Azotofiksacija

Azotofiksacija je proces kojim se azot iz Zemljine atmosfere konvertuje u amonijak ( ${\ce {NH3}}$ ) ili druge molekule koji su dostupni živim organizmima.^[1] Atmosferski azot i njegov molekulski oblik ( ${\ce {N2}}$ ) su relativno inertni: ne reaguju lako s drugim hemikalijama u formiranju novih jedinjenja. Proces fiksacije oslobađa atom azota iz trostruke veze diatomskog oblika, ${\ce {N}}$ ≡ ${\ce {N}}$ , koji se koristi i na druge načine.

Prirodna i sintetska fiksacija azota, od suštinske važnosti je za sve oblike života, jer je azot potreban za biosintetiziranje osnovnih gradivnih blokova biljaka, životinja i drugih oblika života. Na primjer, to su nukleotidi za DNK i RNK, koenzim nikotinamid adenin dinukleotid za ulogu u metabolizmu (prebacivanje elektrona između molekula), a aminokiseline za proteine. Zbog toga, kao deo ciklusa azota, ovaj proces je bitan za poljoprivredu i proizvodnju đubriva. Takođe je važan u proizvodnji eksploziva (npr baruta, dinamita, TNT i sl).

Fiksacija azota se prirodno javlja u zemljištu fiksiranjem u bakterijama koje su povezane s nekim biljkama (na primer, Azotobacter sa mahunarkama).^[2]^[3]

Neke od ovih bakterija imaju vrlo bliske odnose s biljkama i imaju simbiotsku fiksaciju azota. Labaviji odnosa između bakterija i biljaka azotofiksatora često se nazivaju asocijativni ili nesimbiotski, kao što se vidi u fiksaciji azota koja se javlja na korenu riže. Takođe se javlja prirodno u vazduhu prilikom nastanka munja.^[4]^[5]

Svi načini biološke fiksacije azota se odvijaju pomoću nitrogenaze uz učešće metalo enzima koji sadrže željezo, molibden ili vanadijum. Mikroorganizami koji mogu fiksirati azot su prokarioti (bakterije i arheje) koji su distribuirani širom tih carstava i nazivaju se diazotrofi. Neke više biljke i neke životinje (termiti), formiraju zajednice (simbiozu) sa diazotrofima.

Biološka fiksacija azota

Ciklus azota
(Abiotska fiksacija azota je izostavljena)

Biološku fiksaciju azota otkrili su nemački agronom Herman Helrigel^[6] i holandski mikrobiolog Martin Bejerink.^[7] Biološka fiksacija azota (BNF) nastaje kada se atmosferski azot pretvara u amonijak pomoću enzima nitrogenaza.^[1] Ukupna reakcija BNF-a je:

\mathrm {N_{2}+8\ H^{+}+8\ e^{-}\longrightarrow 2\ NH_{3}+H_{2}\!}

Proces se odvija u kombinaciji sa hidrolizom 16 ekvivalenata adenozin-trifosfata (ATP) i to prati koformiranje jednog molekula ${\ce {H2}}$ .^[8] Pretvaranje ${\ce {N2}}$ u amonijak javlja se na klasteru zvanom FeMoco, što je skraćenica za željezo-molibden kofaktor. Mehanizam se odvija preko serija protonacija i redukcijskih koraka pri čemu aktivna mesta FeMoco hidrogenizuju supstrat ${\ce {N2}}$ .^[9] U slobodno živećim diazotrofima, amonijak koji se generiše pomoću nitrogenaze asimilira se u glutamat, uz katalizu enzimom glutamin sintetaza, na putu glutamat sintaze.

Mikrobni geni potrebni za fiksaciju azota su široko rasprostranjeni u različitim okruženjima.^[10]^[11]

Enzimi koji su odgovorni za aktivnost nitrogenaze, vrlo su podložni uništenju kiseonikom. Iz tog razloga, u prisustvu kiseonika, mnoge bakterije prestaju proizvodnju enzima. Mnogi azotofiksatorni organizmi postoje samo u anaerobnim uslovima, smanjujući respiracijom nivo kiseonika ili vezivanjem kiseonika sa proteinima kao što je leghemoglobin.^[1]

Mikroorganizmi koji fiksiraju azot

Diazotrofi su raznolika grupa prokariota koja uključuje cijanobakterije (npr. veoma značajane rodove Trichodesmium i Cyanothece), zelene sumporne bakterije, zajedno sa Azotobacteraceae, Rhizobia i Frankia.

