Кіріспе

Бактериялар туысы Азотобактер – қалың қабырғалы кисталар (сонымен қатар қатты қабығы бар) түзетін және көп мөлшерде капсулалық лайма шығаратын, көбінесе қозғалмалы, овал немесе шар тәрізді бактериялар туысы. Олар – табиғи азот айналымында маңызды рөл атқаратын, өсімдіктерге қолжетімді емес атмосфералық азотты байланыстырып, оны аммоний иондары түрінде топыраққа босататын (азотты бекіту) аэробты, еркін тіршілік ететін топырақ микробы. Диазотрофтарды зерттеу үшін үлгі ретінде пайдаланылатынымен қатар, адамдар оны биотыңайтқыштар, тағамдық қоспалар және кейбір биополимерлер өндіру үшін қолданады. Бұл туыстың алғашқы өкілі – Azotobacter chroococcum 1901 жылы голланд микробиологы және ботаник Мартин Бейжеринк тапқан және сипаттаған. Азотобактер түрлері – бейтарап және сілтілі топырақта, суда және кейбір өсімдіктермен симбиоздық байланыста кездесетін грам-теріс бактериялар.

Морфология

Азотобактер тұқымдасының жасушалары бактериялар үшін салыстырмалы түрде ірі (2–4 мкм диаметрі). Олар көбінесе овал пішіндес, бірақ таяқшадан шарға дейін әртүрлі формада кездесуі мүмкін. Микроскопиялық препараттарда жасушалар шашыраңқы болуы немесе біркелкі емес топтарды немесе кейде әртүрлі ұзындықтағы тізбектерді құрауы мүмкін. Жаңа өрмектерде жасушалар көптеген қамшыларының арқасында жылдамдылыққа ие. Кейіннен жасушалар жылдамдылығын жоғалтады, дерлік шар тәрізді болып келеді және қалың шырыш қабатын түзетіп, жасуша қапшығын қалыптастырады. Жасушаның пішіні қоректік ортадағы пептон құрамында болатын глицин аминқышқылына тәуелді. Көбейту кезінде жасушалардың ішінде әртүрлі кірікпелер байқалады, олардың кейбіреулері боялған. 1900 жылдардың басында боялған кірікпелер "көбейткіш дәндері" немесе гонидиялар деп есептелді – жасушаның эмбриондық пішіні. Бірақ кейіннен бұл түйіршіктер жасушаның бөліну процесіне қатыспайтыны анықталды. Боялған түйіршіктер волютиннен, ал боялмаған кірікпелер май тамшыларынан тұрады, олар энергия қоры ретінде қызмет етеді.

Кисталар

Азотобактер тұқымдасының кисталары вегетативтік жасушаларға қарағанда қолайсыз қоршаған орта факторларына көбірек төзімді; атап айтқанда, олар ультракүлгін сәулеге екі есе төзімді. Олар сондай-ақ кептіруге, ультрадыбысқа, гамма және күн сәулесіне төзімді, бірақ қыздыруға төзімсіз. Кисталардың пайда болуына ортадағы қоректік заттар концентрациясының өзгеруі және этанол, н-бутанол немесе β-гидроксибутират сияқты кейбір органикалық заттардың қосылуы ықпал етеді. Кисталар сұйық ортада сирек пайда болады. Кисталардың қалыптасуы химиялық факторлармен шақырылады және метаболизмнің өзгеруімен, катаболизмнің, тыныс алудың және макромолекулалардың биосинтезінің өзгерістерімен бірге жүреді; сонымен қатар альдегид дегидрогеназасы және AlgR жауап реттегіші де әсер етеді. Азотобактер кисталары шар тәрізді және бірнеше вакуолалары бар вегетативтік жасушалардың қысқартылған көшірмесі – "орталық дене" және "екі қабатты қабықшадан" тұрады. Қабықшаның ішкі бөлігі интин деп аталады және талшықты құрылымы бар. Сыртқы бөлігі алтыбұрышты кристалдық құрылымға ие және экзин деп аталады. Экзин трипсинмен ішінара гидролизденеді және орталық денеге қарағанда лизозимге төзімді. Орталық дене кейбір хелациялық заттар арқылы тірі күйде оқшаулануы мүмкін. Сыртқы қабықшаның негізгі құрамдас бөліктері – ұзын алифалық тізбектері мен ароматикалық сақиналары бар алкилрезорцинолдар. Алкилрезорцинолдар басқа бактерияларда, жануарларда және өсімдіктерде де кездеседі.

