Ugrás a tartalomhoz

Talajökológia

Kátai János (2011)

Debreceni Egyetem, Nyugat-Magyarországi Egyetem, Pannon Egyetem

A LEVEGŐ ÉS A TALAJ NITROGÉNTARTALMA ÉS NITROGÉN FORMÁI

A LEVEGŐ ÉS A TALAJ NITROGÉNTARTALMA ÉS NITROGÉN FORMÁI

A Föld területe 5,1 x 108 km2 = 5,1 x 1010 ha. Ha az atmoszférában 3,86 x 1015 tonna nitrogén található, akkor ez azt jelenti, hogy minden hektár szárazföldi terület feletti mennyiség:

Ez azt jelenti, hogy az atmoszférában, minden hektár felett kb. 80 ezer tonna nitrogén található, amíg a természetes és mesterséges ökoszisztémák (azaz a termesztett és természetes növények fogyasztása) átlagban 150 kg nitrogén évente, tehát összesen 450 millió tonna nitrogén, azaz 4,5 x 107 tonna.

A nitrogén-készlet tehát kifogyhatatlan, regenerálható (újrahasznosítható), ez az atmoszférában semleges (N2) gáz.

A nitrogénkötés az atmoszférában a következő három módon történik:

  1. elektromos kisülések révén az atmoszférában,

  2. ipari úton, kémiai reakcióval,

  3. biológiai úton (mikrobiológiai nitrogénkötés).

Mielőtt a nitrogénkötés módjait részleteznénk, - hangsúlyozva a biológiai nitrogén fixációt – megjegyezzük, hogy a nitrogén a természetben több formában van jelen. Nitrogén-monoxid (NO) – gyakorlatilag a szerves anyag égése és lebomlása során szabadul fel. A nitrogénben gazdag éghető anyagok esetében, NO és NO2 (NOx= nitrogén-oxidok), a N2 és az O2 reakciója során NO keletkezik az atmoszférában is.

NO egy éghető gáz. Az atmoszférában 1-5 x 10-10 atm a parciális nyomása, ezért gyorsan reakcióba lép a széndioxiddal és NO2-t képez.

Nitrogén-dioxid (NO2). Létrejöhet, úgy, mint a NO, a szervesanyagok égése és degradációja útján, de a NO oxidációja során is. A levegőben, főleg ha az szennyezett, sárgás-zöldes színű gáz formájában jelenik meg és egy ppm koncentráció felett válik láthatóvá.

A levegőben oxidációval átalakulhat és HNO3, valamint NO3 és HNO2 keletkezhet, a vízzel való reakciója alkalmával.

A nitrogén dioxid (NO2) vízben gyengén oldódik. A légkörben a parciális nyomása 1-5 x 10-9 atm.

Salétromsav (HNO3), nitrát ion (NO3-)

A salétromsav (HNO3) és a nitrát ion (NO3-) vízben nagyon oldékonyak. A salétromsav egy folyékony, erős sav.

A nitrát ion leköti az ultraibolya sugarakat. Az NO- gyök fő forrása az esőcseppekben és a felszíni vizekben található.

A nitrit (NO2-) köztes terméknek számít a nitrogén-formák átalakulása folyamán. Az ammónium-ion (NH4+) oxidációja során a nitrifikációs folyamatban keletkezik. Baktériumok biokatalizátorai segítségével a nitrit ion nitráttá oxidálódik.

Dinitrogén-oxid (N2O). Nevetőgáznak is nevezik. Térfogatilag a második képviselője a levegő nitrogénjének, kb. 300 ppb koncentrációban van jelen. A vegyület viszonylag stabil. Az atmoszférában fotokémiai úton degradálódik.

Ammónia (NH3) és az ammónium ion (NH4+).

Az ammónia vízben nagyon jól oldódó gáz. Egy protonnal könnyen reakcióba léphet és ammonium ion keletkezhet.

A koncentrációk arányát az NH3 és NH4+ között egyensúlyi helyzetben a következő képlet határozza meg:

ahol:

Ka = egyensúlyi állandó

Ka = 5,5 x 10-10 25oC-on

Szerves nitrogén

A szerves vegyületek egy részében a szén mellett a nitrogén is előfordul. A szerves nitrogén megtalálható oldott és kötött formákban egyaránt. Legnagyobb része az aminosavakban és peptidekben található, elsősorban az amino-csoportokban.

Mint egyedi az élőlényekre jellemző szerves nitrogén forma megtalálható a mikroszkopikus élőlényekben is, úgy mint az algákban, baktériumokban, stb. az élő sejtek alkotóelemeként, emellett azok elpusztulásakor pedig élettelen szerves , majd szervetlen formává alakul.

Hasonló N-formát tartalmaznak a magasabbrendű élőlények is. Az oldható nitrogén-formák az élőlények metabolizmusának termékei formájában vagy a speciális szerves nitrogén lebomlásának eredményeképpen keletkeznek.

A nitrogén szárazföldi és vizi körforgalmát az 1. ábra mutatja be ( Griffiths, 1998 nyomán).

1. ábra. A nitrogén földi körforgása (Griffiths-1998 nyomán )

A nitrogén körforgalmát kísérő fizikai, kémiai folyamatokat a 2. táblázat foglalja össze.

2. Táblázat. A főbb fizikai, kémiai, biológiai folyamatok a nitrogén körforgalma során

A nitrogén biológiai megkötése

A nitrogén megkötése (lekötése) alatt általában a semleges, esetleg molekuláris nitrogén (N2 – dinitrogén) átalakítása értendő (biodiszponibilis) az élőlények számára elérhető formákká.

A molekuláris nitrogén kétatomos, igen stabil, benne háromszoros kovalens kötés van, amely 946 kjoule /mol energiát tárol, maga a folyamat nagyon energia-igényes. A nitrogénkötés a természetes nitrogén-körforgalom fontos része.

A nitrogén nem-szimbiotikus megkötése

Talajban vagy vízben történik és a nitrogén ammóniává való redukálásából áll. Ebben a folyamatban résztvevő fontosabb mikroorganizmusok a következőek: Azotobacter, Azomonas és Cyanobacterium.

Az Azotobacter nemzetség gramm negatív, proteobaktériumokat tartalmaz, melyek mérete aránylag nagy (4 m), és csak aerob körülmények között tudják a nitrogént megkötni. A nitrogenáz nevű enzim-komplexum jelenlétében redukálják a molekuláris nitrogént (N2 – dinitrogén), ammóniává vagy ammónium ionná (2. ábra). Az N2 molekula semleges és igen stabil, kötési energiája 946 kJ/mol. Ennek az energikus kötésnek a felbontására tehát nagy mennyiségű energiára van szükség, ATP formájában. Ezt a dehidrogenáz és dehidrogenáz-reduktáz enzimek segítségével éri el, a proteinképzésben vesz részt katalizálás útján, a következő képlet szerint :

Az enzim központi aktív részét egy vas és molibdén által alkotott komplex képezi. Egyes baktériumok esetében a molibdént a vanádium helyettesítheti.

2. ábra. A hidrogenáz enzim-komplex Kategóriája: oxidoreduktáz Alapja: 8 redukált ferrodoxin + 8H+ +N2 +16 ATP Képződik: 8 oxidált ferrodoxin+H2+2NH3+16ADP+16 H3PO4 (Forrás: Wikipedia die freie Encyclopedia W. Nitrogenase)

3. ábra. Nitrogenáz enzim konplex(Forrás: Becker S., Pomberg M., 2007.)

