Азотный цикл — один из самых важных циклов в живой природе, поскольку азотистые соединения являются важными для всех организмов на планете. Эти соединения могут использоваться многими бактериями и зелеными растениями в качестве источника азота для создания белков, нуклеиновых кислот и других азотистых веществ. Таким образом, они представляют собой источник азота для всех живых организмов.
Хотя наша атмосфера содержит около 80% азота, большинство растений не могут поглощать его в той форме, которая там присутствует. Азотфиксирующие бактерии могут производить ионы аммония из этого свободного азота. Нитрификацией с помощью других бактериальных групп можно получить жизненно важные для растений нитрат-ионы и превратить их в белки и другие азотсодержащие органические соединения. Распад листьев, выделительные продукты животных и мертвых организмов возвращают органическое вещество обратно в почву, где оно минерализуется. Цикл становится замкнутым, когда денитрификация снова производит атмосферный азот.
Только определенные бактерии способны к азотной фиксации. Если бы этих бактерий не существовало азотный цикл остановился бы, и жизнь на земле погибла. Все живые существа зависят от этих бактерий точно так же, как и от фотосинтеза. Существует две формы этих бактерий, одна из которых обитает в почве. Именно эти бактерии способны усваивать молекулярный азот.
Вторая форма бактерий симбиотически живет в корнях бобовых растений (ризобия или клубеньковые бактерии) и превращает азот в аммиак. Они связывают азот из воздуха и превращают его в растворимые, пригодные для растений соединения азота. Эта фиксация азота может происходить в аэробных и анаэробных условиях.
Ответственным за преобразование атмосферного азота является ферментная система нитрогеназы.
К почвенным азотфикаторам относятся узловые бактерии. Это грамотрицательные палочковидные жгутиковые бактерии с неправильными формами. Они живут в симбиозе с пыльцевыми растениями (бобовыми) и нуждаются в кислороде для дыхательного обмена. Симбиоз клубеньковых бактерий — важнейшая система азотфиксации. В среднем они могут связывать 100 кг азота на гектар в год (при хороших условиях 250 — 600 кг). Их распространенность варьируется от субарктического до умеренного и тропического климата.
Сначала стержни проникают через корневые волоски и образуют инфекционную трубку. Через пролиферацию и расширение возникают наросты, которые заражают ткань корня. Во взрослом состоянии форма палочки исчезает, клетки неправильной формы (бактериоиды) располагаются в цитоплазме коры корня.
Симбиоз между растениями и ризобиями является взаимовыгодным. Растения поставляют бактериям органические вещества, такие как сахара, аминокислоты и другие органические кислоты. Бактерии же образуют аммиак из азота, который служит питательным веществом для растений. Поскольку бактериии находятся в цитоплазме клеток-хозяев, они вырабатывают из аммиака глютамин и аспарагин, который в этой форме вступает в метаболизм.
Большое значение клубеньковых бактерий заключается в сохранении плодородия и улучшении почв с низким содержанием азота. Кроме того, они способствуют синтезу важных человеческих и животных белков в симбиозе растений, без необходимости дополнительных дорогостоящих процессов удобрения.