Кисталардың өсіп шығуы

Азотобактер тұқымдасының кистасы – вегетативтік жасушаның тоқырау күйі; алайда, әдеттегі вегетативтік жасушалар көбейеді, ал Азотобактер кистасы осы мақсатқа қызмет етпейді және қолайсыз қоршаған орта факторларынан аман қалу үшін қажет. pH, температура және көміртек көзінің белгілі бір мәндерін қамтитын оңтайлы қоршаған орта жағдайлары қайта орнатылғаннан кейін, кисталар өсіп шығады және жаңадан пайда болған вегетативтік жасушалар қарапайым бөліну арқылы көбейеді. Өсіп шығу кезінде кисталар зақымданады және ірі вегетативтік жасушалар босатылады. Микроскопиялық тұрғыдан алғанда, споралардың өсіп-өнуінің алғашқы белгісі – кисталардың жарық сынуының біртіндеп төмендеуі, бұл фазалық контраст микроскопиясымен анықталады. Кисталардың өсіп-өнуі шамамен 4–6 сағатқа созалады. Өсіп-өну кезінде орталық дене өсіп, интимада (ішкі қабатында) орналасқан волютин гранулаларын сіңіреді. Содан кейін экзин жарылып, вегетативтік жасуша экзиннен босатылады, ол ерекше ат тәрізді пішінге ие. Бұл процеске метаболизмдегі өзгерістер ілеседі. Көміртек көзімен қамтамасыз етілгеннен кейін, кисталар оттегі сіңіре бастайды және көмірқышқыл газын бөліп шығарады; бұл процестің қарқыны біртіндеп артып, төрт сағаттан кейін толыққанды деңгейге жетеді. Белоктар мен РНҚ синтезі параллель түрде жүреді, бірақ көміртек көзі қосылғаннан кейін бес сағаттан соң ғана қарқынды дамиды. ДНК синтезі мен азотты бекіту глюкоза азотсыз қоректік ортаға қосылғаннан кейін 5 сағаттан соң басталады. Кисталардың өсіп-өнуі электронды микроскоппен көрінетін интиманың өзгерістерімен бірге жүреді. Интима көмірсулар, липидтер және белоктардан тұрады және көлемі орталық дененің көлемімен шамалас. Кисталар өсіп-өну кезінде интима гидролизденеді және жасуша оның құраушыларын синтездеу үшін пайдаланады.

Физиологиялық қасиеттері

Азотобактер аэробтық тыныс алады, энергияны тотығу-тотықсыздану реакцияларынан алады, электрон доноры ретінде органикалық қосылыстарды пайдаланады және көміртек көзі ретінде әртүрлі көмірсулар, спирттер және органикалық қышқылдардың тұздарын қолдана алады. Азотобактер тұтынылған глюкозаның граммына кемінде 10 мкг азотты бекіте алады. Азотты бекіту үшін молибден иондары қажет, бірақ оларды жартылай немесе толығымен ванадий иондарымен алмастыруға болады. Атмосфералық азот бекітілмеген жағдайда, азоттың көзі нитраттар, аммоний иондары немесе аминқышқылы болуы мүмкін. Өсу және азотты бекіту үшін оңтайлы pH 7.0–7.5 құрайды, бірақ өсу 4.8–8.5 pH диапазонында жалғасады. Азотобактер манноза бар молекулалық азоттан бос ортада миксотрофтық түрде де өсе алады; бұл өсу режимі сутекке тәуелді. Сутек топырақта болады, сондықтан бұл өсу табиғатта да кездесуі мүмкін. Өсу кезінде Азотобактер диаметрі 5–10 мм болатын жалпақ, шырышты, паста тәрізді колонияларды құрайды, олар сұйық қоректік ортада пленка түзеуі мүмкін. Колониялар түріне қарай қоңыр, жасыл немесе басқа да түстерде болуы мүмкін, ал кейде түссіз де болуы мүмкін. Өсу үшін 20–30°C температурасы қолайлы. Азотобактер туысына жататын бактериялар белгілі бір экологиялық жағдайларда (мысалы, фосфор, азот немесе оттегі сияқты элементтердің жетіспеуі және көміртек көздерінің артық болуы) жасуша ішілік инклюзияларын – полигидроксиалканоаттарды қалыптастыратыны белгілі.

