Интенсивность азотфиксации, осуществляемой водорослями в природе, в частности в почвенной среде, установлена очень приблизительно.
Определение размеров накопления азота в полевых условиях связано с большими методическими трудностями. Метод Кьельдаля дает надежные результаты лишь в случаях значительных прибавок количества азота по сравнению с контролем, например при сравнении наземных корочек синезеленых с участками почвы без водорослей. Более чувствителен изотопный метод. Если в итоге опыта накопление N15 в водорослях превысит содержание его в природном воздухе (0.365—0.38%), это считается доказательством азотфиксации.
В природных условиях трудно разграничить азотфиксирующую активность самих синезеленых водорослей и деятельность сопутствующих им азотфиксирующих и олигонитрофильных бактерий, которые, как известно, обильно заселяют слизистые влагалища и колониальную слизь синезеленых. С другой стороны, азотфиксация водорослей иногда стимулируется бактериями, не способными к усвоению элементарного азота. Так, Бунт обнаружил, что бактерия Caulobacter, обитающая в слизи синезеленых, усиливает азотфиксацию; если в чистой культуре Nostoc sp. было накоплено 9.64 мг азота, то в совместной культуре Nostoc и Caulobacter азотфиксация составила 17.43 мг; Caulobacter в чистой культуре не способен фиксировать азот. Существенное усиление азотфиксации у Nostoc calcicola было получено при объединении водорослей с различными бактериями, в том числе с Azotobacter и Rhizobium. Таким образом, накопление азота обязано деятельности всего азотфиксирующего комплекса, основу которого составляют синезеленые; роль таких комплексов хорошо показали Келлер и Красильников. В тех случаях, когда имеет место массовое развитие азотфиксирующих видов синезеленых, можно условно говорить о преобладающем значении именно водорослей.
Предложены следующие критерии для решения вопроса о происхождении фиксированного азота в тех или иных природных местообитаниях с обилием гетероцистных видов синезеленых. Считается, что накопление азота обязано водорослям при следующих условиях: 1) если фиксация в определенное время на свету происходила интенсивнее, чем в темноте, и была ограничена поверхностными слоями почвы, что показывает зависимость азотфиксации от фотосинтеза; 2) если имеется прямая корреляция между фиксированным азотом и обилием азотфиксирующих водорослей на различных глубинах почвы; 3) если среди образцов различных водорослей, изолированных из одного местообитания и выдержанных в лаборатории в присутствии N15, заметное накопление N15 обнаружено только в азотфиксирующих водорослях и не обнаружено в других группах водорослей; 4) если микроскопическая проверка показала, что бактерии в образце не настолько обильны, чтобы обеспечить наблюдаемую скорость азотфиксации.
В качестве примера, показывающего значение азотфиксирующих водорослей, можно привести исследование водорослевых корочек, собранных с разных почв СССР. Почвенные образцы в чашках Коха помещались на 12 дней в вакуум-эксикатор с атмосферой, насыщенной N15. Общий азот определялся методом Кьельдаля, меченый — на спектрографе ДАС-2.
Оказалось, что усвоение тяжелого изотопа азота N15 происходило лишь в тех образцах, где преобладали азотфиксирующие водоросли, — Nostoc, Tolypothrix, Cylindrospermum. В пленках, образованных видами, не фиксирующими азот, например Phormi — dium, Microcoleus (образец № 6), накопления N15 не наблюдалось, хотя общее содержание азота могло быть высоким. Наибольшее накопление N15 обнаружено в образце № 9, который представлял собой почти чистые слоевища Nostoc commune. В почве под корочками, даже при наличии азотфиксирующих видов (образцы № 2 и 5), азотфиксация не обнаружена.
Материал имеет индикаторное значение, доказывая фиксацию молекулярного азота, но не позволяя судить об абсолютной величине азотфиксации. Больше всего сведений о накоплении азота синезелеными относится к рисовым полям и некоторым почвам аридной зоны. Однако полученные показатели накопления азота довольно разноречивы, что объясняется, очевидно, и разной степенью развития водорослей, и разными методами учета. Поэтому цифры не поддаются сопоставлению, но все же убедительно доказывают накопление азота в результате жизнедеятельности синезеленых. В приводимых ниже примерах значение этого процесса проявляется особенно наглядно.
На начальных этапах почвообразования, например на выветривающихся скальных породах, в крайних условиях существования, азотфиксирующие синезеленые, автотрофные как по углеродному, так и но азотному питанию, являются пионерами растительности, первыми накопителями гумуса, обеспечивающими последующее поселение гетеротрофных организмов. Синезеленые образуют первую ступень в смене растительности и на некоторых эродированных почвах. При биологическом освоении голых субстратов тундры большая роль в накоплении азота принадлежит Nostoc (Stratonostoc) commune. Как показано ранее, Nostoc также одним из первых поселяется на безжизненных промышленных отвалах.
На многих почвах аридной зоны, как целинных, так и окультуренных, существенным источником азота являются водорослевые корочки, включающие азотфиксирующие синезеленые водоросли и их симбионты — бактерии.
