі қоңыржай белдеудің топырағында жоғары сатыдағы өсімдіктер жамылғысы астында байқалады.
Cylindrospermum
licheniforme
Nostoc
commune
Фотоавтотрофты микроорганизмдер болған цианобактериялар азотты негізінен жарықта фиксирлейді.
Азотфиксация процесінде маңызды мәнге:
Жарық
қарқындылығы
жарықтандырудың ұзақтығы
Ниогеназаның ең жоғары белсенділігі жарықтың төмен қарқындылығында көрінеді (жарықтандыру кезінде - 4000-нан 8000 лк дейін).
Сонымен қатар азотфиксациялаушы цианобактериялар теңіздерде,
тасты жыныстарда және өсімдіктермен симбионттар түрінде кездеседі.�
Цианобактериялар әртүрлі экожүйелерде кеңінен таралған және табиғи азотфиксациялайтын ценоздарда басым орын алады.
Олардың негізгі тіршілік ету ортасы:
топырақ олардың түзілуінің барлық кезеңдерінде
күріш алқаптары жасанды су қоймасы ретінде
Тұщы су су қоймалары
Топырақтағы цианобактериялардың даму қарқындылығы олардың азот жинақтаудағы рөлін көрсетеді.
Азоттың цианобактериялармен жинақталуы байланысты:
Топырақ
типіне
өсімділігі
Климаттық
жағдайлар
антpопогенді фактоp
Олардың әртүрлілігі қоңыржай климаттың топырағында, жеткілікті ылғалдылық жағдайында және ұзақ жазғы күнде кездеседі.
Цианобактериялардың көптеген түрлері қоңыржай белдеудің топырағында дамиды және оның «гүлдеуін» тудырады.
Сондай-ақ, цианобактериялар топырақтың беткі қабатында қабыршақ пен қабық түрінде дамуы мүмкін.
Цианобактериялардың тың және алтын түстес тың топырақта азоттың жиналуына қосатын үлесі 3-4 кг азот/га құрайды.
Эрозияға ұшыраған топырақты рекультивациялау кезінде цианобактериялар қайтадан болатын және топырақты азот пен органикалық заттармен байытуға қатысады, өсімдік қауымдастығының дамуына жағдай жасайды.
Егудің оң әсері түсіндіріледі:
цианобактериялардың азотфиксациялаушы белсенділігі
биологиялық белсенді заттарды өндіру арқылы
гетеротропты азотфиксаторларға ынталандырушы әсер
Цианобактериялардың басқа организмдермен байланысы әр түрлі:
олар қыналардағы фикобионттар
мүктің ауа камераларында
су папоротниктерінің жапырағында тіршілік етеді және т.б.
Симбиотикалық азотфиксаторларының әлеуетті мүмкіндіктері еркін өмір сүретіндерге қарағанда әлдеқайда жоғары.
Азотфиксациялаушы цианобактериялар болуы мүмкін:
топырақ құнарлылығын арттыру
ауылшаруашылық өсімдіктерінің өнімділігін арттыру
топырақтың құнарлылығын арттырудағы және оларды рекультивациялаудағы биологиялық факторлардың рөлі артып келеді
Ауыл шаруашылығы өндірісін интенсификациялау жағдайында
Қоршаған ортаға антропогендік әсердің күрт өсуі жағдайында
Микробалдырлар топырақтың құнарлылығын арттыру үшін қолданылады (органикалық заттардың қорын толтыру үшін)
бұл ауылшаруашылық дақылдарының өнімін арттыруға ықпал етеді.
Мұны істеу үшін пайдаланылады:
жасыл (Ch. vulgaris, Scenedesmus obliquus, Sc. acutus, Sc. quadricauda, Sc. spinosa)
көк-жасыл микробалдырлар (Nostocaceae тұқымдасы)
Қоршаған ортада пестицидтердің жиналуы адамзатқа өте қауіпті фактор болып табылады.
Бізге топырақтың құнарлылығын арттырудың және өсімдіктерді инфекциялар мен зиянкестерден қорғаудың баламалы, экологиялық құралдар қажет.
