Получить высокий урожай той или иной сельскохозяйственной культуры можно только обеспечив растение полноценным питанием.
Эти питательные вещества растения берут в почве, поэтому естественно, что при хорошем урожае почва теряет много питательных элементов. Чтобы пополнить эту убыль, надо внести в почву недостающие вещества, т. е. удобрить ее.
Среди питательных веществ, необходимых для жизни растения, наибольшее значение имеют соединения азота, фосфора и калия. Это три «кита», на которых зиждется современное земледелие. В них обычно испытывают недостаток растительные организмы.
Чаще всего в почвах не хватает азота, который необходим всем живым существам для образования белков. Из культурных почв «вместе» с урожаем ежегодно уносятся значительные количества азота — в среднем до 100 кг с каждого гектара.
Кроме зеленых растений, азот расходуют и микробы, находящиеся в почве. Наконец, какая-то часть минеральных соединений азота, составляющих пищу растений, вымывается почвенными водами и уносится в океан.
И если почва каким-либо путем не обогащается азотом, она быстро истощается, а урожайность полей снижается.
В восстановлении азотных богатств почвы решающую роль играют микроорганизмы. Поэтому проблема почвенного азота и составляет важный раздел микробиологии. «В почвенной бактериологии, — писал академик В. Л. Омелянский, — издавна главное внимание привлекали к себе процессы, входящие в цикл превращений наиболее важного для жизни элемента — азота, более драгоценного с общебиологической точки зрения, чем самые редкие из благородных металлов».
Особое значение для этих процессов имеет группа микробов, обладающая замечательным свойством поглощать азот из воздуха и закреплять (фиксировать) его в своем теле в виде различных органических соединений. Фиксированный ими азот атмосферы претерпевает в почве длинную цепь превращений, все звенья которой связаны с деятельностью микробов.
Запасы газообразного азота в атмосфере практически неисчерпаемы. По подсчетам ученых, в воздухе над каждым квадратным километром земной поверхности содержится около 8 млн. т азота. Но этот азот для большинства представителей живого мира недоступен. Растения и животные не могли бы добывать из атмосферы азот — важнейшую составную часть протоплазмы всех живых существ, если бы не существовало микробов.
Вопрос о потерях почвой азота и о своевременном пополнении его — одна из главных проблем сельского хозяйства. Уже более столетия ученые отыскивают возможности какими-либо путями пополнять недостаток азота в почвах. Природные запасы азотных солей, которые могли бы служить удобрениями, невелики, их надо создавать искусственно. В прошлом веке был найден способ химическим путем соединять молекулярный азот воздуха с кислородом, получая соли азотной кислоты — селитры, и с углеродом и водородом, получая цианамид или аммиак. Возникла промышленность, производящая искусственные азотные удобрения.
Однако методы искусственного связывания газообразного азота воздуха, несмотря на все усовершенствования, довольно дороги. Дело в том, что газообразный азот обладает большой химической инертностью. Чтобы связать его в виде неорганических соединений, необходимо затратить значительное количество энергии.
В то же время многие микроорганизмы — бактерии, грибки, актиномицеты, водоросли — связывают атмосферный азот при обычной для развития организмов температуре и нормальном атмосферном давлении. И естественно, что, научившись более интенсивно «эксплуатировать» эти микроорганизмы, ученые могли бы оказать неоценимую услугу практикам сельскохозяйственного производства.
Подсчеты показывают, какое важное значение для сельского хозяйства имеет процесс микробиологической фиксации азота. Все культурные растения земного шара за год потребляют около 100 млн. т азота, человек же вносит в почву в виде минеральных удобрений всего около 12 млн. т. Таким образом, почвенные микроорганизмы ежегодно «вкладывают» в сельскохозяйственное производство в 7 раз больше минеральных удобрений, чем химическая промышленность всего мира.
Все сказанное нельзя понимать, конечно, так, что только микробиология призвана решать проблему азота в сельском хозяйстве. Очень большое и все растущее значение имеет применение минеральных азотных удобрений, производимых химической промышленностью. Но одно не исключает другого. Как будет показано дальше, изучение сложных микробиологических процессов, протекающих в почве, необходимо для рационального применения и минеральных и органических удобрений. А возможность управлять азотфиксирующей деятельностью почвенных микробов открывает перед земледелием колоссальные перспективы.
Что же представляют собой азотфиксирующие микробу, эти незримые союзники человека в борьбе за урожай, и каким образом они выполняют свои функции?