مقاله کامل مكانيسم تثبيت بيولوژيكي ازت

مقدمه
ازت به عنوان يك عنصر كليدي در ساختمان بسياري از تركيبات موجود در سلولهاي گياهي مطرح است. اين عنصردر فسفونوكلئوتيد و اسيدهاي آمينه هم وجود دارد كه اين تركيبات نيز به نوبة خود به ترتيب اسيدهاي نوكلئيك و پروتئينها را مي‌سازند. دسترسي به ازت براي گياهان زراعي از عوامل مهمّ محدود‌كنندة توليدات كشاورزي است. اين واقعيت كه فقط اكسيژن، كربن و هيدروژن بيش از ازت در سلولهاي گياهي وجود دارند، مبيّن اهميّت اين عنصراست.
در بيوسفر، ازت به اشكال متفاوتي وجود دارد. 78% حجم هواي اتمسفر را ازت ملكولي (N2) تشكيل مي‌دهد. در بسياري از موارد اين مقدار فراوان ازت مستقيماً در دسترس گياهان قرار نمي‌گيرد. استفاده از ازت اتمسفر، مستلزم شكستن پيوند سه‌گانه بين اتمهاي (N = N) آن است كه گياهان عالي مستقيماً و به تنهايي توان انجام اين واكنش را ندارند. از سوي ديگر اشكال نيتراته و آمونياكي ازت به راحتي جذب گياه مي‌گردند(فصل 5). مصرف گياهان توسط حيوانات علفخوار موجب حركت بيشتر ازت در زنجيره‌هاي غذايي مي‌شود و ازت سرانجام از طريق تجزية اجساد حيوانات و گياهان به زمين بازمي‌گردد. اين مراحل بخشي از چرخة ازت را تشكيل مي‌دهند.
تبديل ازت مولكولي به اشكال ديگر آن نظير نيترات يا آمونياك را تثبيت ازت مي‌گويند. اين فرايند در غالب فرايندهاي طبيعي و مصنوعي قابل انجام است. درشرايط دماي بالا (حدود C ْ200 ) و فشار بالا حدود (200 اتمسفر)، ازت مولكولي با هيدروژن تركيب شده و آمونياك (NH3) توليد مي‌شود. براي انجام اين واكنش شرايط خاصي لازم است تا براي انرژي فعّال بالاي آن غلبه كند. اين واكنش كه به نام فرايند هابر موسوم است نقطة آغازين در توليدات متنوع صنعتي و كشاورزي به شمار مي‌آيد. در جهان سالانه حدود 50 ميليون تن ازت به روش صنعتي تثبيت مي‌گردد.
اين مقدار حدود 12% از كلّ ذخيرة اتمسفر را شامل مي‌شود كه سالنه از آن خارج مي‌شود (شكل 2-12، ب) (مارشنر، 1986). فرايند هاي طبيعي سهم بيشتري در تثبيت ازت دارند (وسويچ، 1983). 10% ازكلّ ازتي كه به روش طبيعي تثبيت مي‌گردد، ناشي از رعدو برق است. رعدو برق سبب مي‌شود كه راديكالهاي آزاد هيدروكسيل، اتمهاي آزاد هيدروژن، اتمهاي آزاد اكسيژن حاصل از بخار آب و اكسيژن موجود در اتمسفر و تركيباتي فعالي از اين قبيل، با نيتروژن مولكولي تركيب شده و توليد اسيد نيتريك (HNO3 ) نمايند، كه اين تركيب نيز توسط آب باران به زمين مي‌رسد. بخش بسيار كوچكي از تثبيت ازت ناشي از واكنشهاي فتوشيميايي با دخالت اكسيد نيتريت گازي و اُزن در استراتوسفر است. اسيد نيتريكي كه به اين ترتيب توليد مي‌شود سرانجام به بخشهاي پايينتر اتمسفر راه يافته واز آنجا نيز توسط باران به زمين مي‌رسد.