Пигменттер

Азотобактер пигменттер шығарады. Мысалы, Azotobacter chroococcum суда еритін қоңыр қара түсті меланин пигментін түзетін болады. Бұл процесс азотты бекіту кезінде метаболизмнің жоғары деңгейінде жүзеге асады және нитрогеназа жүйесін оттегіден қорғауға қатысты деп саналады. Басқа Azotobacter түрлері сары-жасылдан күлгінге дейінгі түстерде пигменттер шығарады, соның ішінде сары-жасыл жарықпен флуоресценциялайтын жасыл пигмент және көк-ақ флуоресценциялы пигмент бар.

Геном

Азотобактер винеландидің AvOP штаммының хромосомаларының нуклеотидтік тізбегі ішінара анықталды. Бұл хромосома – 5 342 073 нуклеотидтік жұп және 5 043 генді қамтитын дөңгелек ДНК молекуласы, олардың 4 988-і ақуыздарды кодтайды. Гуанин + цитозин жұптарының үлесі 65 мол пайызды құрайды. Жасушалардағы хромосомалар саны мен ДНК мазмұны қартаю процесінде артады, ал тоқтау фазасында мәдениеттерде әр жасушада 100-ден астам хромосома көшірмесі болуы мүмкін. Мәдениетті жаңа ортаға отырғызғанда бастапқы ДНК мазмұны (бір көшірме) қалпына келтіріледі. Азотобактер хромосомалық ДНК-дан басқа плазмидтерді де қамти алады.

Тарату

Азотобактер түрлері бейтарап және әлсіз сілтелі топырақта кең таралған, бірақ қышқыл топырақта табылмайды. Олар Арктика және Антарктика топырақтарында да кездеседі, бұл суық климатқа, қысқа вегетациялық кезеңге және осы топырақтардың салыстырмалы түрде төмен pH деңгейіне қарамастан осылай. Құрғақ топырақта Азотобактер циста түрінде 24 жылға дейін тірі қала алады. Азотобактер туысының өкілдері су ортасында да кездеседі, оның ішінде тұщы су және тұзды батпақтарда. Бірнеше түрлері өсімдіктермен байланысты және ризосферада табылса, олармен белгілі бір қарым-қатынаста болады. Кейбір штамдары Eisenia fetida түрiндегi жер құртының жұмыртқа қабығында да кездеседі.

Азотты бекіту

Азотобактер түрлері – еркін тіршілік ететін, азотты бекітетін бактериялар; Ризобиум түрлерінен өзгеше, олар көбінесе атмосферадан молекулалық азотты өсімдіктермен симбиоздық байланыссыз бекітеді, дегенмен кейбір Азотобактер түрлері өсімдіктермен байланысты болуы мүмкін. Азотты бекіту процесі аммоний иондары және нитраттар сияқты қолжетімді азот көздерінің болуымен тежеледі. Азотобактер түрлері азотты бекітуді жүзеге асыру үшін қажетті ферменттердің толық жиынтығына ие: ферредоксин, гидрогеназа және маңызды фермент – нитрогеназа. Азотты бекіту процесіне аденозин трифосфаты түрінде энергияның түсуі қажет. Азотты бекіту оттегіге өте сезімтал болғандықтан, Азотобактер оттегіге қарсы ерекше қорғаныс механизмін дамытты, атап айтқанда, жасушалардағы оттегі концентрациясын төмендететін метаболизмнің күшеюін. Сонымен қатар, арнайы нитрогеназаны қорғайтын және жасушаларды оттегіден қорғауға қатысатын қорғаныш протеині бар. Бұл протеинды өндірмейтін мутанттар ортада азот көзі болмаған жағдайда азотты бекіту кезінде оттегінің әсерінен өледі. Гомоцитрат иондары Азотобактердің азотты бекіту процесінде белгілі бір рөл атқарады.