В корочках, исследованных Шилдс с сотрудниками, из азотфиксирующих водорослей присутствовал только Nostoc sp., в образцах, собранных на полупустынных пастбищах Аризоны Мэйландом с сотрудниками, — Nostoc, Anabaena Scytonema. Все авторы подчеркивают, что водорослевые корочки, несмотря на небольшой прирост азота, в течение длительного времени могут обеспечить значительное улучшение азотного режима аридных почв. В опыте Мэйланда скорость фиксации нарастала в течение 520 дней опыта, и к концу этого срока содержание азота в водорослях удвоилось. Правда, азотфиксация в водорослевых корочках происходит только в периоды увлажнения и резко снижается при их подсыхании. В совершенно сухих образцах количество азота не изменяется, что видно из опыта Мэйланда. Поэтому при пересчете экспериментальных данных на полевые условия необходимо учитывать как степень покрытия почвы водорослевыми корочками, так и продолжительность периода увлажнения в природе.
На рисовых полях азотфиксирующие водоросли уже давно признаны важными агентами поддержания почвенного плодородия. Обычно на затопляемых рисовых полях наблюдается изобилие синезеленых, особенно в осенний период. Начиная с исследований Де, подробно изучалась альгофлора рисовых полей и получены данные об азотфиксирующей деятельности водорослей. Окуда и Ямагучи подтвердили высказанные ранее предположения о связи роста водорослей с накоплением азота на рисовых полях. Проанализировав 117 образцов почвы, взятых в различных районах Японии, они сделали вывод о широком распространении сине- зеленых, среди которых, в частности, преобладали азотфиксирующие формы. Ватанабе расширил сферу исследований, беря почвы из разных районов Южной и Восточной Азии. Его исследования показали, что азотфиксирующие синезеленые обильно растут в тропических и субтропических районах, таких как Ява, Суматра, Борнео, Филиппины, Малайзия, Южный Китай и др., но менее распространены в Японии, Северном Китае и Корее. Большинство водорослей, которые изучал автор, принадлежало к родам Tolypothrix, Nostoc, Cylindrospermum, Calothrix, Anabaena, Plectonema, Anabaenopsis, Schizothrix.
Мало того, восстановление азота в некоторых тропических почвах вообще считается альгологическим процессом. Сингх приводит примеры развития азотфиксирующих водорослей на неорошаемых полях Индии, отмечая особую роль Cylindrospermum licheniforme. При разрастании на кукурузных полях или на полях сахарного тростника С. licheniforme за 2,5 месяца накапливал до 90 кг азота на гектар. Виды Cylindrospermum хорошо растут и на пастбищах, особенно в случае, если трава не стравливается во время дождей. В опыте Сингха на участках, огражденных от стравливания на 5 месяцев периода дождей, содержание азота возросло на 88% вследствие интенсивного разрастания Cylindrospermum licheniforme. Точно так же поверхность паровых полей в период дождей покрывается обильными пленками синезеленых; здесь тоже встречаются виды Cylindrospermum, но особенно характерны Camptylonema lahorense, виды Scytonema и Nostoc, Aphanothece pallida и Porphyrosiphon notarisii. Сингх считает, что в полях, оставшихся невспаханными в течение дождевого периода, плодородие почвы повышается вследствие роста водорослей. Шоберт и Гроббелар описывают подобную практику улучшения земель, осуществляемую фермерами Южной Африки. Когда река выходит из берегов, вода отводится на примыкающие пастбища, которые остаются в состоянии затопления значительный период. В течение этого времени в воде развивается плотная водорослевая пленка. Этим объясняют улучшение почвенной структуры и обогащение почвы азотом в результате затопления.
В почвах умеренной зоны, в частности в почвах СССР, синезеленые тоже прямо или косвенно участвуют в накоплении азота, хотя данных об этом немного.
Значение накопления азота корочками азотфиксирующих водорослей в природе в условиях умеренного климата хорошо иллюстрируется следующим примером. Приречные наносные пески в пойме р. Вятки на больших пространствах лишены высших растений и покрыты черным налетом, образованным синезеленой водорослью Nostoc sphaeroides; на 1 см2 насчитывалось от 80 до 150 колоний диаметром до 4 мм. Сырая масса их составила до 1.5 т/га, а сухое вещество — до 6 ц/га. N. sphaeroides оказался здесь существенным фактором в обогащении бесплодных наносных песков азотом. То же подтверждают и экспериментальные исследования. В условиях опыта водоросли, изолированные в культуру из почв умеренной зоны и использованные для инокуляции таких же почв, обеспечивали прирост азота при инкубации на свету. Перминова провела наблюдения за количеством азота в почве, инокулированной водорослями, в вегетационном опыте с ячменем. Во всех вариантах к концу опыта произошло уменьшение содержания азота. Однако учет выноса азота с урожаем позволил выявить положительный азотный баланс в варианте с внесением Nostoc paludosum и Tolypothrix tenuis и бездефицитный баланс при внесении N. punctiforme. Особенно благоприятным был азотный баланс при совместном внесении водорослей и азотобактера: несмотря на значительный вынос азота с урожаем, отмечено его накопление в почве. В этом опыте тоже наблюдалось совпадение: положительный баланс и наибольшее накопление азота получены в тех вариантах, где водоросли сохранились живыми до конца опыта.
Таким образом, полученные результаты показывают, что синезеленые могут быть агентами биологической азотфиксации как в целинных, так и окультуренных почвах разных зон земного шара. Абсолютная и относительная роль водорослей в обеспечении почвы азотом различна, но, по-видимому, часто недооценивается, как это отмечает Сингх. Считается, что прибыль азота в почве в большинстве случаев является результатом собирательной деятельности многочисленных микроорганизмов, фиксирующих малые количества азота. Водоросли участвуют в этом процессе не только как фиксаторы азота, по и как стимуляторы гетеротрофных азотфиксаторов.