Cijanobakterije nastanjuju skoro sve osvetljene sredine na Zemlji i igraju ključnu ulogu u ciklusima ugljenika i azota u biosferi. U principu, cijanobakterije su u mogućnosti da koriste različite neorganske i organske izvore u kombinaciji azota, kao što su nitrati, nitriti, amonijak, urea ili neke aminokiseline. Nekoliko sojeva cijanobakterija je u stanju diazotrofnog rasta, tj. imaju sposobnost koja može biti prisutna kod poslednjeg zajedničkog pretka u arkajskom eonu.^[12] Fiksacija azota u cijanobakterijama na koralnom grebenu može udvostručiti količinu azota koji je na kopnu - oko 1,8 kg azota se fiksira po hektaru dnevno (oko 660 kg/ha/godišnje). Smatra se da kolonije morskih cianobakterija roda Trichodesmium fiksiraju azot na takvoj skali da to čini gotovo polovinu azotofiksacije u morskim sistema na globalnom nivou.^[13]

Simbioza korenskih kvržica

Porodica mahunarki

Biljke koje imaju sposobnost fiksacije azota uključuju porodicu leguminoze – Fabaceae – sa taksonima kao što su kudzu, deteline, soje, alfalfa, leće, kikirikiji i crvenogrmni južnoafrički grašak ruibos. One sadrže simbiotske bakterije zvane rizobije unutar kvržica u korenskim sistemima, proizvodeći azotna jedinjenja koja pomažu rast i kompetitivnost biljaka, u odnosima sa drugim biljkama. Kada biljka ugine, fiksirani azot se otpušta, što ga čini dostupnim drugim biljkama, i to pomaže stvaranju plodnijeg zemljišta.^[1]^[14] Velika većina mahunarki ima ove asocijacije, ali nekoliko rodova nemaju (npr. Styphnolobium). U mnogim tradicionalnim i organskim poljoprivrednim praksama, usevi na poljima se rotiraju, smenom različitih kultura, koje obično uključuju jednu koja se sastoji uglavnom ili u potpunosti od deteline ili heljde (bez mahunarki porodice Polygonaceae), često se naziva „zeleno đubrenje”.

Uzgoj inga leja oslanja se na leguminozu roda Inga , koja je malo tropsko, debelolisno, azotofiksatorsko drvo.^[15]

Nemahunarke

Presek kvržice na korednu johe

Iako je velika većina biljaka koje formiraju korenske kvržice pripada porodici Fabaceae, postoji nekoliko izuzetaka:

Parasponia je tropski rod porodice Cannabaceae čiji predstavnici sarađuju sa rizobijima i formiraju kvržice koje fiksiraju azot.^[16]
Aktinorizne biljke, kao što su joha i neke vrste jagodičastog voća u Severnoj Americi, mogu takođe da formiraju azotofiksacijske korenske kvržice, zahvaljujući simbiozi sa bakterijama roda Frankia. Ove biljke uključene su u oko 25 rodova^[17] iz oko osam porodica.

Sposobnost da se usvoji azot je daleko od univerzalno prisutne u ovim porodicama. Na primer, od 122 roda Rosaceae, samo četiri roda su sposobna da fiksiraju azot. Sve ove porodice pripadaju redovima Cucurbitales, Fagales i Rosales, koji zajedno sa Fabales formiraju granu eurozide. U ovom kladusu (grani), Fabales su prva loza koja se odvaja; dakle, sposobnost fiksacije azota može biti pleziomorfnost, koja se potom gubi u većini potomaka izvornih biljnih azotofiksatora. Međutim, to može biti zato su osnovni genetički i fiziološki zahtevi bili prisutni u početnim stanjima i kod poslednjeg zajedničkog pretka svih ovih biljaka, ali su u punoj funkciji evoluirali samo kod nekih od njih:

Porodice: Rodovi

Betulaceae: Alnus

Cannabaceae: Trema

Casuarinaceae:

Allocasuarina

Casuarina

Ceuthostoma

Gymnostoma

……

Coriariaceae: Coriaria

Datiscaceae: Datisca

Elaeagnaceae:

Elaeagnus

Hippophae

Shepherdia

……

Myricaceae:

Comptonia

Morella

Myrica

……

Rhamnaceae:

Ceanothus

Colletia

Discaria

Kentrothamnus

Retanilla

Talguenea

Trevoa

……

Rosaceae:

Cercocarpus

Chamaebatia

Dryas

Purshia/Cowania

Ovde pripada i nekoliko simbiotski udruženih azotofiksatora koji uključuju cijanobakterije (kao što su u rodu Nostoc):

Neki lišaji kao u rodovima Lobaria i Peltigera
Vrste paprati roda Azolla
Cikade
Gunnera

Endosimbioza kod diatomeja

Rhopalodia gibba, alga, diatoma, je eukariot sa cijanobakterijskim, endosimbiontskim organelama koje fiksiraju ${\ce {N2}}$ . Loptasta tela u citoplazmi dijatomeja su neodvojiva od njihovih domaćina.^[18]^[19]

Abiotska fiksacija azota

Putem munja tokom grmljanivinama, sagorijevanja i vulkana, od azota i kiseonika u vazduhu nastaju azotovi oksidi, koji reagiraju sa kapljicama vode u atmosferi i stvaraju azotastu i azotnu kiselinu. U toj reakciji stvaraju se kisele kiše koje stižu u u tlo.

\mathrm {N_{2}+O_{2}\quad \rightarrow \quad 2\,NO}

\mathrm {4\,NO+3\,O_{2}+2\,H_{2}O\quad \rightarrow \quad 4\,HNO_{3}}

Tehnička fiksacija azota

${\ce {N2}}$ se može redukovati u Haberovom procesu, koji zahteva temperaturu od 500 °C, a pritisak od 450 bara i katalizatore. Većina ovog amonijaka pretvara se u nitratno đubrivo. U nitrifikaciji azota za dobijanje cijanamida, fiksacija se odvija u skladu sa sledećom reakcijom:

