ПРЕВРАЩЕНИЕ АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ В ПОЧВЕ И УСВОЕНИЕ ИХ РАСТЕНИЯМИ *

Внесенное в почву удобрение используется не только расте- биями, но и почвенными микроорганизмами, которые или используют усвояемый азот удобрения на построение своих тел, или используют нитраты как источник кислорода в процессе дыхания.

На значительные потери азота в почве указывается в работах {1—4], авторы которых использовали изотопную тех-

• В проведении исследований, кроме автора, участвовали сотрудники лаборатории азота 3. Н. Берсенева, М. А. Гуминская, И. А. Корицкая, Г. Г. Жидких, Г. А. Лобовикова. Статья опубликована в журнале «Агрохимия» № 3, 1964.

т

нику, а также в работе Arnold [5], который непосредственно определял выделяющиеся из почвы окислы азота.

Важно выяснить, в какой мере азот удобрения после его превращения в почве в органическую форму может служить источником питания растений как непосредственно в год внесения удобрений, так и в последующие годы.

Для изучения усвояемости поглощенного микроорганизмами меченого азота сульфата аммония в год его внесения был проведен следующий опыт.

Таблица I

Мобилизация азота, поглощенного почвенными микроорганизмами из меченого азотного удобрения в год его внесения

Меченый сульфат аммония (обогащение изотопом N15 — 16,56% избытка атомов N15) вносился перед посевом растений яровой пшеницы в почву (дерново-подзолистая суглинистая известкованная почва) в дозе 0,3 г N на сосуд. Во время колошения (6/VII), когда можно было предполагать, что основная масса усвояемого азота в почве была уже использована растениями, производилась уборка урожая в трех параллельных сосудах, а в трех других параллельных сосудах (опыт проводился в шестикратной повторности) растения оставались до полного' созревания. Почва и растения в I (6/VII) и во II (20/IX) сроки уборки подвергались анализу на содержание N15. Опыт проводился на известкованном подзолистом суглинке 'без применения и с одновременным применением органических удобрений. -Основные результаты приведены в таблице 1.

Применение^ изотопа N15 позволило установить весьма важную особенность во взаимодействии азотных удобрений с почвой. Оказалось, что внесение азотных удобрений на всех почвах вызывает значительное увеличение степени использования растениями природного азота почвы.

Это можно видеть из опыта, где в качестве меченого азотного удобрения применялся сернокислый аммоний (табл. 2).

Как следует из данных таблицы 2, при внесении в почву меченого сернокислого аммония в дозах от 0,3 до 0,5 г N на

Влияние внесенного N15(NH4hS04 на использование растениями почвенного азота

сосуд усвоение-растениями почвенного азота не только не падало, а, наоборот, значительно возрастало в сравнении с контрольными вариантами. Это кажется несколько странным, так как в почве контрольных вариантов во время роста растений или .после снятия урожая никогда нельзя было обнаружить, даже следов усвояемого азота. В то же время удобренные азотом растения обычно использовали примерно в полтора раза больше почвенного азота, чем неудобренные растения.

Так как в этих опытах применялся в качестве меченого источника азота, сернокислый аммоний, то повышение доступности растениям почвенного азота можно было в известной мере связать с положительным влиянием нитрификации аммиачного азота на мобилизацию почвенного азота. Действительно,, было показано, что при нитрификации в почве мочевины или какого-либо другого аммиачного удобрения происходит некоторая мобилизация органического азота. Это видно из следующего опыта.

В почву вносились корни, стебли и листья созревших растений ржи, меченных изотопом N15. Так как соотношение между углеродом и азотом в корнях и стеблях особенно неблагоприятно для минерализации органического азота этих материалов, то нитрификация их происходила крайне слабо и общее количество атомов N15 в составе нитратной фракции в почве было ничтожно малым. Когда же одновременно с этими материалами вносилась обычная, немеченая, легко нитрифицируемая мочевина или какая-либо другая аммонийная форма немеченого азотного удобрения, то в составе нитратной фракции находилось большое количество атомов N15, чего не могло быть, если бы содержащие избыток атомов N15 солома или корни

не нитрифицировались под влиянием развивающегося процесса нитрификации, начавшегося с легко нитрифицируемого азотного удобрения и охватившего также и более инертное органическое вещество соломы или кбрней (табл. 3).