4. ábra. Nitrogenáz enzim kofaktorának felépítése

A nitrogenáz-enzimek jelen vannak, mint a különböző baktériumok metabolitjai. Ismertek, továbbá mint nitrogénkötő élőlények, az Actinomycetae fajok nagy része és egyes Cyanobacteriumok (Anabaena).

Mivel a növények nem képesek az elemi nitrogén (N2) megkötésére, ezért nagymértékben függnek a nitrogénkötő baktériumok működésétől. A keletkező ammónia a glutaminsavval glutamint képez. A nitrogenáz általában nagyon érzékeny az oxigénre (oxidálásra), ezért különböző védelmi modelleket fejlesztett ki.

A nitrogenáz enzim-komplexust sematikusan Ines Becker és Michael Pomberg (2007) egy két komponenst tartalmazó rendszerként írta le, amelyben a vas és a molibdén fontos szerepet kap a redukciós folyamatokban és a szükséges nagy mennyiségű energia gazdaságos felhasználásában ( 3. és 4. ábra). Meg kell még jegyezni azt is, hogy a nitrogén megkötése a nagy szervesanyag-tartalmú talajokban erőteljesebben érvényesül, ugyanis az enzim-komplexus érzékeny az oxigén-bőséggel szemben, és ezek a talajok relatíve oxigénszegények.

Streptomyces thermontotrophicus a szénbányákból származó mintákból került kimutatásra és az oxigénnel szemben nagyon rezisztens nitrogenázt tartalmaz, mely felfedezés új lehetőségeket nyithat a nitrogén –fixálás módszereiben.

Bebizonyosodott, hogy a szabad nitrogén megkötése, (amint a szimbiotikus fixálás esetében látjuk), egy genetikailag kódolt jelenség. A Klebsiella pneumoniae-val végzett kutatás során (az Escherichia coli és Salmonella fajokkal szomszédos enterobaktérium), megfejtést nyert a nitrogenáz-komplex kulcsa. A kódolás és a szabályozás az ú.n. DNS szegmensen (nif régió) keresztül történik, amely a Klebsiella esetében a 16. génben (poli 17) van. A nif génhez 7 operon (transzkriptáló-egység) tartozik. A gén belsejéből nézve, az összes operon egy DNS tipusú kódoló láncon helyezkedik el, ahol a második komplementerré válik ( 3. ábra).

5. ábra. A nitrogenáz komplex modulja Mo-nitrogenáz komponens 1 – redukált és oxidált formában 1 es 2 pozició, összetételük:

1. [molibdén-vas nitrogenáz (MoFe/protein), illetve denitrogenáz], és

2. [vas nitrogenáz (Fe) protein vagy denitrogenáz reduktáz].

Tehát a nitrogén biológiai megkötése a nitrogén-molekula ammóniává való redukálását jelenti, a nitrogenáz komplex segítségével, mely enzim, mint EC.1.18.6.1. - ként is ismert és katalizátorként szerepel.

Az Azotobacter esetében a kódoló gének az egész genomban szétszóródva találhatóak. A Klebsiellától származó nif zónát sikerült elkülöníteni (izolálni) és plazmidokra átvinni.

Escherichia coli-ra átvitt génnel sikerült a nitrogenáz termelés és a molekuláris nitrogént megkötése N2 NH3. Viszont a nif zóna zöld növények genomjába való átvitele még kutatási stádiumban van, amihez még 4 probléma megoldása szükséges:

  1. A résztvevő gént (nif) egy eukarióta promotorjával kell összekapcsolni ahhoz, hogy a gén kifejthesse hatását (működőképes legyen);

  2. Oxigénmentes zónák létrehozása szükséges, mivel a nitrogenáz igen érzékeny az oxigén jelenlétére;

  3. A növényi sejtekben lévő elektronokat szállító láncnak azonosnak kell lennie a dehidrogenázéval;

  4. A nagy energiafelhasználás nagy mennyiségű ATP jelenlétét követeli meg.

Ezekre a problémákra nem kaptak mindeddig gyakorlatilag alkalmazható megoldást, és így a baktériumok által megkötött nitrogén mennyiségének növelése, aktivitásuknak az elősegítése a rizoszféra környezetében valósítható meg.

Az Azotobacter genus első baktériumfaját Martinus Willem Beiferinck írta le 1901-ben és Azotobacter chroococcum- nak nevezte el. 1991-ig más nitrogénkötő baktériumot is leírtak. Az Azotobacter genus összes faja aerob, tápanyagforrásukat különböző szénhidrátok, alkoholok és szerves savak képezik. Az Azotobacter nem végez fermentációt. Mesterséges táptalajon nitrogén jelenléte nélkül is élhet. Alacsony oxigén-koncentráció mellett is előfordúl, amely ideális a nitrogén-fixálás szempontjából.

Talajökológiai szempontból az Azotobacter és más nitrogén-fixáló baktériumok nagyon jelentősek. A levegő-nitrogén megkötésével az eukarióták számára a nitrogént rendelkezésre bocsátják és így visszahozzák a nitrogént a körforgalomban.

Azokat a baktériumokat, amelyek képesek a molekuláris nitrogén megkötésére diazotrofikus baktériumoknak nevezzük. Az Azotobacter szabadon él és köti meg a nitrogént a talajban, vannak olyan baktériumok is, amelyek anélkül, hogy szimbiotikusak lennének, asszociációban élnek a különböző növények rizoszférájában, ahol könnyebben találnak megfelelő tápközeget.

Ez a jelenség asszociatív szimbiózis, mivel a növények is profitálnak a közvetlen gyökérzónájukban az így megkötött nitrogénből. Egy ilyen példa az Azotobacter paspali jelenléte egy gabonafajta gyökérfelültén (Paspalum). Ez egy közösen elfogadott kapcsolat, a baktérium kevés gabonafajtán van jelen, mint például az említett Paspalum pelicatulum-on.

Az ammónia mellett az Azotobacter növekedés-serkentőket is termel, mint az indol-ecetsavat (IAA), giberellineket (GA), B vitamint és fungicid anyagokat.

A talajban szabadon megkötött nitrogén mennyisége általában 20-30 kg/ha, amely mennyiség kb. 25%-a a legtöbb növény nitrogén-szükségletének.

Ezen kutatások gyakorlati következményeként létrejött a baktérium-fajok szelekciója, tenyésztése laboratóriumi körülmények között, és különböző formákban történő talajba juttatása. Általában a baktériumokat magcsávázás, illetve kiültetés előtti gyökércsávázás formájában alkalmazzák, valamint kisebb területeken egyenesen a földbe dolgozzák be.

Az Azomonas egy, az Azotobacter-hez hasonló genus. Fajai szintén hasonlóak. Különbség azonban, hogy a nitrogént NH3-ra redukálva kötik meg viszonylag alacsony oxigéntartalmú közegben, de nem mondhatjuk, hogy anaerobok.

Viszont nem képez cisztákat és általában vízben élnek. Három fontosabb fajukat ismerjük, ezek:

Azomonas agilis,

Azomonas insignis

Azomonas macrocytogenis, ez utóbbi a legaktívabb a nitrogén-megkötésben.

Végül egy másik nemzetség amely képes szabadon megkötni a nitrogént a talajban, a Clostridium. A legtöbb Clostridium-faj az állatok szervezetében erős protoxin típusú toxinokat termel. A talajban egyes fajaik 2-3 kg N/ha megkötésére képesek anaerob körülmények között.