Бактериялар - азотфиксаторлар мен микробтар - антагонистерге негізделген биопрепараттар үлкен қызығушылық тудырады. Әлемдік тәжірибеде цианобактерияларға негізделген биопрепараттар қолданылады:
АҚШ-та Mykpop биопрепараты қолданылады, оны қолдану жүгерінің шығымын арттырады;
Plantere топырағының инокуляторын (азотты фиксаторлар мен цианобактериялардың тіршілік әрекеті) қолданғанда бидайдың шығымы 0,05-0,51 т/га-ға артады.
Экологиялық поливаленттілігі бар жасанды микробтық ассоциацияларды құру
дамытудағы болашақ перспективалы бағдарлардың бірінің биопрепараттары.
Цианобактериялардың топырақтың агроэкологиялық күйі мен әсер етуінің басқа аспектілері:
микроорганизмдердің штамдарын талдау немесе таңдау
е
оларды дайындау, қолдану және сақтау технологияларын жетілдіру
.
Микробтық ассоциацияларды зерттеуге деген қызығушылық бір түрді жүйелер, монокультуралар сияқты, тұрақсыз болғандықтан, стресс жағдайында олар патогендер мен олардың агроценоздардағы жұмысына әсер ететін басқа факторлардың әсеріне ұшырайды.
Агробиотехнологияда цианобактерияларды қолдану өсімдіктердің тиімді өсуі, жапырақтары мен ауылшаруашылық өсімдіктерінің өнімділігі үшін азотпен байытылған күріш алқаптарында ойдағыдай жүзеге асырылады.
Алғаш рет топырақты алгологиялау мәселелері ? жұмысында көтерілді, олар Үндістанда монокультурада ұрықтандырусыз күріш өнімділігінің тұрақтылығына назар аударды.
.
Цианобактериялардың топырақтың агроэкологиялық күйіне әсер етуінің басқа аспектілері:
топырақтың беткі қабатын жел эрозиясынан қорғау;
топырақтағы ылғалдың сақталуы, бұл құрғақ кездерде топырақтың су режимін жақсартады;
бұзылған топырақты қалпына келтіру.
Оларды агробиоценозға енгізу экологиялық қауіп төндірмейді.
Олар бейімделу қасиеттерімен микробиоценозда және экстремалды жағдайда ерекшеленеді.
Цианобактериялардың топырақ құнарлылығы мен өсімдіктерге оң әсері.
Олар әртүрлі микрофлорамен қарым-қатынасқа оңай түсе алады.
Ластанғаннан кейін топырақты қалпына келтіру үшін консорциумдарды қолдану (мұнай, ластаушы заттар және т.б.).
ҚАЛАЙ ҚОЛДАНУҒА БОЛАДЫ
Биотыңайтқыш
Дәнді себер алдында шаң (опудривают)
Дәндерді нитрагинизациялау
Сумен сұ йылту
Су
Құрғақ тыңайтқыш
Араластыру
Қоспамен дәнді іздеу
Табиғи жағдайда аз кептіру
Дәнді себу
Өнімділікті 15-25% арттырады
Екі қабатты дәке арқылы сүзу
Дәндерді суспензиямен өңдеу
Өңдеу күні немесе келесі күні себу
1 г = кем дегенде 2,5 миллиард өміршең жасушалар
Цианобактерияларға негізделген құрғақ биологиялық өнімді алу
биомасса алу
Ферменттеу (азотты бекітетін цианобактерияларды, азотсыз орта, рН 7-8 жаппай өсіру) стационарлық фазаға дейін,
Кептіру
Стандартизация
Полиэтиленді пакеттерге 0.4-2 кг фиксациялау.
15 ° C температурада 3 айдан аспайды.
АЛУ ЖӘНЕ ПАЙДАЛАНУ ӘДІСТЕРІ
Дәнді дақылдардың тұқымдары құрғақ биологиялық өніммен тазартылады (тұқымның 1 га үлесіне 100 миллиард жасуша).
Көшеттердің тамыр жүйесі цианобактериялардың сулы суспензиясымен суланады. (300 литр жасушалар 15 литр суда сұйылтылған).
Тұқымдарды өңдеу кезінде ылғалдандырылған препаратпен араластыру, содан кейін оларды кептіру мүмкін.
НАЗАРЛАРЫҢЫЗҒА РАХМЕТ