90% باقيماندة تثبيت ازت، به روش طبيعي و توسط ميكروارگانيسم ها و از طريق فرايندي كه اصطلاحاً تثبيت بيولوژيكي ازت ناميده مي‌شود انجام مي‌شود (شكل 1-12، ب). تثبيت بيولوژيكي ازت توسط باكتريهاي آزادزي شامل سيانو باكتريها و باكتريهاي همزيست با گياهان انجام مي‌گيرد (بوريس، 1976؛ مارشنر، 1986). اين موجودات داراي يك سيستم آنزيمي هستند كه قادر است ازت مولكولي را تجزيه كند. از نقطه نظر كشاورزي نيز تثبيت بيولوژيكي ازت اهميت زيادي داشته و منبع مهمي براي ازت خاك محسوب مي‌گردد، چرا كه نياز گياهان زراعي صرفاً از طريق كودهاي شيميايي تأمين نمي‌گردد (شوبرت و ولك، 1982).
واكنشهاي چرخه ازت كه نهايتاً سبب تثبيت آن مي‌گردند، شامل تغيير اشكال تثبيت شده و بازگشت ازت به اتمسفر نيز مي‌گردد. اشكال آلي ازت نظير اسيدهاي آمينه كه از طريق تجزيه بقاياي گياهي و حيواني به خاك برمي‌گردند، طيّ فرايند آمونياكي شدن به آمونياك
تبديل مي‌گردند. باكتريها و قارچهاي موجود در خاك ازت آمونياكي را به آمونياك آزاد تبديل مي‌كنند.
اين نيز به نوبة خود مي‌تواند با اجزاي موجود در خاك تركيب شده و نمكهاي آمونيومي توليد كند، همچنين آمونياك آزاد شده مي‌تواند در ابتدا به نيتريت (NO2-) وسپس به نيترات (NO3-) اكسيد شود كه اين فرايند را نيتريفيكاسيون گويند. اكسيداسيون آمونياك به نيتريت توسط باكتريهاي گروه نيتروزو (نيتروزوموناس) انجام مي‌شود در حالي كه اكسيداسيون نيتريت به نيترات بيشتر توسط باكتريهاي گروه نيترو (نيتروباكتر) انجام مي‌پذيرد.
نيتروژن موجود در خاك به فرم نيتراتي مي‌تواند به سرعت جذب گياه گردد يا طيّ فرايند دنيتريفيكاسيون احيا شده و به صورت ازت مولكولي (N2) به اتمسفر باز گردد. بسياري از باكتريها در غياب اكسيژن و با وجود تركيباتي چون NO3- ، NO2- و يا N2O از دنيتريفيكاسيون به عنوان منبعي براي تأمين انرژي تنفسي استفاده مي‌كنند (بيورز، 1976).
دنيتريفيكاسيون فرايند بيولوژيكي مهمي به شمار مي‌آيد. زيرا در غياب اين فرايند نيترات به سرعت در اقيانوسها انباشته خواهد شد. علاوه براين وقتي ميزان ازت تثبيت شده در يك سال را (125 ميليون تن) با ميزان ازت برگشتي به اتمسفر از طريق دنيتريفيكاسيون (93ميليون تن) مقايسه مي‌كنيم باز هم مقداري ازت به عنوان مانده داريم (دلويچ،1983). اين يافته نشان مي‌دهد كه اين ميزان مازاد ازت تثبيت شده همان مقداري است كه به آرامي در خاك، درياچه‌ها و اقيانوسها انباشته مي‌گردد.
ارگانيسمها و روابط همزيستي در تثبيت ازت
بيش از 2000سال قبل در نوشتجات روميان به اثرات مفيد گياهان لگوم اشاره شده است. نويسندگان چيني طي همان دوره دربارة اثرات مفيد كاربرد سرخس آبزي (آزولا) در كشت برنج مطالبي نوشته اند. كتابي دربارة تكنيكهاي كشاورزي تحت عنوان « فنون تغذية مردم» (Child Min Tao – shu) كه 540 سال پس از ميلاد مسيح نوشته شده، كشت و كاربرد آزولا را در مزارع برنج توضيح مي‌دهد. اروپاي غربي با كاربرد لگوم‌ها در تناوب سبب پايداري كشاورزي شده و امكان صنعتي شدن را فراهم آورد. آقاي هامفري ديوي در سال 1813 اولين فردي بود كه عنوان نمود: نيتروژن ( ازت) از اتمسفر گرفته مي‌شود. او نوشت « به نظر مي‌رسد كه لوبيا و نخود، خاك را براي كشت گندم مساعد مي‌كنند» .جي. بي. بوسينگالت در مطالعات تناوب زراعي خود در فرانسه، يك سري مقاله از سال 1837 تا 1842 انتشار داده ودر آنها اصول ورود ازت بوسيلة لگوم‌ها را بنا نهاد. آلبرت تيئر در سال 1856 در آلمان نوشت: « اخيراً كاشت شبدر سفيد با محصول بعدي، بسيار معمول شده است. فقط تعداد بسيار كمي از كشاورزان بي‌تفاوت و تنبل يا افرادي كه سخت طرفدار نظريات خود و سنتها هستند، اين عمل را انجام نمي‌دهند».