A Cyanobacteriumok szintén prokarióták és magasabb fejlődési szinten levő baktériumoknak számítanak, mert az eukarióta sejtekkel szemben nincs zárt, membránnal differenciált sejtmagjuk. Szines pigmentjeik (klorofill) vannak és így fotoszintézisre képesek, mint a zöld növények (6. ábra). Jelenlétük a Földön 3,5 milliárd éve tart, mint a Föld legrégebbi élő szervezeteinek egyike. Több, mint 2000 fajuk van, legtöbbjük vizekben él, a vizek eutrofizálásában vesz részt, egyesek toxinokat is termelhetnek.

6. kép. Cianobaktérium - láncok

A nedves talajokban több család és genus képviselői élnek, amelyek képesek a nitrogén szabad megkötésére, ugyanazon mechanizmus folytán, mint az Azotobacter. A különbség abban áll, hogy a N2 → NH3 redukció heterocisztákkal történik. Ezek specializált sejtek, melyek sejtláncokat képeznek, és amelyekben a hidrogenáz jelenlétében történik - a redukción keresztül - a fixálás, nagy mennyiségű energia (16 mol ATP egy molekula N2 -re) felhasználásával. A heterozigóták nincsenek állandóan jelen a láncokon, csak akkor kezdenek láncot alkotni, amikor a nitrogén mennyiség alacsony a közegben a populáció növekedése és fejlődése számára. Mikroszkóp alatt a heterozigóta sejtek nagyobbak és vastagabbak, világoszöldek vagy átlátszó sárgák, az idős heterozigótákban pedig olyan jelentős polimer-készletek vannak, mint az arginin-aszpartát ko-polimer, amely nagyon fontos az emberi egészség számára is.

A Cianobaktériumok a mikroorganizmusok világában egy tökéletes kibernetikus mechanizmust képeznek, melyet a természet alkotott, azért hogy a nitrogén-szükségletet biztosíthassa akkor, amikor a felvehető N-forma (NH3, NH4+, NO3-) hiányzik. A heterociszták megjelenése és a nitrogénkötési folyamat kezdete kb. 15 óra alatt realizálódik, miután a hiány észlelése megtörtént. A folyamat beindulása szintén a Nif 1 koordináló genetikai rendszernek köszönhető.

Nitrosomonas és Nitrobacter nemzetség:

A Nitromonas gram-negatív baktérium, mégpedig a Nitrosomonadaceae családba. Ezek a baktériumok pálcika, vagy gömb alakúak. Legtöbbször kettesével helyezkednek el, (7. ábra) vagy csoportokat alkotnak a rizoszférán belül (8. ábra).

7. kép. Nitrosomonas europae sejtek kettesével egyesülve, 39.000 .szeres nagyitásban (Forrás: filebox.vt.edu)

8. kép. Nitrosomonas oligotrophae sejtek csoprtja a talajban (Forrás: filebox.vt.edu)

9. kép. Nitrobacter fajok amelyek a nitrifikációs folyamatot és a nitritek nitráttá való átalakulását segitik elő

Az összes Nitrosomonas faj átalakítja aerob körülmények között az ammónium-iont nitrit-ionná (NH4+ → NO2-), azaz az ammónium nitritté való oxidálása történik, a folyamat nitrifikáció néven is ismert. A Nitrosomonas a nitrobaktériumok csoportjához tartozik és az oxidációs folyamat első lépésében vesz részt. A folyamat második részében az oxidáció egy másik baktérium-faj, a Nitrobacter közreműködésével folytatódik, a nitrát-ion képződésével (9.ábra).

Az egész folyamat a következő képlet-rendszer szerint történik:

NH4+ + 3/2 O2 →NO2- + H2O + 2H+

NO2- + ½ O2 →NO3-

vagy

2NH4++ 3O2 →2 NO2- + 2H2O + 4H+ Qr = -331 kJ/mol

2NO2- + O2 →2NO3- Qr = -75 kJ/mol

Eddig 11 Nitrosomonas faj ismert, mégpedig:

  • Nitrosomonas aestuarii

  • Nitrosomonas communis

  • Nitrosomonas cryotolerans

  • Nitrosomonas europae

  • Nitrosomonas eutropha

  • Nitrosomonas halophila

  • Nitrosomonas marina

  • Nitrosomonas mobilis

  • Nitrosomonas nitrosa

  • Nitrosomonas oligotropha

  • Nitrosomonas ureae.

A Nitrobacter a Bradyrhizobiaceae család egyik nemzetséghez tartozik, mely Nitrobacteraceae néven is ismert. négy faja (N. vinogradski, N. alkaliens, N.hamburgensis és N. vulgaris) a talajban, édesvizekben és tengervizekben él.

A denitrifikációs folyamat és jelentősége a nitrogén-körforgalom szempontjából

A nitrifikálással fordított irányú folyamat és lejátszódhat a talajban úgy, mint a növényekben.

A talajban általában anaerob körülmények között folyik le, számos baktérium jelenlétében, melyek a Max Planck Institute kutatói által folytatott kutatások szerint klónozhatóak más populációkból és adaptálhatók ebből a célból (10 ábra).

Maga a folyamat a következő képlet szerint játszódik le:

azaz

A reakcióban nagy mennyiségű energia vesz részt, főleg a zöld növények belsejében. Lásd a 12. ábrát is.

Az elektronok a fotoszintézis folyamatából származnak.

(2) A nitritek redukálásáért:

A nitritek redukálása a növényekben a kloroplasztok mátrixában történik közvetlenül a fotoszintézis fényreakciói során.

A növények heterotróf részeiben, mint a gyökerek, vagy az éjszaka folyamán (beleértve a zöld növényi részeket is ) a nitrátok redukálása fotoszintézis nélkül is megtörténhet. Ebben az esetben a szükséges disszimiláló elektron-mennyiség a légzési reakciókból származik. Általában azonban a magasabb rendű növényekben a legnagyobb mennyiségű nitrit formájú nitrogén a fotoszintézis folyamán redukálódik.

Az nitrátok asszimilációs redukciója alatt a víz a hidrogén-atomok (H) donorja.

Az NH4+ toxikus hatású a növényi sejtek számára, ezért azonnal felhasználódik az aminosavak szintézisének folyamatában. A jelenség szintén a kloroplasztiszokban folyik le. A glutamin mint másodtermék jelenik meg .A glutamát amonil-csoportok donorjaként szerepel (L–alanin, Tris-base, metilamin) két aminosav számára (pld. oxálacetát).

10. ábra. Nitroreduktáz gének törzsfája Fekete szín: denitrifikáló baktériumok génjei, melyek a talajból szelektálva majd klónozva lettek. A mérleg a két szekvencia között 10% különbséget jelez Forrás: Broker Max Plank-Institut für terrestrische Mikrobiologie,2006

A bemutatott reakciók bizonyítják, hogy valójában a denitrifikációs folyamatban nitrogén-veszteséggel kell számolnunk, annál nagyobb mértékben, minél jobban erősödnek az anaerob folyamatok.

A denitrifikálás a nitrifikálással ellentétes irányú folyamat és blokkolja a nagy energia-felhasználással fixált nitrogént ( 11. ábra ). A denitrifikálás szintén a nitrogén-körforgás része, ha nem is hasznos számunkra.