\mathrm {CaC_{2}+N_{2}\longrightarrow \ Ca(CN)_{2}}

\mathrm {\longrightarrow \ Ca^{2+}\ +\ ^{-}N{=}C{=}N^{-}\ +C}

Vidi još

Reference

^ ^а ^б ^в ^г Postgate, J. (1998). Nitrogen Fixation (3rd изд.). Cambridge: Cambridge University Press.
^ Međedović S.; Maslić E.; Hadžiselimović R. (2002). Biologija 2. Svjetlost, Sarajevo. ISBN 978-9958-10-222-6.
^ Bajrović 2005
^ Slosson, Edwin (1919). Creative Chemistry. New York, NY: The Century Co. стр. 19–37.
^ Hill, R. D.; Rinker, R. G.; Wilson, H. Dale (1979). „Atmospheric Nitrogen Fixation by Lightning”. J. Atmos. Sci. 37 (1): 179—192. doi:10.1175/1520-0469(1980)037<0179:ANFBL>2.0.CO;2.
^ Hellriegel, H.; Wilfarth, H. (1888). Untersuchungen über die Stickstoffnahrung der Gramineen und Leguminosen [Studies on the nitrogen intake of Gramineae and Leguminosae]. Berlin: Buchdruckerei der "Post" Kayssler & Co.
^ Beijerinck, M. W. (1901). „Über oligonitrophile Mikroben” [On oligonitrophilic microbes]. Centralblatt für Bakteriologie, Parasitenkunde, Infektionskrankheiten und Hygiene. 7 (2): 561—582.
^ Chi Chung, Lee; Markus W., Ribbe; Yilin, Hu (2014). „Chapter 7. Cleaving the N, N Triple Bond: The Transformation of Dinitrogen to Ammonia by Nitrogenases”. Ур.: Kroneck, Peter M. H.; Sosa Torres, Martha E. The Metal-Driven Biogeochemistry of Gaseous Compounds in the Environment. Metal Ions in Life Sciences. 14. Springer. стр. 147—174. doi:10.1007/978-94-017-9269-1_6.
^ Hoffman, B. M.; Lukoyanov, D.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. (2013). „Nitrogenase: A Draft Mechanism”. Acc. Chem. Res. 46: 587—595. doi:10.1021/ar300267m.
^ Gaby, J. C.; Buckley, D. H. (2011). „A global census of nitrogenase diversity”. Environ. Microbiol. 13 (7): 1790—1799. PMID 21535343. doi:10.1111/j.1462-2920.2011.02488.x.
^ Hoppe, B.; Kahl, T.; Karasch, P.; Wubet, T.; Bauhus, J.; Buscot, F.; Krüger, D. (2014). „Network analysis reveals ecological links between N-fixing bacteria and wood-decaying fungi”. PLoS ONE. 9 (2): e88141. Bibcode:2014PLoSO...988141H. PMC 3914916  . PMID 24505405. doi:10.1371/journal.pone.0088141.
^ Latysheva, N.; Junker, V. L.; Palmer, W. J.; Codd, G. A.; Barker, D. (2012). „The evolution of nitrogen fixation in cyanobacteria”. Bioinformatics. 28 (5): 603—606. doi:10.1093/bioinformatics/bts008.
^ Bergman, B.; Sandh, G.; Lin, S.; Larsson, H.; Carpenter, E. J. (2012). „Trichodesmium – a widespread marine cyanobacterium with unusual nitrogen fixation properties”. FEMS Microbiol. Rev. 37 (3): 1—17. doi:10.1111/j.1574-6976.2012.00352.x.
^ Smil, Vaclav (2000). Cycles of Life. Scientific American Library.
^ Elkan, Daniel (21. 4. 2004). „Slash-and-burn farming has become a major threat to the world's rainforest”. The Guardian.
^ Op den Camp, Rik; Streng, A.; De Mita, S.; Cao, Q.; Polone, E.; Liu, W.; Ammiraju, J. S. S.; Kudrna, D.; Wing, R.; Untergasser, A.; Bisseling, T.; Geurts, R. (2010). „LysM-Type Mycorrhizal Receptor Recruited for Rhizobium Symbiosis in Nonlegume Parasponia”. Science. 331 (6019): 909—912. Bibcode:2011Sci...331..909O. doi:10.1126/science.1198181.
^ Dawson, J. O. (2008). „Ecology of actinorhizal plants”. Nitrogen-fixing Actinorhizal Symbioses. 6. Springer. стр. 199—234. doi:10.1007/978-1-4020-3547-0_8.
^ Prechtl, Julia; Kneip, Christoph; Lockhart, Peter; Wenderoth, Klaus; Maier, Uwe-G. (2004). „Intracellular spheroid bodies of Rhopalodia gibba have nitrogen-fixing apparatus of cyanobacterial origin”. Mol. Biol. Evol. 21 (8): 1477—1481. doi:10.1093/molbev/msh086.
^ Nakayama, Takuro; Inagaki, Yuji (2014). „Unique genome evolution in an intracellular N₂-fixing symbiont of a rhopalodiacean diatom”. Acta Soc. Bot. Polon. 83 (4): 409—413. doi:10.5586/asbp.2014.046.

Literatura

Postgate, J. (1998). Nitrogen Fixation (3rd изд.). Cambridge: Cambridge University Press.

Spoljašnje veze

Hirsch, Ann M. (2009). „A Brief History of the Discovery of Nitrogen-fixing Organisms” (PDF). University of California, Los Angeles.
„Marine Nitrogen Fixation laboratory”. University of Southern California.

[postgate-1] а ^б ^в ^г Postgate, J. (1998). Nitrogen Fixation (3rd изд.). Cambridge: Cambridge University Press.

[Međedović-2] Međedović S.; Maslić E.; Hadžiselimović R. (2002). Biologija 2. Svjetlost, Sarajevo. ISBN 978-9958-10-222-6.

[Bajrović-3] Bajrović 2005

[4] Slosson, Edwin (1919). Creative Chemistry. New York, NY: The Century Co. стр. 19–37.

[5] Hill, R. D.; Rinker, R. G.; Wilson, H. Dale (1979). „Atmospheric Nitrogen Fixation by Lightning”. J. Atmos. Sci. 37 (1): 179—192. doi:10.1175/1520-0469(1980)037<0179:ANFBL>2.0.CO;2.

