Введение
Род бактерий Азотобактер – это род обычно подвижных, овальных или сферических бактерий, образующих толстостенные цисты (и имеющих также твердую оболочку) и способных производить большое количество капсульной слизи. Это аэробные, свободноживущие почвенные микроорганизмы, играющие важную роль в круговороте азота в природе, фиксируя атмосферный азот, недоступный для растений, и высвобождая его в почву в форме ионов аммония (азотфиксация). Помимо использования в качестве модельного организма для изучения диазотрофов, азотобактер применяется человеком для производства биоудобрений, пищевых добавок и некоторых биополимеров. Первый представитель рода, Azotobacter chroococcum, был обнаружен и описан в 1901 году голландским микробиологом и ботаником Мартином Бейеринком. Виды Азотобактер – это грамотрицательные бактерии, встречающиеся в нейтральных и щелочных почвах, в воде и в ассоциации с некоторыми растениями.
Azotobacter is a genus of usually motile, oval or spherical bacteria that form thick walled cysts (and also has hard crust) and may produce large quantities of capsular slime. They are aerobic, free living soil microbes that play an important role in the nitrogen cycle in nature, binding atmospheric nitrogen, which is inaccessible to plants, and releasing it in the form of ammonium ions into the soil (nitrogen fixation). In addition to being a model organism for studying diazotrophs, it is used by humans for the production of biofertilizers, food additives, and some biopolymers. The first representative of the genus, Azotobacter chroococcum, was discovered and described in 1901 by Dutch microbiologist and botanist Martinus Beijerinck. Azotobacter species are Gram negative bacteria found in neutral and alkaline soils, in water, and in association with some plants.
Морфология
Клетки рода Azotobacter относительно велики для бактерий (2–4 мкм в диаметре). Они обычно имеют овальную форму, но могут приобретать различные формы – от палочек до шаров. В микроскопических препаратах клетки могут быть разбросаны или образовывать неправильные скопления, а иногда и цепи различной длины. В свежих культурах клетки подвижны благодаря многочисленным жгутикам. Позднее клетки теряют подвижность, становятся почти сферическими и производят толстый слой слизи, формируя клеточную капсулу. На форму клетки влияет аминокислота глицин, присутствующая в пептонной питательной среде. При увеличении в клетках видны включения, некоторые из которых окрашены. В начале 1900-х годов окрашенные включения считались "репродуктивными зернами", или гонидиями – разновидностью эмбриональных клеток. Однако впоследствии было установлено, что эти гранулы не участвуют в делении клеток. Окрашенные зерна состоят из волютина, а бесцветные включения – это капли жира, служащие резервом энергии.
Кисты
Кисты рода Azotobacter более устойчивы к неблагоприятным факторам окружающей среды, чем вегетативные клетки; в частности, они вдвое устойчивее к ультрафиолетовому излучению. Они также устойчивы к высушиванию, ультразвуку, гамма- и солнечному излучению, но не к нагреванию. Образование кист индуцируется изменением концентрации питательных веществ в среде и добавлением некоторых органических веществ, таких как этанол, н-бутанол или β-гидроксибутират. Кисты редко формируются в жидких средах. Образование кист вызывается химическими факторами и сопровождается метаболическими сдвигами, изменениями в катаболизме, дыхании и биосинтезе макромолекул; на этот процесс также влияют альдегиддегидрогеназа и регулятор ответа AlgR. Кисты Azotobacter имеют сферическую форму и состоят из так называемого "центрального тела" – уменьшенной копии вегетативных клеток с несколькими вакуолями – и "двухслойной оболочки". Внутренняя часть оболочки называется интиной и имеет волокнистую структуру. Внешняя часть обладает шестиугольной кристаллической структурой и называется эксином. Эксин частично гидролизуется трипсином и устойчив к лизозиму, в отличие от центрального тела. Центральное тело можно выделить в жизнеспособном состоянии с помощью некоторых хелатирующих агентов. Основными компонентами внешней оболочки являются алкилрезорцинолы, состоящие из длинных алифатических цепей и ароматических колец. Алкилрезорцинолы также обнаруживаются в других бактериях, животных и растениях.