11. ábra. A nitrogén-kötés, nitrifikálás, denitrifikálás összefüggései a talajban

A nitrogén denitrifikálása a növényekben is lejátszódik (12.ábra). Ebben az esetben a folyamat a kloroplasztiszokon belül történik, ammónium-ion keletkezésével. A protein-szintézis folyamataiban az ammónia az aminosavak, peptidek, polipeptidek és fehérjék szintézisében kerülnek felhasználásra.

Az élőlények pusztulásával újra kezdődik az ammonifikációs folyamat, amelyben a fehérje-N ammóniává való redukálása megy végbe, s így kerül vissza a körforgalomba.

A természetben történő denitrifikálás megértése céljából és a hosszútávú befolyásolása érdekében (nitrogén megtakarítás) nem elég csak a folyamatot megérteni, de ismerni kell a folyamatban résztvevő mikroorganizmusokat is, amelyek kevésbé ismertek jelenleg.

12. ábra. A nitrogén oxidálása és redukálása a növényekben és a talajban (Forrás: Wikipedia)

Amit tudunk eddig az, hogy a talajból izolált és laboratóriumban tenyésztett baktériumok több mint 50%-a képes denitrifikálóvá válni oxigén hiányában. Felfedeztek számos Archaea fajt is, valamint gombát, amelyek képesek a denitrifikálásra.

Ez a tulajdonság szélesen körben elterjedt és nem szorítkozik csak a szervezetek szűk csoportjára.

A denitrifikálásra képes szervezetek csak a fiziológiai tulajdonság jelenlétével definiálhatók, semmiképpen sem az evolúciós folyamatban való helyükkel. Az utóbbi évtizedben számos kísérletet végeztek a folyamatban résztvevő gének feltérképezése céljából, a PCR módszer felhasználásával. A módszerrel a denitrifikáló élőlényeket saját környezetükben mutathatták ki anélkül, hogy kitenyésztették volna azokat (13.ábra).

13. ábra. A denitrifikáló populációk elemzése biomolekuláris technika segítségével

A folyamat első lépéseként környezeti mintákból származó genomi DNS-t izolálnak (1), majd ez követően speciális, faj-azonosításra alkalmas DNS szekvenciákat sokszorosítják PCR technika segítségével (2). A felszaporított DNS szekvenciákat plazmidba klónozzák, majd meghatározzák a szekvencia-sorrendjüket, amelyek segítségével evolúciós törzsfákat készítenek (3). Az így kapott evolúciós törzsfákon az egyes fajok, illetve populációk jól elkülöníthetőek. Egy másik lehetséges módszer a populációk elemzésére PCR termékek restrikciós fragmenthossz polimorfizmus elemzése (RFLP) (4). A reakció során a restrikciós enzimek különböző helyeken hasítják a PCR reakció során amplifikálódott DNS-t. Az így kapott mintázatok (restrikciós mintázat) fajra specifikusak és alkalmasak faji meghatározásra (5). Mindkét módszer alkalmas az egyes populációk elkülönítésére és az eredmények döntő többségben egybevágnak.

(Kiegészítő magyarázat IRINYI Lászlótól, a szerk.)

A nitrogén szimbiotikus megkötése

Számtalan növény van, főleg a hüvelyesek, de más családok genusai között is, amelyek hatékonyan meg tudják kötni a levegő nitrogénjét, a növények és bizonyos baktériumok közötti szimbiózis alapján. Közülük kettő ismertebb :

  • A Rhizóbium genusz mely sok, gazdanövényre specializált, fajjal rendelkezik, mint például : R. leguminosarum, R. tropici, R. lati, R. trifolii, R. melilati, R. fredi, Bradyrhizobium japonicum., B. cekanii és a Azorhyzobium caulinodans (ez utóbbi a trópusokon van jelen és pálcika formájú “gyökérgümőt” képez).

  • A Frankia genusz az Actinomycetes rend képviselője, amely szimbiózis kialakítására képes nem hüvelyes növényekkel, mint a mogyoró, homoktövis (Hippophae rhamnoides) vagy akác.

Rhizobium az Alphaproteobacteria osztály képviselője Gram negatív és 2-6 csillót képez, amelyek a rizoszférán belül a fonálgyökerek felé történő aktív helyváltoztatásban segítik a baktériumot.

A Rhizobium fajok a legelterjedtebb talajbaktériumok. Nagy értékük abban áll, hogy képesek egy kétoldalú hasznos együttműködésre a hüvelyesek és a Fagaceae család képviselőivel. Ez az életfontosságú együttélés nagyon szoros és a Rhizobium fajok között jelentős morfológiai és élettani (fiziológiai) változásokhoz vezet, a növények esetében pedig speciális képződmények, ú.n. szimbiotikus gümők jelennek meg a gyökereken.

A Rhizobium fajok rendelkeznek azzal a tulajdonsággal, amelynek köszönhetően meg tudják kötni az elemi, molekuláris nitrogént, redukálják azt ammóniává, melyet ammonium ion formában a növények rendelkezésére bocsátják azokért a szintetizált tápanyagokért cserébe, amelyeket a növényektől kapnak. Szimbiózis nélkül nem valósulhatna meg a biológiai nitrogénkötés ezen formája, amely folyamat mindkét fél számára pozitív hatású.

A szimbiózis kialakulása

A növény gyökerei a gyökérzónába számos szerves anyagot bocsátanak ki, amelyeket gyökérváladéknak nevezünk. Más funkciójuk mellett ezek egy specifikus mikroorganizmusokból álló populáció kifejlődését szolgálják, amelyek gombákból és rizoszféra-baktériumokból állnak. A talajban mozgó Rhizóbiumok a gyökérzet által kibocsátott gyökérváladék vonzó hatására, valamint egyéb elősegítő körülmény között be tudnak hatolni a gyökerekbe. Ez az első fázis, amikor a fertőzés létrejön: a fő követelménye a kölcsönös kompatibilitás, azaz a baktérium és a növény gyökerei közötti kölcsönös molekuláris szintű felismerési reakció megléte. Az infekció ténylegesen csak bizonyos gyökérsejtekben alakul ki, amelyek a hajszálgyökereken találhatóak.

Felismerés, megközelítés, fertőzés

A gyökérváladék (exszudátum) kemotropizmusa vonza a baktériumokat a hajszálgyökerek felé, ami után 7 fázisban játszódik le a folyamat (14. ábra).

14. ábra. A Rhizobium infekció fázisai

  1. A Rhizobium baktérium egy vagy több hajszálgyökérhez (gyökér kéregsejt citoplazma nyúlványához) csatlakozik. Előzőleg a gyökérke deformálódik.

  2. A csatlakozás után megkezdődik a nod-faktor receptorok, nódusz gének, vagy nod-proteinek kiválasztása.

  3. A Rhizobium megfertőzi a hajszálgyökeret.

  4. A baktérium fertőző tömlőt fejleszt ki. Egyes szerzők preinfekciós tömlőnek is nevezik, amelyet a növény részéről történő felismerés első jelének tartják.

  5. A bakteroidok képződése: a baktériumok folyamatos szaporodása révén bakteroidoknak nevezett deformációk, duzzanatok keletkeznek. A bakteroidok már nem sokszorozódnak. Egyes baktérium-sejtek nem alakulnak át bakteriodokká. A nem átalakult sejtek csak a gümők érése után lesznek szabadok és szaporodásra képesek.

  6. A növényi gyökér (kortex) sejtjei részben stimulálva vannak és megjelennek a „gümő-kezdemények”.

  7. A sejtek szaporodása folytán kialakulnak a gümők, amelyek benépesítik a növény gyökereit és megkötik a levegőben levő nitrogént.