[Hellriegel-6] Hellriegel, H.; Wilfarth, H. (1888). Untersuchungen über die Stickstoffnahrung der Gramineen und Leguminosen [Studies on the nitrogen intake of Gramineae and Leguminosae]. Berlin: Buchdruckerei der "Post" Kayssler & Co.

[Beijerinck-7] Beijerinck, M. W. (1901). „Über oligonitrophile Mikroben” [On oligonitrophilic microbes]. Centralblatt für Bakteriologie, Parasitenkunde, Infektionskrankheiten und Hygiene. 7 (2): 561—582.

[8] Chi Chung, Lee; Markus W., Ribbe; Yilin, Hu (2014). „Chapter 7. Cleaving the N, N Triple Bond: The Transformation of Dinitrogen to Ammonia by Nitrogenases”. Ур.: Kroneck, Peter M. H.; Sosa Torres, Martha E. The Metal-Driven Biogeochemistry of Gaseous Compounds in the Environment. Metal Ions in Life Sciences. 14. Springer. стр. 147—174. doi:10.1007/978-94-017-9269-1_6.

[9] Hoffman, B. M.; Lukoyanov, D.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. (2013). „Nitrogenase: A Draft Mechanism”. Acc. Chem. Res. 46: 587—595. doi:10.1021/ar300267m.

[10] Gaby, J. C.; Buckley, D. H. (2011). „A global census of nitrogenase diversity”. Environ. Microbiol. 13 (7): 1790—1799. PMID 21535343. doi:10.1111/j.1462-2920.2011.02488.x.

[11] Hoppe, B.; Kahl, T.; Karasch, P.; Wubet, T.; Bauhus, J.; Buscot, F.; Krüger, D. (2014). „Network analysis reveals ecological links between N-fixing bacteria and wood-decaying fungi”. PLoS ONE. 9 (2): e88141. Bibcode:2014PLoSO...988141H. PMC 3914916  . PMID 24505405. doi:10.1371/journal.pone.0088141.

[12] Latysheva, N.; Junker, V. L.; Palmer, W. J.; Codd, G. A.; Barker, D. (2012). „The evolution of nitrogen fixation in cyanobacteria”. Bioinformatics. 28 (5): 603—606. doi:10.1093/bioinformatics/bts008.

[13] Bergman, B.; Sandh, G.; Lin, S.; Larsson, H.; Carpenter, E. J. (2012). „Trichodesmium – a widespread marine cyanobacterium with unusual nitrogen fixation properties”. FEMS Microbiol. Rev. 37 (3): 1—17. doi:10.1111/j.1574-6976.2012.00352.x.

[14] Smil, Vaclav (2000). Cycles of Life. Scientific American Library.

[Elkan-15] Elkan, Daniel (21. 4. 2004). „Slash-and-burn farming has become a major threat to the world's rainforest”. The Guardian.

[16] Op den Camp, Rik; Streng, A.; De Mita, S.; Cao, Q.; Polone, E.; Liu, W.; Ammiraju, J. S. S.; Kudrna, D.; Wing, R.; Untergasser, A.; Bisseling, T.; Geurts, R. (2010). „LysM-Type Mycorrhizal Receptor Recruited for Rhizobium Symbiosis in Nonlegume Parasponia”. Science. 331 (6019): 909—912. Bibcode:2011Sci...331..909O. doi:10.1126/science.1198181.

[17] Dawson, J. O. (2008). „Ecology of actinorhizal plants”. Nitrogen-fixing Actinorhizal Symbioses. 6. Springer. стр. 199—234. doi:10.1007/978-1-4020-3547-0_8.

[18] Prechtl, Julia; Kneip, Christoph; Lockhart, Peter; Wenderoth, Klaus; Maier, Uwe-G. (2004). „Intracellular spheroid bodies of Rhopalodia gibba have nitrogen-fixing apparatus of cyanobacterial origin”. Mol. Biol. Evol. 21 (8): 1477—1481. doi:10.1093/molbev/msh086.

[19] Nakayama, Takuro; Inagaki, Yuji (2014). „Unique genome evolution in an intracellular N₂-fixing symbiont of a rhopalodiacean diatom”. Acta Soc. Bot. Polon. 83 (4): 409—413. doi:10.5586/asbp.2014.046.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]