Нитрогеназа

Азотты бекітуге қатысатын ең маңызды фермент – нитрогеназа. Азотобактер түрлерінің нитрогеназаның бірнеше түрі бар. Негізгісі – молибден-темір нитрогеназасы. Балама түрі ванадийден тұрады; ол молибден иондарына тәуелсіз және төмен температурада Mo-Fe нитрогеназасынан белсендірек. Сондықтан ол 5°C сияқты төмен температурада азотты бекіте алады, ал оның төмен температурадағы белсенділігі Mo-Fe нитрогеназасынан 10 есе жоғары. Mo-Fe нитрогеназасының пісіп жетілуінде «P кластері» маңызды рөл атқарады. Нитрогеназаның синтезін nif гендері бақылайды. Азотты бекітуді NifA күшейткіш ақуызы және NifL «сенсорлық» флавопротеіні редоксқа тәуелді ауысу арқылы азотты бекітудің гендік транскрипциясын белсендіруді реттеу арқылы басқарады. Бұл реттеуші механизм, бір-бірімен кешен құрайтын екі ақуызға сүйенгендіктен, басқа жүйелерде сирек кездеседі.

Маңыздылық

Азотты бекіту азот айналымында маңызды рөл атқарады. Азотобактер сонымен қатар кейбір биологиялық белсенді заттарды, оның ішінде ауксиндер сияқты фитогормондарды синтездейді, осылайша өсімдіктердің өсуін күшейтеді. Олар топырақтағы ауыр металдардың жылжуын жеңілдетеді, соның салдарынан топырақты кадмий, сынап және қорғасын сияқты ауыр металдардан тазартуға (биоремедиацияға) көмектеседі. Азотобактердің кейбір түрлері хлорлы ароматты қосылыстарды, мысалы, 2,4,6-трихлорфенолды ыдырата алады, бұл зат бұрын инсектицид, фунгицид және гербицид ретінде қолданылған, бірақ кейін мутагендік және канцерогендік әсерлері анықталған.

Қолданбалар

Молекулалық азотты бекіту және осы арқылы топырақтың құнарлылығын арттыру, сондай-ақ өсімдіктердің өсуін күшейте алу қабілеттеріне байланысты Азотобактер түрлері ауыл шаруашылығында, әсіресе азотты биотынайғыштарда, мысалы, азотобактеринде кеңінен қолданылады. Олар альгинат қышқылын өндіруде де қолданылады, ол медицинада қышқылды бейтараптандырушы ретінде, ал тағам өнеркәсібінде балмұздақ, пудинг және кремдерге қоспа ретінде пайдаланылады.

Таксономия

Азотобактер тұқымдасын 1901 жылы голланд микробиологы және ботаник Мартин Бейжеринк ашқан, ол экологиялық микробиологияның негізін қалаушылардың бірі болды. Ол Azotobacter chroococcum түрін таңдап, сипаттады – бірінші аэробты, еркін тіршілік ететін азотты бекітуші. 1909 жылы Липман Azotobacter vinelandii түрін сипаттады, ал бір жылдан кейін Бейжеринк құрметіне аталды. 1949 жылы орыс микробиологы Николай Красильников бір түрді анықтады, ол 1981 жылы Томпсон Скерманмен Azotobacter nigricans subsp. nigricans және Azotobacter nigricans subsp. achromogenes екі кіші түріне бөлінді; сол жылы Томпсон мен Скерман да тағы бір түрді сипаттады. 1991 жылы Пейдж және Шивпрасад натрий иондарына тәуелді, микроаэрофильді және ауаға төзімді типті хабарлады. Бұрын тұқымның өкілдері Azotobacteraceae Pribram, 1933 отбасына жатқызылған, бірақ кейін 16S rRNA нуклеотидтік тізбектерін зерттеу нәтижесінде Pseudomonadaceae отбасына көшірілді. 2004 жылы филогенетикалық зерттеу A. vinelandii бактериясы Pseudomonas aeruginosa бактериясымен бірге бір кладқа жататынын көрсетті, ал 2007 жылы Azotobacter, Azomonas және Pseudomonas тұқымдастарының байланысты екені және олар синонимдер болуы мүмкін деген болжам айтылды.