A gümők képződésének molekuláris biológiája, technológiai fejlesztése

A gümők egy új életformát képviselnek- úgy fenotípus (mert azok nem hasonlítanak sem a gazdanövényre, sem a baktériumra), mint genotípus szempontjából, mert a gümők sejtjeinek genomja a növény sejtjeinek és a baktérium genomjának eredménye, akkor számos tudományos kérdés merül fel, melyre választ kell adni (M. Berca, 2005).

  1. Melyik az a folyamat, amely alapján a hüvelyes növényeknek sikerül a talajbaktériumok milliói közül kiválasztani a Rhizobium genusba tartozókat, amelyekkel a szimbiózist létrehozzák?

  2. Hogyan találnak egymásra a gyökerek és a Rhizobium fajok, hogy történik a gümők képződése és fejlődése?

Az előzőekben leírtuk, hogy a gyökerek számos szerves anyagot bocsátanak ki, amelyek vonzák a baktériumokat. A valóságban, amint a kutatók kimutatták, egy teljes “kémiai párbeszéd” zajlik a gyökerek és a baktériumok között. Mindegyik partner válasz kap a másik fél vegyi jelzéseire.

A Rhizobium faj által kibocsátott jelzés egyediségét és a hüvelyesek válaszát 2000-től Cook és Denane kutatócsoportja (Christian Fenmer, 2005) kezdte el tanulmányozni, akik négy gént találtak, amelyek felelősek és szükségesek a Nod faktor tevékenységéhez (lásd a 15 és 16 ábrákat).

15. ábra. A gümők kialakulásáért felelős Nod-gének, Nod-proteinek és Nod-faktorok

  • A 10-Nod gén a Sym-Plasmid-on található;

  • Ez a gén kódol a Protein Nod számára;

  • A Protein Nod felügyeli a Nod-NodD gén kifejezését, a flavonoidok stimuláló hatása alatt áll;

  • Az A, B, és C Nod proteinek a felelősek a Nod faktorokért.

16. ábra. A Nod faktorok kémiai összetétele

  • Kitin vázas molekulák, melyek N-acetilglükóz-amin molekulákból épülnek fel;

  • A helyettesítő gyökök (R1 és R2) határozzák meg a baktériumok infekciójának helyét;

  • Más Nod proteinek felelősek a Nod faktor változásaiért vagy kizárásáért a baktérium-sejtekből.

A felismerési mechanizmus részleteit a Magyar Tudományos Akadémia Biológiai Kutató Központjában és az Aarhus Egyetemen Dániában tanulmányozták. Christian Fenmer (2005) leírja, hogy felfedezték a DMI (Does Not Make Infection) gént, amely a jelzések közötti kapcsolattartásért felel, valamint azokért a pontokért, amelyeket a baktériumnak meg kell tennie a talajban a gyökerekig. A DMI második verziója, amelyet a Lotus japonicus esetében írtak le, amely mutatja a like-kinase receptort (lásd 17. ábra).

17. ábra. A gyökerekhez vezető út leírása Nod faktor segítségével

A DMI3 gén kódolja a kinázokat, amelyek a kalcium-ion segítségével kapcsolatot teremtenek más fehérjékkel, melyek “calmoduline” néven ismertek. Hogyan történik ez a gyakorlatban, ez még magyarázatra szorul.

Nagyszámú gümők képződésének meggátolása nagyon fontos a folyamat során, mert nagy energiaigényű a folyamat. Még 1997-ben Cook és Penmetro (Fenmer idézetében) azt tapasztalták, hogy az etilén gátolja a reakciót, így a gümőképződést is, beleértve a kalcium áramlását. (18. ábra).

18. kép. Gümők képződése a gyökereken. A nagy energia-szükséglet csökkentése miatt a szója (baloldali kép) szabályozza a nitrogén megkötését. Egy mutáns esetében (jobboldali kép) ez a szabályozó kontroll kisebb mértékű gümőképződést eredményez.

19. kép. Egy gümő metszet mikroszkópos felvétel

A nagyított felvételen jól látszanak a baktériumok.

20. ábra. A gümők képződésének dinamikája a borsó gyökerein és a megkötött nitrogén mennyisége a romániai talajokon (eredeti)

A szimbiotikus nitrogén megkötése Rosalia fajtájú borsó esetében Románia déli részén (1998).

A megkötött nitrogén mennyisége (kg/ha)

A növény kelése utáni dekádok (március, április, május, június)

21. ábra. A borsó gyökerein megkötött nitrogén mennyisége a romániai talajokon

A borsó képes 130 kg/ha nitrogén megkötésére, a maximum május hónapra tehető, amikor 25 kg/ha feletti mennyiséggel számolhatunk. A 20. ábrán látható a gümők fejlődése a megkötött nitrogén mennyiségének függvényében.

A felelős gének hatása alatt a mikrobiológiai folyamat a következő fázisokban történik:

  • A növények megkezdik a párbeszédet amint a gyökereik flavonoidokat és egyéb hasonló anyagokat bocsátanak ki a rizoszférába.

  • A flavonoidok nagyon változatos természetes vegyületek, melyek közül három ismertebb:

    • flavonoid 3’-o-metiltranszferáz,

    • flavonoid 3’-hidroxiláz és

    • flavonoid-oxidáz.

Ezek behatolnak a gyökérzónában lévő baktériumsejtekbe. A jelek egyedisége, specifikussága a flavonoidok összetételétől függ, és ez azért van így, mert mindegyik hüvelyes-fajta specifikus Rhizobium flavonoidot bocsát ki, amely az adott növény fajtára jellemző.

  • A küldött jel aktiválja a válasz-molekulákat a baktérium részéről. Pontosabban a növény által küldött jel egy specifikus proteint aktivál, amely aztán egy baktérium-gént kapcsol, amely nod-gén vagy gene-nod néven ismert (a nod a nodusz = gümő kifejezésből ered). Ezek a gének kódolják egyes enzimek kiválasztását, amelyek katalizálják a specifikus molekulák képződését (nodulation factor (ND).

  • A Nod-faktort a baktérium specifikus populációja termeli, mely a talajba jut, és válasz-jelzés szerepet tölt be, amely nyomán a gyökerek elfogadják a baktérium infekciót és a baktérium fertőzőtömlőjének képződésére is stimulálóan hatnak.

  • Rhizobium behatol a növényi sejtbe és a tömlőn keresztül megkezdődik a gümők képződése (14. ábra).

  • A növény normális reakciója most az, hogy aktiválja az ú.n. primér-gümőket valószínűleg a jelek genetikai közvetítésének szabályozásával, melyek a sejtek közötti specifikus kapcsolat formái. A gümőket formáló géneket nodul géneknek nevezik és kódjuk van (cnod), amelyek a baktériumok genetikai állományában találhatóak, de a gümők sejtjeiben való kifejezésre jutásukat a növény által kibocsátott jel indukálja.

  • PA kódolt proteinek neve modulin és a megjelenésük idejének függvényében koraiak, normálisak, vagy késeiek lehetnek. Mindegyik modulin egy fehérje által kódolt, az ismert elv alapján: egy gén = egy protein.

  • Késői nodulin-génekre példaként mutatjuk azokat, amelyek a leghemoglobin-t kódolják és termelik.