Таблица 3

Влияние (немеченой) СО(1ЧН2)2 на нитрификацию меченного изотопом N15 органического азота

* Включая и аммиачный азот, который был представлен в этом опыте в крайне незначительных количествах; чтобы не загромождать таблицу, данные по аммиачному азоту не выделены в~отдельную колонку.

Таким образом, при длительном компостировании мочевины с органическими материалами единица азота мочевины вызывала мобилизацию примерно 0,1 единицы органического азота.

По данным таблицы 2, внесение в почву 0,45—0,5 г азота сульфата аммония вызывало дополнительную мобилизацию от 50 до 100 мг, т. е. в отдельных опытах в присутствии растений влияние аммиачного удобрения на мобилизацию почвенцого азота проявлялось значительно резче, чем в парующих ком- постах.

Результаты опытов по изучению азотного питания растений с применением изотопа N15 указывают прежде всего на исключительно высокую интенсивность обмена азотистых веществ в растении. Первая стадия в усвоении растениями минеральных соединений азота (нитратов или аммонийных солей) — поступление их в растение — происходит с весьма высокой скоростью.

Поступивший в растение минеральный азот сразу же используется на синтез аминокислот в корнях растений. При снабжении растений аммонийными соединениями азота в дозах, обычно применяющихся в практических условиях, переработка его в аминокислоты полностью завершается в корнях растений,

и в листья уже поступают готовые аминокислоты, которые используются здесь на синтез белка. Нитратные соединения азота, прежде чем пойти на синтез органических веществ, должны предварительно восстановиться в растении до аммиака, поэтому использование нитратов в корнях на синтез аминокислот происходит только в меру их восстановления в аммиак, значительная же часть поступивших в корни нитратов достигает листьев, где они после восстановления используются па синтез аминокислот.

Таблица 4

Интенсивность включения меченого азота в состав аминокислот молодых растений овса

* Величина Z показывает, во сколько раз содержание атомов N15 больше, чем в природном азоте, % N15 в котором (0,39) принят за единицу.

Переработка аммонийного азота в аминокислоты характеризуется весьма высокой скоростью. В таблице 4 приведены результаты одного из опытов, в котором изучалась скорость образования аминокислот в корнях и листьях молодых растений овса при подкормке их меченым сульфатом аммония.

Эти данные показывают, что потребовалось очень немного времени для того, чтобы корни растений могли извлечь из почвы и переработать в аминокислоты достаточно значительные количества минерального азота; уже через 15 минут после внесения меченого сернокислого аммония его азот был обнаружен в корнях растений в составе аминокислот. В дальнейшем содержание меченого азота в составе аминокислот непрерывно возрастало, что свидетельствует о непрекращающемся их новом синтезе за счет внесенного в подкормку меченого азота сульфата аммония.

Синтезированные в корнях, аминокислоты непрерывно отводятся в надземные органы растений. Передвижение аминокислот из корней в листья требует известного времени. В данном опыте требовалось менее 2 часов для того, чтобы можно было

обнаружить в листьях в достаточно заметных количествах меченый азот в составе аминокислот.

Образовавшиеся замечет переработки неорганического азота аминокислоты идут на синтез белка. Исследования с применением N15 показывают, что меченый азот может быть обнаружен в значительных количествах в составе белков уже в первые часы после внесения меченой азотной подкормки, как это видно из данных таблицы 5.

Таблица 5

Динамика включения меченого азота в азот аминокислот и белков листьев молодых растений овса

При вычислении процентного содержания меченого азота за 100 принималась величина обогащения изотопом N15 сульфата аммония, применявшегося для подкормки. Процент меченого азота во фракции аминокнелот одновременно выражает степень обновления азотистого состава аминокислот, так как для их синтеза непосредственно используется внесенный в подкормку аммиачный азот сульфата аммония. Но на синтез белков используется не аммиак как таковой, а продукты его переработки, т. е. аминокислоты. Следовательно, при вычислении степени обновления' белка мы должны исходить из экспериментально найденной на каждый момент степени обогащения изотопом N15 аминокислотной фракции азота, принимая эту величину за 100 и относя к ней экспериментально найденную величину обогащения изотопом N15 белковой фракции азота.