Прорастание кист
Киста рода Azotobacter является формой покоящейся вегетативной клетки; однако, в отличие от обычных вегетативных клеток, которые размножаются, киста Azotobacter не служит этой цели и необходима для переживания неблагоприятных факторов окружающей среды. После восстановления оптимальных условий окружающей среды, включающих определенное значение pH, температуру и источник углерода, кисты прорастают, а вновь образованные вегетативные клетки размножаются простым делением. В процессе прорастания кисты повреждаются и высвобождают крупную вегетативную клетку. Первым микроскопическим признаком прорастания является постепенное уменьшение светопреломления кистами, которое выявляется с помощью фазово-контрастной микроскопии. Прорастание кисты занимает около 4–6 часов. В ходе прорастания центральное тело увеличивается в размерах и захватывает гранулы волютина, которые ранее располагались в интиме (самом внутреннем слое). Затем экзин разрывается, и вегетативная клетка освобождается от экзина, имеющего характерную подковообразную форму. Этот процесс сопровождается метаболическими изменениями. Сразу после поступления источника углерода кисты начинают поглощать кислород и выделять углекислый газ; скорость этого процесса постепенно возрастает и насыщается через четыре часа. Синтез белков и РНК происходит одновременно, но усиливается только через пять часов после добавления источника углерода. Синтез ДНК и фиксация азота инициируются через 5 часов после добавления глюкозы в азотсодержащую питательную среду. Прорастание кисты сопровождается изменениями в интиме, видимыми с помощью электронного микроскопа. Интима состоит из углеводов, липидов и белков и имеет объем, почти равный объему центрального тела. В процессе прорастания кисты интима гидролизуется и используется клеткой для синтеза собственных компонентов.
Физиологические свойства
Азотобактерии дышат аэробно, получая энергию от окислительно-восстановительных реакций, используя органические соединения в качестве доноров электронов, и могут использовать различные углеводы, спирты и соли органических кислот в качестве источников углерода. Azotobacter способен фиксировать не менее 10 мкг азота на грамм потребленной глюкозы. Для фиксации азота необходимы ионы молибдена, но они могут быть частично или полностью заменены ионами ванадия. Если атмосферный азот не фиксируется, источником азота могут служить нитраты, ионы аммония или аминокислоты. Оптимальный pH для роста и фиксации азота составляет 7,0–7,5, но рост поддерживается в диапазоне pH от 4,8 до 8,5. Азотобактерии также могут расти миксотрофно, в среде, свободной от молекулярного азота, содержащей маннозу; этот режим роста зависит от водорода. Водород доступен в почве, поэтому такой режим роста может происходить в природе. В процессе роста Azotobacter образует плоские, слизистые, пастообразные колонии диаметром 5–10 мм, которые могут формировать пленки в жидких питательных средах. Колонии могут быть темно-коричневого, зеленого или других цветов, либо бесцветными, в зависимости от вида. Рост благоприятствует температуре 20–30°C. Бактерии рода Azotobacter также известны своей способностью формировать внутриклеточные включения полигидроксиалканоатов при определенных условиях окружающей среды (например, при недостатке элементов, таких как фосфор, азот или кислород, в сочетании с избытком источников углерода).
Пигменты
Азотобактер производит пигменты. Например, Azotobacter chroococcum образует темно-коричневый водорастворимый пигмент меланин. Этот процесс происходит при высокой интенсивности метаболизма во время фиксации азота и предположительно защищает нитрогеназу от кислорода. Другие виды Azotobacter производят пигменты от желто-зеленого до фиолетового цветов, включая зеленый пигмент, флуоресцирующий желто-зеленым светом, и пигмент с голубовато-белой флуоресценцией.
Геном
Нуклеотидная последовательность хромосом Azotobacter vinelandii, штамм AvOP, частично установлена. Эта хромосома представляет собой кольцевую молекулу ДНК, содержащую 5 342 073 пары нуклеотидов и 5 043 гена, из которых 4 988 кодируют белки. Содержание пар гуанин + цитозин составляет 65 моль процентов. Число хромосом в клетках и содержание ДНК увеличиваются по мере старения, а в стационарной фазе роста культуры может содержать более 100 копий хромосомы на клетку. Исходное содержание ДНК (одна копия) восстанавливается при пересеве культуры в свежую среду. Помимо хромосомной ДНК, Azotobacter может содержать плазмиды.
Распространение
Азотобактериальные виды широко распространены в нейтральных и слабощелочных почвах, но не встречаются в кислых. Они также обнаружены в арктических и антарктических почвах, несмотря на холодный климат, короткий вегетационный период и относительно низкий pH этих почв. В сухих почвах Azotobacter способен выживать в форме цист до 24 лет. Представители рода Azotobacter также встречаются в водных местообитаниях, включая пресные и солоноватые болота. Некоторые виды ассоциированы с растениями и находятся в ризосфере, поддерживая определенные взаимосвязи с ними. Отдельные штаммы также обнаруживаются в коконах дождевого червя Eisenia fetida.