22. kép. Leghemoglobin, vörös pigmentek a gümőkben (eredeti felvétel)

  • DA kutatások adatai szerint a nod-faktorok (NF) molekuláris összetételének kutatása alapján ezek a baktérium-molekulák hatással lehetnek a növényekben levő különböző génekre. Ez új perspektívákat nyújthat a Rhizobium fajok felhasználásának elősegítésére más növénycsaládok esetében is.

Egyik eredmény, amely azonban nem elég meggyőző azaz, hogy a Nod-faktor molekula nagyon hasonlít a kitinhez, mely olyan vegyület, amely a sejtfal nagy részét képezi, és amely az artropódák külső vázában is megtalálható.

A Nod-faktorok esetében egy kitin-oligoszaharidról van szó, amely a kitinképződésének alapjául szolgál. A kitin egy poliszaharid nitrát, amely összetételében glikozid-láncokat és glukozamin-maradványokat tartalmaz. A kitin a gerinctelenek, artropódák, rovarok külső vázában is megtalálható. Ugyanakkor az algák, gombák és rákok sejtfalának alapösszetevője. A kitin-hidrolizáló enzimek segítségével (pld.kitináz és kitobiáz) széles körben hasznos a növények és állatok élete számára.

Ezekből a részletekből kiindulva megállapíthatjuk, hogy a növények képesek a kitinhez hasonló vegyületek előállítására, amelyek, mint fejlődésszabályozók tudnak hatni (22 ábra).

Ebből a felfedezésből kiindulva kialakult az a hipotézis, amely szerint a Nod-faktorok sikeresen utánozzák egyes növényi növekedés-szabályozókat, és ennek következtében a gyökerek hajlandóak lesznek elfogadni az új szervek képződését, amelyek ebben az esetben a gümők. A növények és a baktériumok közötti anyagcsere leírása a 23. ábrán található.

23. ábra. A növény-baktérium kapcsolat folyamán történő anyagcsere-folyamatok

A kutatások kimutatták, hogy azok a növényi gének, amelyek a gümők képződését biztosítják, más növényi folyamatokban és funkciókban is szerepelnek.

  • A genetikai biotechnológia területén dolgozó kutatók egyetértenek abban, hogy nem kell sok idő addig, amíg a Rhizobium fajokat más, nemhüvelyes növények is “elfogadják” és képesek lesznek a nitrogén megkötésére, hogy ez a folyamat végbemehessen, a gümők képződéséért felelős géneket be kell ültetni a nemhüvelyes növényekbe, egyrészt a gümők képzésének funkciójáért, másrészt a termesztett növények egyéb funkcióinak biztosításáért.

  • A másik terület az, ahol a kutatások a szimbiotikus nitrogén mennyiségének növelését célozzák, és mellyel azt akarják elérni, hogy ne csak a fő kultúra (hüvelyesek), hanem az utánuk következő kultúrák számára is biztosított legyen a szükséges nitrogén-mennyiség, ahogy ezt megköveteli a jó mezőgazdasági gyakorlat (Good Agricultural Practice).

  • Mindenképpen a géntechnológiai módszerek használata szigorúan arra irányul, hogy a vetésforgóban szereplő növények számára szükséges nitrogén mennyiség biztosítva legyen anélkül, hogy nitrogén felesleg keletkezzen, amely káros lehet az ammónia nitrifikálási folyamatán keresztül. Nem hasznos, ha a nitrátok feleslegben vannak jelen a talajban, mert szennyezhetnek és ökológiai egyensúly-zavarokat is előidézhetnek.

A kutatók bizonyosan azt a megoldást keresik majd, amely csak annyi nitrogén mennyiség megkötését eredményezi, amellyel csak a mezőgazdasági és a természetes ökoszisztémák növényeinek optimális fejlődéséhez szükséges nitrogént biztosítják.

  • A természetben a nitrogén és az élő szervesanyag nitrogén mérlege állandó összefüggésben van a másik három organogén elem (oxigén, hidrogén, szén) mennyiségével, amelyekkel együtt alkotják az élet alapköveit.

  • Ha arra gondolunk, hogy a napenergia csak 1%-a kerül hasznosításra a földi szerves anyagokban, elképzelhetjük azt, hogy a biotechnológiai módszerek felhasználása segítségével lehetséges lenne ennek az aránynak a 2%-ra való növelésével megduplázni a fotoszintézist irányító gének hatásfokát. Ez a változás vajon jó lenne vagy sem? Pozitív hatású csak akkor lenne, ha a genetikailag megnövelt fotoszintézissel együtt a nitrogén, szén és hidrogén megkötése tökéletes koordinálással történne meg azért, hogy a földi szervesanyag mennyisége ezúton a gyakorlatban is megduplázódhasson.

  • A másik probléma, ami az előző folyamat következménye az, hogy hogyan történne ennek a nagy szervesanyag-mennyiségnek a hasznosítása, amely a Földön képződne. A szervesanyag képződését követően megfelelő mennyiségű vízre és egyéb tápanyagok jelenlétére is szükség lenne, amelyek ma véges mennyiségben állnak rendelkezésre a Földön. Ezért a szükséges egy egyensúly megtartása a biotechnológiai módszerek részéről, amelyek csak olyan hatékonyságot érhetnek el, amellyel még nem zavarják meg az ökológia folyamatokat. Nem kell több szervesanyagot termelni a Földön, mint amennyit az emberi szükséglet során és természetes rendszerek fel tudnak dolgozni. Milyen módon lehetne lebontani azt a feleslegben lévő nagymennyiségű szerves anyagot, amit a mikroorganizmusok nem tudnának lebontani? Ismételten megjegyezzük, hogy az embereknek minden tettével biztosítani kell, még a legmodernebb technológiák használatakor is, hogy mint kutató, mint gyakorlati szakember nagyon meggondoltan és kiegyensúlyozottan kell cselekedni.

  • A világ országainak komoly problémát jelent az egyre erősödő szennyeződés mértéke, valamint a szennyezőanyagok lebomlása által keletkezett anyagok. Fertőző és a szervezetre káros anyagok keletkeznek. A genetikai módszerek kidolgozták a szervesanyag mikrobiológiai dekontaminálását, a keletkezett anyagokat különböző céllal hasznosíthatjuk. Ezek a módszerek, technológiák, egy másik könyv fő témáját fogják képezni, amelyet a következő években tervezzük megjelentetni.

24. kép. A kifejlett gümőkkel (jobboldali sorok) és gümők nélkül fejlődő növények (baloldali sorok) állapota. Szója termesztése a nitrogénben szegény talajokon

Más, nitrogénkötő szimbiózisok, Frankia genus

A talajban több olyan baktérium van, amely a fejlett növényekkel biológiai kapcsolatban vannak a membránokon keresztül szimbiózist képez, főleg fás szárú növényekkel.

Ezek közül egyik, amely nálunk is előfordul, a Frankia genus. Ma, a legtöbb szerző szerint, a Gram pozitív baktériumok közé tartoznak és olyan sejtekből állnak, amelyek filamentumokat (ez egyfajta igen finom „farokszerű képződmény”) tudnak képezni, amelyek a helyváltoztatásban segítik őket. Az Actinomycetes baktérium-rend képviselői, amely az Actinobacteria osztály tagja.

Legismertebb képviselője a Frankia alni, amely több néven is ismert: (fajok) (Forrás: Wikipedia, 2008).