Как видно, азотистый состав белка в течение 48 часов обновился примерно наполовину, так как около 50% всех атомов азота белка за 48 часов,после внесения меченого сульфата аммония были замещены новыми мечеными атомами азота.

Проводившиеся одновременно химические анализы растений показали, что общее количество азота белков как в этом, так и в других аналогичных опытах за столь короткие промежутки времени практически почти совсем не изменялось или изменялось на сравнительно незначительную величину — в пределах

5. 10%. Это свидетельствует о том, что в растениях, кроме синтеза молекул белка, постоянно происходит распадууже существовавших белковых молекул. Таким образом, молекулы белка в организме растений имеют сравнительно небольшую

продолжительность жизни. Они непрерывно разрушаются и вновь воссоздаются в процессе интенсивного обмена веществ в растении.

Синтез белка и его обновление в растениях тесно связаны с процессом фотосинтеза.

При экспозиции растений в темноте, в отсутствие сахаров, нового синтеза белка и его обновления не происходит. В этих условиях происходит только непрерывный распад белка до аминокислот (табл. 6).

Таблица 6

Фотосинтез и азотный обмен растений

* До начала опыта растения были на свету.

В темноте меченый азот включался в сравнительно небольших количествах только в состав аминокислот, для синтеза которых наличие света не является абсолютно необходимым, содержание же меченого азота в темноте было ничтожно малым и не выходило за границы возможной ошибки эксперимента.

Прекращение синтеза белка в темноте прежде всего обусловлено тем, что в этих условиях в растениях не ^образуются сахара, необходимые для синтеза белка. В ряде опытов, где исходные растения .характеризовались весьма высоким содержанием сахаров, в первое время их экспозиции в темноте распада белка не наблюдалось. Только после того, как первоначальные запасы сахаров в растении были истощены, начался процесс распада белка.

Опытами, проведенными в строго контролируемых условиях, установлено, что степень обеспеченности растений сахарами имеет наибольшее значение не для начальных этапов усвоения неорганического азота растениями, а для конечного этапа переработки азотистых соединений, для синтеза белка. По-видимому, синтез белка сопровождается интенсивным окислением сахара, в результате которого освобождается энергия, необходимая для активации молекул аминокислот, вступающих в реакцию синтеза белка.

Если давать растениям в нормальных условиях освещения - в течение некоторого сравнительно короткого времени (36— 48 часов) меченную изотопом N15 азотную подкормку, то большая или меньшая часть белковых молекул станет меченой, поскольку для их образования был использован меченый азот подкормки.

При последующем помещении таких растений в темноту, когда новый синтез белка прекращается и происходит только односторонний его распад до аминокислот, можно установить, подвергаются ли все белковые молекулы распаду, независимо от того, когда они образовались в растении, до или после меченой азотной подкормки, или же происходит избирательный распад каких-то определенных групп молекул белка.

Опыты, проведенные в этом направленйи, показали, что сначала подвергаются распаду только «старые», т. е. те белковые молекулы, которые уже были в составе белка до внесения меченой азотной подкормки. Более же молодые белковые молекулы, синтезированные при подкормке растений меченым азотом, распадаются значительно позже (табл. 7).

Таблица 7

Избирательный распад «старых» молекул белка в темноте

(старые молекулы не мечены, молодые молекулы мечены изотопом N15)

Как следует из этих данных, в темноте непрерывно происходил распад белка до аминокислот. Однако, хотя общая масса белка падала, абсолютное количество азота в белке оставалось на исходном уровне в течение 72 часов, поэтому относительное содержание меченого азота в белке на единицу его массы возрастало.

Только при экспозиции в темноте в течение 108 часов абсолютное количество меченого азота в белке резко упало.

Из данных таблицы 5 следует, что в первые 72 часа пребывания растений в темноте распадались только «старые» молекулы белка, образовавшиеся не ранее как 96 часов назад, т. е. в то время, когда растениям еще не была дана азотная меченая подкормка.

Более молодые меченые молекулы белка, образовавшиеся после внесения азотной подкормки с N15, начинают распадаться только после 72 часов пребывания их в темноте.

