Процес на фиксација на азот од бактерии
Азотот е еден од најважните елементи за живот. Тој е клучна компонента на аминокиселините (градежните блокови на протеините), нуклеинските киселини (ДНК и РНК) и разни други молекули што им се потребни на живите суштества за да растат и да се развиваат. Сепак, постои голем парадокс во природата: атмосферата на Земјата содржи приближно 78% азот во форма на азотен гас (N₂), но повеќето организми не можат директно да го користат. Ова е затоа што N₂ има многу силна тројна врска, што го прави стабилен и тежок за реакција. Тука бактериите играат клучна улога преку процес наречен фиксација на азот.
Разбирање на фиксацијата на азот
Фиксацијата на азот е процес на претворање на атмосферскиот азот (N₂) во пореактивни форми на азот што организмите можат да ги користат, првенствено јони на амонијак (NH₃) или амониум (NH₄⁺). Овој процес е важна фаза во циклусот на азот , заедно со нитрификацијата, асимилацијата, амонификацијата и денитрификацијата. Без фиксација на азот, достапноста на „готов за употреба“ азот во почвата би била сериозно ограничена, што би резултирало со намалена продуктивност на екосистемот и земјоделството.
Фиксацијата на азот може да се случи на неколку начини, на пример со молња (абиотски процес), индустриски (Хабер-Бош процес за производство на ѓубриво), а најважна од еколошки аспект е биолошката фиксација од страна на микроорганизми, особено бактерии.
Видови бактерии за фиксирање на азот
Бактериите што го фиксираат азотот се способни за фиксирање на азот благодарение на посебен ензим наречен нитрогеназа. Општо земено, овие бактерии можат да се групираат во неколку типови врз основа на нивниот начин на живот:
1. Слободно живи бактерии
Овие бактерии живеат слободно во почвата или водата и го фиксираат азотот без да мора да формираат симбиотски однос со растенијата. Примери за тоа се Azotobacter (аеробни) и Clostridium (анаеробни). Одредени фотосинтетски бактерии, како што се цијанобактериите (Anabaena, Nostoc), можат да го фиксираат азотот додека фотосинтетизираат.
2. Симбиотски бактерии
Најпозната група се бактериите од родот Rhizobium и неговите роднини (Bradyrhizobium, Sinorhizobium), кои живеат во симбиоза со мешункасти растенија. Овие бактерии формираат коренски нодули и обезбедуваат азот на растението, додека растението обезбедува јаглехидрати и соодветна средина за бактериите.
3. Асоцијативни/симбиотски лабави асоцијативни бактерии
Бактериите како што е Azospirillum често живеат прикачени на ризосферата (областа околу корените) на тревите или житните растенија. Оваа врска не е толку интимна како симбиозата на нодулите, но сепак помага да се зголеми достапноста на азот и раст на растенијата.
Ензим нитрогеназа: Главниот клуч
Во срцето на азотната фиксација е ензимот нитрогеназа. Овој ензим е единствен по својата способност да ги раскине силните врски на N₂ и да го редуцира до NH₃. Сепак, овој процес бара:
– Многу голема енергија, генерално во форма на ATP.
– Електроните како извор на редукција.
– Соодветни услови на животната средина, особено во однос на кислородот.
Едноставно кажано, реакцијата на фиксација на азот може да се запише како:
N₂ + 8H⁺ + 8e⁻ + 16 ATP → 2NH₃ + H₂ + 16 ADP + 16 Pi
Оваа реакција покажува колку е скапа потребната енергија: околу 16 ATP за секој фиксиран молекул на N₂, дури и произведувајќи водород (H₂) како нуспроизвод.
Предизвици со кислород и стратегии за заштита
Еден голем проблем со фиксацијата на азот е тоа што нитрогеназата е многу чувствителна на кислород. Кислородот може да го оштети ензимот, иако некои бактерии напредуваат во аеробни услови. За да го надминат ова, бактериите имаат неколку стратегии:
1. Висока респирација кај аеробни бактерии
На пример, Azotobacter користи високи стапки на респирација за да го „искористи“ кислородот околу ензимот нитрогеназа, така што концентрацијата на O₂ останува ниска.
2. Анаеробни услови
Бактериите како што е Clostridium вршат фиксација на азот само во отсуство на кислород.