  • Frankia subtilis

  • Nocardia alni

  • Streptomyces alni

  • Proactinomycetes alni

  • Actinomycetes alni

  • Schinzia alni

A mogyoróval képzett szimbiózisa jól tanulmányozott. A mogyorón egyszerre van jelen a mikorrhiza és a Frankia. A nitrogén megkötéséhez a Frankia a nitrogenáz enzimet használja ahhoz, hogy a levegő nitrogénjét redukálva, ammónia formában kösse meg, és a növény számára elérhetővé tegye. A fotoszintézis következtében termelt energiahordozó glükózt a növények a baktériumok rendelkezésére bocsátják.

Románia kárpátaljai részein a Frankia szintén jelen van a homoktövis nevű növényeken (Hippopheae rhamnoides).

25. kép. Frankia alnus Ez a genusz legtöbbet kutatott faja

A genom összetétele

A baktérium genomjának szkennelése az ACN 14 projekt keretében történt, amely 2006-ban zárult. A Frankia alni genomja egy kör alakú kromoszómából áll, amely 7.497.934 nukleotidot tartalmaz. Ez tehát egy ú.n. „cantain” plazmid. Nagymennyiségű G és C bázist tartalmaz (kb. 72,8%) és 6711 gént, amely 6711 kódoló proteint, 63 RN-AS strukturális és 12 pszeudogént foglal magába (Centro Nationale de Sequencago Genoscop).

26. kép. Látható vezikulumok a Frankia – Ceanothus szimbiózisban Forrás: Las Pilitas Nursery

Kaliforniában az aktinobaktérium szimbiózisba lép a Datisco glomerata, Ceanothus sp., Alnus sp., Cercocarpus sp., Myrica sp., Purshia sp., Cowania sp., Chamebatia sp. és Shepardia sp. fajokkal. A megkötött nitrogén mennyisége eltérő a különböző fajok esetében, de elérheti a 300 kg/ha/év mennyiséget is, ha a szimbiózis jól működik.

A jelen könyv szerzője a Frankia és a homoktövis (Hipophae rhamnoides) közti szimbiózis kutatásával foglalkozott, a Brebu – Prahova községek eróziónak kitett talajain a következtetőket észlelte:

27. kép. A Frankia alnus és az Alhus glutinosa bokor szimbiózisa alatt kifejlődött gümők (Forrás: Las Pilitas Nursery).

28.kép. A Frankia és homoktövis közötti szimbiózisban kifejlődött gümők (Hipophae rhamnoides) ( a szerző felvétele)

Igen gyakran észrevehető, mint a mellékelt fényképen látható, hogy az említett bokros növények és egyes élőlények között gyakorlatilag két szimbiózis kategória alakul ki:

  • Egy a talajban élő gombákkal alkotott szimbiózis (endomikorrhiza), amely a növény teljesítményét növeli a nagyobb talajtömeg kihasználását, így jobban értékesítve a tápelemeket.

  • A Frankiával kialakult szimbiózis nagy mennyiségű nitrogént juttat a talajba, és amely új (főleg lágyszárú) fajokat von az ökoszisztémákba, a növények gyökereivel együtt egy talajszint alatti aktív biomasszát hoz létre, ezzel a talajt megköti, bármilyen nagyméretű legyen a növény. Az intenzív bioaktivitás, amely ezzel a partnerséggel kialakul, a talaj minőségét javítja, a lejtős területeken is. A szimbiózisban résztvevők között nincs semmi közös. A szimbiózis kialakulása után a gomba fonalai ellephetik a gümőket, ebben az esetben nagy mennyiségű oxigén felhasználásával a nitrogén megkötését segítik elő, ugyanis ismert, hogy a nitrogenáz komplexum igen érzékeny az oxigén jelenlétére.

Így egy sikeres hármas, hasznos együttélés alakul ki.

Az egyszikűek is használnak megkötött nitrogént

Feltevődik a kérdés hogy a kalászosok (a búza, az árpa, a zab) és más egyszikűek élvezhetik-e a biológiailag megkötött nitrogén előnyeit. A válasz pozitív.

Az eddig bemutatott baktériumokon kívül, amelyek komoly mennyiségű nitrogént kötnek meg a talajban (10-200 kg/ha) még 1922-ben Bjernicknek sikerült az Azospirillium brasiliense (27. ábra) nevű baktériumot felfedeznie és mesterséges táptalajon, laboratóriumban tanulmányoznia. Funkcionálisan, anyagcsere szempontjából hasonlít az Azotobacter-hez. Fenológiailag több csillóval rendelkezik és gyorsabban mozog ez utóbbinál. 1979-ben az Azospirillium lipoferum fajt is leírták, Tarrand, Krieg és Dobreina genetikai szkennelése nyomán. Ez a baktérium elsősorban azért fontos, mert igen aktív kemotropizmussal rendelkezik a kalászosok gyökérzónájával szemben, a kalászosok és más egyszikűek gyökérváladéka vonzó a baktériumok számára, amely igy ideális növekedési és fejlődési feltételeket talál magának.

Az Azospirillium gyakran előfordul a világ különböző talajaiban. A vizsgált talajminták 30-40%-ban található meg. Olyan talajok is vannak, ahol a baktérium nincs jelen. Ezért nagy azoknak a baktérium készítményeknek a jelentősége, amelyek a búza, és más kalászos magvak csávázására használják fel a levegőben található nitrogén hatékony megkötésére, ezzel is csökkentve az ipari eredetű nitrogéntartalmú vegyületek alkalmazását.

Az Azospirillium – funkcionálisan az asszociatív baktériumok csoportjába sorolható, azaz azok közé, amelyek együtt élnek különböző növényekkel és képesek a légköri nitrogén megkötésére. A szimbiózis kialakulása nélkül válnak függővé a gyökér által kibocsátott gyökérváladékokra.

Az Azospirillium, az Azotobacter-rel ellentétben nem élhet szabadon, a gyökérzónán kívül. Hatékonysága sokkal nagyobb a szabadon élő nitrogénkötő baktériumok által megkötött nitrogén mennyiségétől.

29. kép. Azospirillium brasiliense baktérium elektronmikroszkópos képe (Forrás: Biological Science, Missouri)

A fenti kép elektronmikroszkóppal készült. Látható, hogy több flagellummal (ostorral) rendelkezik, ami biztosítja a könnyű mozgékonyságát a talajoldatban.

30. kép. Azospirillium brasiliense Bjernick tenyészetében. In Aaron Fairchild

Egyéb asszociatív típusú baktériumfajok az Acetobacter és Azotobacter, valamint a Klebsiella és Rhodospirillum, melyek teljesen szabadon élnek a talajban. Az energiaforrás függvényében az utóbbiak növényi maradványokon 1-2 kg/ha-t, míg fotoszintetikus energia felhasználásával akár 10-80 kg/ha nitrogént is meg tudnak kötni.

A szimbiotikus nitrogén megkötés gazdasági és ökológiai jelentősége

Az a tény, hogy a nitrogén a természetben két funkcionális formában található, (a légköri, stabil N2 és a szerves nitrogén) ez nem ellentmondás, mint azt korábban gondolták.

A levegő nitrogénje (N2) stabil, semleges, nehezen és nagy energia mennyiséggel alakítható át, így a bolygó életfeltételeit stabilitásával biztosítja, valamint az óriási mennyiségével, amellyel a Földön jelen van.

Képzeljük csak el, hogy mi történne a földi élettel, ha a légköri N2 nem lenne olyan stabil.