Фиксация азота
Азотобактерии – свободноживущие бактерии, фиксирующие азот; в отличие от ризобиев, они обычно фиксируют молекулярный азот из атмосферы без симбиотических отношений с растениями, хотя некоторые виды азотобактерий ассоциированы с растениями. Фиксация азота ингибируется в присутствии доступных источников азота, таких как ионы аммония и нитраты. У азотобактерий имеется полный набор ферментов, необходимых для фиксации азота: ферредоксин, гидрогеназа и важный фермент – нитрогеназа. Процесс фиксации азота требует поступления энергии в форме аденозинтрифосфата. Фиксация азота крайне чувствительна к присутствию кислорода, поэтому азотобактерии выработали специальный защитный механизм против кислорода, заключающийся в значительном усилении метаболизма, что снижает концентрацию кислорода в клетках. Также, специальный защитный белок нитрогеназы защищает нитрогеназу и участвует в защите клеток от кислорода. Мутанты, не продуцирующие этот белок, погибают от кислорода во время фиксации азота при отсутствии источника азота в среде. Ионы гомоцитрата играют определенную роль в процессах фиксации азота у азотобактерий.
Нитрогеназа
Азотгеназа – важнейший фермент, участвующий в фиксации азота. У видов рода Azotobacter существует несколько типов азотгеназы. Основной тип – молибдено-железная азотгеназа. Альтернативный тип содержит ванадий; он не зависит от ионов молибдена и проявляет более высокую активность по сравнению с MoFe-азотгеназой при низких температурах. Благодаря этому он способен фиксировать азот при температурах до 5 °C, а его активность при низких температурах в 10 раз выше, чем у MoFe-азотгеназы. Важную роль в созревании MoFe-азотгеназы играет так называемый P-кластер. Синтез азотгеназы контролируется генами *nif*. Регуляция фиксации азота осуществляется усиливающим белком NifA и "сенсорным" флавопротеином NifL, который модулирует активацию транскрипции генов фиксации азота посредством редокс-зависимого переключения. Этот регуляторный механизм, основанный на взаимодействии двух белков, образующих комплексы, является необычным для других систем.
Важность
Фиксация азота играет важную роль в круговороте азота. Азотобактер также синтезирует некоторые биологически активные вещества, включая фитогормоны, такие как ауксины, тем самым стимулируя рост растений. Они также облегчают мобилизацию тяжелых металлов в почве, способствуя тем самым биоремедиации почвы, загрязненной тяжелыми металлами, такими как кадмий, ртуть и свинец. Некоторые виды Azotobacter способны также к биодеградации хлорсодержащих ароматических соединений, таких как 2,4,6-трихлорфенол, который ранее использовался как инсектицид, фунгицид и гербицид, но впоследствии был признан мутагенным и канцерогенным.
Приложения
Благодаря способности фиксировать молекулярный азот, что повышает плодородие почвы и стимулирует рост растений, виды Azotobacter широко применяются в сельском хозяйстве, в частности, в азотных биоудобрениях, таких как азотобактерин. Они также используются в производстве альгиновой кислоты, которая находит применение в медицине как антацид, а в пищевой промышленности – в качестве добавки к мороженому, пудингам и кремам.
Таксономия
Род Azotobacter был открыт в 1901 году голландским микробиологом и ботаником Мартином Бейеринком, который был одним из основателей экологической микробиологии. Он выделил и описал вид Azotobacter chroococcum – первый аэробный, свободноживущий азотфиксирующий микроорганизм. В 1909 году Липман описал Azotobacter vinelandii, а год спустя назвал его в честь Бейеринка. В 1949 году русский микробиолог Николай Красильников идентифицировал вид Azotobacter nigricans, который был разделен в 1981 году Томпсоном Скерманом на два подвида – Azotobacter nigricans subsp. nigricans и Azotobacter nigricans subsp. achromogenes; в том же году Томпсон и Скерман описали Azotobacter tropicalis. В 1991 году Пейдж и Шивпрасад сообщили о микроаэрофильном и воздухоустойчивом типе, зависимом от ионов натрия. Ранее представители рода относились к семейству Azotobacteraceae Pribram, 1933, но затем были перенесены в семейство Pseudomonadaceae на основе исследований последовательностей 16S рРНК. В 2004 году филогенетическое исследование показало, что A. vinelandii принадлежит к тому же кладу, что и бактерия Pseudomonas aeruginosa, а в 2007 году было предложено, что роды Azotobacter, Azomonas и Pseudomonas родственно связаны и могут быть синонимами.