اهميت غده‌ها در تثبيت ازت بصورت همزيستي توسط هلريژل و ويلفارت در سال 1886 توضيح داده شد. بيجرينك در سال 1888 ارگانيسمهاي تثبيت كنندة N2 در لگومها را جداسازي كرده و آنها را باسيلوس راديسكولا نام نهاد. اين باكتريها بعداً ريزوبيوم نامگذاري شدند. جنس كلاستريديوم كه باكتري تثبيت كنندة ازت غير همزيست مي‌باشد در سال 1890 توسط وينوگرادسكي جداسازي شد و ازتوباكتر كه هوازي مي‌باشد در سال 1901توسط بيرجينك معرفي گرديد. تا پايان اين قرن، تقريباً تمام ميكروارگانيسمهاي تثبيت كنندة ازت شناسائي شده بودند.
گروههاي متنوعي از هسته دارها داراي آنزيم نيتروژناز (مسئول تثبيت N2)هستند. اين باكتريها امروزه دي‌آزوترف ناميده مي‌شوند و شامل باكتريهاي آلي‌پرور، باكتريهاي نورپرورگوگردي وسيانوباكترها (جلبك سبز- آبي) مي‌باشند. (جدول)

آلي‌پرورهاي آزادزي
نمونه‌اي از باكتريهاي آزاد هوازي و تثبيت‌كنندة ازت كه از مواد آلي بعنوان منبع انرژي استفاده مي‌كنند ازتوباكترها مي‌باشند ودر خاكهاي خنثي و قليائي يافت مي‌شوند. باكتريهاي مشابه آن نظير بيجرينكيا و در‌كسيا محدودة وسيعي از PH‌ را تحمل مي‌كنند واغلب در خاكهاي
اسيدي مخصوصاً مناطق گرمسيري يافت مي‌شوند. تجزية ژنتيكي نشان مي‌دهد كه شباهت بيجرينكيا به آزوسيپريلوم (باكتري تثبيت كنندة ازت)بيشتر از ازتوباكتراست. اين ارگانيسمها، همچنين جنس كلبسيلا (تثبيت كنندة ازت) درمحيطها‌ي مرطوب بر روي برگ يا در پوشش برگ (فيلوسفر) ونيز در خاك و سطح ريشه فعاليت مي‌كنند.
ازتوباكتر، بيجرينكيا و ريزوبيوم براي توليد انرژي موردنياز در تثبيت N2 ، به شرايط هوازي نياز دارند. معذالك در اين ارگانيسمها و ديگر دي‌آزوتروفها، فعاليت آنزيم نيتروژناز درحضور O2 محدود مي‌گردد. مكانيسمهاي اختصاصي براي حفاظت نيتروژناز شامل قرار‌گرفتن باكتري در داخل ياخته و احاطه شدن آن بوسيلة چندين غشاء مي‌باشد. توليد مواد لزج بوسيلة ياخته ها نيز يك مكانيسم حفاظتي است كه در نتيجة اين عمل، انتشار O2 به طرف آنزيم كاهش مي‌يابد.
خصوصيت ديگر باكتريهاي هوازي تثبيت كنندة ازت، تنفس شديد در داخل ياخته خود باكتري است. اين عمل در ازتوباكتر به كاهش غلظت O2 در داخل باكتري كمك مي‌كند. تصور بر اين است كه آنزيم نيتروژناز در حضور O2 جهت سازگاري با آن، تغيير ساختمان داده ولي قادر به تثبيت ازت نخواهد بود. اين تغيير برگشت پذير بوده ودر صورتيكه O2 به مدت طولاني داخل باكتري حضور نداشته باشد، اين آنزيم به حالت تثبيت ازت برمي‌گردد .

فایل : 56 صفحه

فرمت : Word