De a természet a legjobb mérnök. Megalkotta azokat az eszközöket, amelyekkel “átalakítható”, megkötéssel vagy más légköri fizikai-kémiai folyamatok révén, és csak olyan mennyiségben, amely szükséges az életfolyamatokhoz és az ökoszisztémák tökéletes működéséhez. Az “átalakított” nitrogén, mint nitrit vagy nitrát, toxikussá válik a növények, de főleg az állatok számára, amikor feleslegben van jelen. A különböző folyamatok egyensúlyi eredményeként jönnek létre azok a feltételek, körülmények, amelyek fenntartják az élet és a természet minőségét. Az egyensúlyzavarok, amelyek ma a földgolyón, így területeinken is előfordulnak, egyrészt a megváltozott szociális törvényeknek, másrészt a természeti törvények figyelmen kívül hagyásának eredményei. Csak az utóbbi 20 évben ébredt rá a társadalom arra, hogy már veszélyben vagyunk.

31. ábra. A nitrogén természetes körforgása a németországi Bielefeld-i Egyetem kutatói szerint

A 31. ábra szemlélteti a nitrogén természetes körforgalmak modelljét. Alapjában véve nem különbözik más bemutatott modelltől. Újrarajzoltuk azért, hogy felidézzük ennek a felettébb érdekes, hasznos és érzékeny folyamatnak a főbb fázisait.

  1. Ha nem létezne a semleges nitrogén (N2), amely nem használható fel közvetlenül a szerves anyag képzésére, hanem csak a légzési égések közege, akkor az élet sem létezhetne.

  2. A légkörben a molekuláris nitrogén [(N2) = 78 térfogat %] a villámok magas energia kibocsátásának hatására oxidálódik NO3‾-ig és az esővízzel együtt a talajba kerül.

    N2 + O2 → 2NO

    4NO + 3O2 + 2H2O → 4HNO3 → talaj

  3. A másik út, amely még fontosabb, a levegő nitrogénjének átalakítása szerves nitrogén-vegyületekké, két mikrobiológiai folyamat során keretében:

    • szabad megkötés,

    • asszociatív megkötés,

    • szimbiózis általi megkötés.

    Mindegyikben jelen van a nitrogenáz-komplexum enzim katalitikus jelenléte, mindez a gének irányítása alatt történik a baktériumokban és a növényekben található speciális géneknek köszönhetően.

  4. A nitrogén talajba jutásának harmadik lehetséges útja a talajba juttatott nitrogéntartalmú műtrágyák alkalmazásával realizálódik. A levegő nitrogénje az ú.n. Haber-Bosch folyamat révén kerül a műtrágyákba, mely a légkör nitrogénjének felhasználásával történő ammóniagyártás. A folyamat hasonlít a természetben lejátszódóhoz. Szimbiózisban történőa nitrogén kötésnél is jelen vannak a különböző fém katalizátorok (Mo, Fe, Co, stb.)

    N2 + 3H2 → 2NH3

    A folyamat során 450 oC feletti hőmérsékleten és 250 atm nyomáson vas katalizátor jelenlétében hidrogén és nitrogén gázból ammóniát állítanak elő. Az első gyártott műtrágya még 1929–ben a kalcium-nitrát volt és igazi technikai forradalomnak számított. Ezután állítottak elő egyéb műtrágyákat, beleértve a karbamidot (urea) is. Mint gazdasági jelentőségű nitrogén-inputok, a vegyi eredetű műtrágyák a második helyet foglalják el.

  5. A negyedik nitrogénforrás a talajban az, amely nem az atmoszférából jön, hanem a talajban keletkezik, és a szerves anyagok lebomlása során a természetes ökoszisztémákból és a termesztett növényi maradványok (beleértve gyökerek) lebomlásából kerülnek a mezőgazdasági öko-rendszerekbe.

A kis és nagy állattenyésztő farmok is szolgáltatnak nagy mennyiségű szerves trágyát, valamint a víztisztító telepek, amelyek nagy mennyiségű iszapot termelnek. Ez az iszap komposztálható, amely eljárás egyre gyakrabban használatos az ökológiai gyakorlatban.

A talajban az ásványi nitrogén NH4+ és NO3- alakban található. A növények a fotoszintézisben a kloroplasztiszokban csak a NO3- formát hasznosítják, az NH4+ alakban a nitrogén csak elvétve jelenik meg és kis időre az aminosavak, peptidek, polipeptidek és fehérjék szintézisénél. Az NH4+ → NO3- oxidációs folyamat a talajban játszódik le. Összefoglalva, a nitrogén dinamikája a talajban és növényekben a 32. ábrán látható.

32. ábra. A nitrogén dinakiája a talajban és a növényben

A talajban a nitrogénkörforgalom input elemein belül számolni kell a veszteséget okozó folymatokkal is. Az ammónia és a nitrát ion formában történő veszteségeknek ökológiai és gazdasági jellegű hatásai is vannak. Szennyző forrásként lehetnek veszélyesek az ökoszisztémákban, mivel hozzájárulnak a légkör felmelegedéséhez.

1. A denitrifikáció, mint a nitrogénveszteség fő oka a talajban

Gáz formában történő veszteségek, amelyek a növények rendelkezésére álló gáz halmazállapotú nitrogén 50 %-át is kitehetik

(Forrás: I. Muller – LUA)

2. Ammónifikáció

Az ammóniává átalakult nitrogén egy része szintén elhagyhatja a talajt és a légkőrbe kerülve szennyezést és ökológiai egyensúlyzavart idézhet elő (33.ábra) .

33. ábra. A nitrogénformák változása ammónifikáció során

3. Nitrát kimosódás

A jelenség főleg a feleslegben jelenlevő nitrátok esetében történik meg. A nitrátok kimosódva a talajvízbe kerülhetnek, ahol hosszabb ideig megtalálható. A talajvíz gyakran toxikussá és fogyasztásra alkalmatlanná válik hosszú időre.

4. A nitrát vízszintes irányú mozgása

Az eróziós folyamatok a nitrát oldal irányú elmozdulását eredményezi és igen szennyező, káros folyamat, azonnali és közvetlen negatív hatást gyakorol a talaj termékenységére, valamint a felszíni vizek minőségére. Az erózió a legkárosabb folyamat, ami a XXI. századi Románia talajait érinti.

A 32. ábra részletesen bemutatja a nitrogén körforgását és dinamikáját, ami a részletekre is kiterjed. A nitrogénmérlegre vonatkozó kutatások eredményeit világszinten a (I. Muller, C. Fenmer, et al.) 3. táblázat mutatja be.

3. Táblázat. A bolygón rendelkezésre álló nitrogén mérlege

A táblázat adatai nem meglepőek, mert egyik vagy másik formában az “élet-halál” körforgalom a nitrogén visszakerül a légkörbe. Bármely „T” időpontban csak a megköthető nitrogén 13%-a van fixálva, amely mennyiség visszakerülhet a körforgalomba.

Nem hasznos (sőt káros) a nagy mennyiségű nitrogén felhalmozódása a talajban. Viszont nagy jelentőségű a nitrogén körforgalom szempontjából. A nitrogénnel való gazdálkodás során kötelességünk csökkenteni a szennyezést okozó nitrogén-formákmennyiséget. A nitrogént a növények táplálkozására kell felhasználni és óvni kell a környezetet a szennyezéstől.

A fenti mérleg egyértelműen mutatja, hogy a nitrogén 15%-ánál kevesebb kerül a nitrogén körforgalomba. A többi, 108 – 109 tonna a légkörben marad és biztosítja a nitrogén körforgalom stabilitását.

34. ábra. A nitrogén körforgalom és dinamikája (több szerzőtől származó kombináció)