3. Формирање на специјални клетки кај цијанобактериите
Некои цијанобактерии формираат хетероцисти, кои се специјализирани клетки со дебели ѕидови кои го намалуваат внесувањето кислород, овозможувајќи нитрогеназата да делува.
4. Легхемоглобин во коренските нодули
Во симбиозата Rhizobium-leguminosa, растенијата произведуваат легемоглобин (пигмент сличен на хемоглобин) кој врзува кислород. Целта е да се одржат доволно нивоа на кислород за дишење (бидејќи на бактериите сè уште им е потребна енергија), но не толку високи за да ја оштетат нитрогеназата.
Фази на симбиоза на ризобиум и формирање на нодули
Симбиозата помеѓу бактериите Rhizobium и мешункастите растенија е најшироко проучениот модел. Процесот вклучува неколку фази:
1. Вовед и комуникација на хемијата
Корените на растенијата ослободуваат соединенија (флавоноиди) кои привлекуваат бактерии. Како одговор, бактериите произведуваат „Нод фактор“ кој му сигнализира на растението да започне со формирање на нодули.
2. Инфекција преку коренските влакна
Бактериите навлегуваат низ коренските влакна и формираат инфективни нишки што водат до внатрешното ткиво на коренот.
3. Клеточна делба и формирање на нодули
Коренските клетки се делат за да формираат нодули. Во рамките на нодулите, бактериите се трансформираат во специјализирани форми наречени бактериоиди, кои активно вршат фиксација на азот.
4. Размена на хранливи материи
Растенијата обезбедуваат јаглехидрати и енергија за бактериите, додека бактериите обезбедуваат амонијак/амонијак кој потоа се асимилира од растенијата во аминокиселини.
Улогата на фиксацијата на азот во екосистемите и земјоделството
Фиксацијата на азот од страна на бактериите е клучна за плодноста на почвата. Во природните екосистеми, овој процес осигурува дека резервите на азот нема брзо да се исцрпат со истекување или да се изгубат назад во атмосферата преку денитрификација. Во земјоделството, фиксацијата на азот има неколку значајни придобивки:
– Намалување на зависноста од синтетички азотни ѓубрива, чие производство бара висока содржина на фосилни горива и може да предизвика емисии на стакленички гасови.
– Подобрување на плодноста и структурата на почвата, особено преку садење мешунки како култури за покривање на земјиштето или плодоред.
– Зголемување на приносите од земјоделските култури, особено во одржливи земјоделски системи.
Практики како што се садење мешунки пред ориз или пченка, или користење инокуланти од Rhizobium врз семе од мешунки, се примери за примена на науката за фиксација на азот за земјоделска ефикасност.
Фактори што влијаат на успехот на фиксацијата на азот
Успехот на фиксацијата на азот е под влијание на различни фактори на животната средина , вклучувајќи:
– pH вредност на почвата: многу оптимални бактерии што го фиксираат азотот при неутрална до малку кисела pH вредност.
– Достапност на фосфор и молибден: фосфорот е потребен за енергија (ATP), додека молибденот е важна компонента на нитрогеназата.
– Достапност на азот во почвата: ако азотот е изобилен (на пример, поради висока содржина на ѓубрива), растенијата и бактериите имаат тенденција да ја намалат активноста на фиксација на азот.
– Вода на почвата и услови за аерација: премногу суво или премногу наводнето може да ја инхибира микробната активност.
Заклучок
Фиксацијата на азот од страна на бактериите е биолошки процес клучен за поддршка на животот на Земјата. Со помош на ензимот нитрогеназа, бактериите го претвораат инертниот атмосферски азот во амонијак, кој може да го користат растенијата и другите организми. Различни видови бактерии, и оние што живеат слободно и оние што се во симбиоза со растенијата, ја извршуваат оваа улога преку софистицирани механизми, вклучувајќи стратегии за заштита на кислородот. Во екосистемите и земјоделството, фиксацијата на азот помага во одржувањето на плодноста на почвата и поддржува поодржливо производство на храна. Разбирањето на овој процес е не само клучно за биологијата и екологијата, туку е и клучно за развој на еколошки прифатливо и ефикасно земјоделство во иднина.