Таким образом, обновление белка происходит в результате селективного распада старых его молекул и нового их синтеза. Продолжительность жизни белковой молекулы в молодых растениях, по данным этого и подобных опытов, близка к 90—120 часам.

Во многих физиологических опытах по сравнительному изучению поступления в растения нитратного и аммонийного азота при использовании обычных аналитических методов, как правило, отмечалось более интенсивное поступление аммонийного азота, и отсюда делалось заключение, что аммонийный азот быстрее, чем нитратный, используется в растениях на синтез белка. Однако правильность такого заключения могла бы быть установлена только при использовании изотопного метода, позволяющего получить точные данные о скорости включения меченого азота в состав аминокислот и белка растений.

В действительности оказалось, что нитратный азот медленнее используется на синтез аминокислот, чем аммонийный азот. Это находит свое объяснение в том, что нитраты, прежде чем пойти на синтез аминокислот, должны предварительно подвергнуться восстановлению до аммиака, что требует известного времени. Значительная часть поступивших в растения нитратов в течение некоторого, иногда сравнительно длительного, времени остается в непереработанном'виде.

Несмотря на это, скорость превращения нитратного азота в аминокислоты всегда достаточна для обеспечения нормального течения процесса синтеза белка, поэтому в конечном итоге при умеренном снабжении растений азотом синтез белка происходит с одинаковой скоростью независимо от того, используется нитратный или аммонийный азот (табл. 8).

Таблица 8

Интенсивность усвоения растениями овса нитратного и аммиачного азота в опытах с применением изотопа N15

Если в первое время включение N15 в белок при нитратном источнике азота происходит медленнее, чем при аммиачном, то уже через 72 часа включение меченого азота в белок по обеим формам азота было практически одинаковым.

Изучая интенсивность восстановления нитратов при различных условиях питания растений, мы установили, что восстановление нитратов происходит более энергично в момент их поступления в растение и неизмеримо слабее тогда, когда нитраты уже более или менее продолжительное время находились в тканях растений. Это удалось показать таким образом: растения до экспозиции их на N15 выращивались в водных культурах на нитратном (немеченом) источнике азота, и в этих условиях в тканях растений накапливались в значительных количествах нитраты. Затем растения переносились на питательный раствор, азот в котором был представлен меченным по N15 азотнокислым кальцием. Одновременно на такой же раствор переносились и растения, которым до этого давался не нитратный, а аммиачный азот.

После экспозиции на N15 растения снимались и поступали в анализ. Результаты опыта приведены в таблице 9.

Таблица -9

Метаболизм «новых» и «старых» нитратов в растении

В растениях, предварительно выращенных на немеченом нитратном источнике азота, при последующей экспозиции на N15 происходило разбавление вновь поступивших меченых нитратов ранее поступившими (старыми) немечеными нитратами. В силу этого разбавления обогащение изотопом N15 фракции нитратного азота в этих вариантах опыта было в несколько раз ниже, чем для нитратной фракции, выделенной из растений, получавших до экспозиции на N15 аммонийный азот.. Если бы вновь поступившие («новые») и ранее поступившие («старые») нитраты с одинаковой интенсивностью подвергались дальнейшим превращениям в растении, то продукты восстановления нитратов — аммиак и аминокислоты — имели бы. соот

ветственно и белее низкое обогащение изотопом N15 в сравнении с вариантами, где растения получали аммонийный азот в предварительной фазе опыта. Однако фактическое обогащение изотопом N15 аммиака и аминокислот для одного и того же срока экспозиции было примерно одинаково в этих вариантах опыта и ни в какой мере не зависело от того, вносился или не вносился немеченый нитратный азот до экспозиции растений на N15. Следовательно, в метаболизм растений (прежде всега вовлекались «новые», только что поступившие нитраты.

Причина такого поведения «старых» нитратов неясна5., Можно высказать только предположения, что более низкая активность «старых» нитратов может быть объяснена или недостаточной позиционной доступностью — локализацией их в таких участках .клетки, которые менее доступны воздействию редуцирующих ферментов, или постепенным включением нитратов в какие-то менее реакционноспособные комплексы в тканях растений.