تثبیت نیتروژن: موتور حیات پنهان گیاهان
نیتروژن؛ عنصری حیاتی اما دستنیافتنی
حدود 78 درصد از هوایی که تنفس میکنیم را گاز نیتروژن ($N_2$) تشکیل داده است. با این حال، گیاهان و جانوران نمیتوانند مستقیماً از این منبع عظیم استفاده کنند. دلیل این است که دو اتم نیتروژن در مولکول $N_2$ توسط یک پیوند سهگانهٔ بسیار قوی ($N \equiv N$) به هم متصل شدهاند و شکستن این پیوند نیازمند انرژی بسیار زیادی است. برای درک این استحکام، تصور کنید که برای جدا کردن دو آهنربای بسیار قوی که به هم چسبیدهاند، به نیروی زیادی نیاز دارید. گیاهان فاقد این نیرو هستند. بنابراین، نیتروژن باید ابتدا "تثبیت" شود، یعنی به ترکیبات سادهتری مانند $NH_3$ (آمونیاک) یا نیترات ($NO_3^-$) تبدیل گردد تا ریشهٔ گیاهان بتوانند آن را جذب کنند.
راههای ورود نیتروژن به چرخهٔ زندگی
طبیعت برای حل این مشکل، راههای هوشمندانهای ابداع کرده است. تثبیت نیتروژن به سه روش اصلی اتفاق میافتد:
| روش تثبیت | کنشگر اصلی | میزان تثبیت تقریبی (در سال) | توضیح مختصر |
|---|---|---|---|
| تثبیت زیستی2 | باکتریهای همزیست و آزادزی | 200 میلیون تن | مهمترین روش طبیعی که توسط موجودات زنده انجام میشود. |
| تثبیت صنعتی (فرآیند هابر-بوش3) | کارخانههای تولید کود | 110 میلیون تن | تولید کود شیمیایی با استفاده از فشار و دمای بالا. |
| تثبیت اتمسفری (طبیعی) | رعد و برق و تابش خورشید | 5 میلیون تن | انرژی صاعقه پیوند $N_2$ را میشکند. |
قهرمانان ناشناخته: باکتریهای تثبیتکنندهٔ نیتروژن
بخش عمدهای از تثبیت نیتروژن در طبیعت بر عهدهٔ باکتریهای خاصی است. این باکتریها به دو دستهٔ اصلی تقسیم میشوند:
الف) باکتریهای همزیست4: این باکتریها درون غدههای کوچکی به نام «غده5» روی ریشهٔ گیاهان خاصی مانند حبوبات (نخود، لوبیا، عدس، یونجه) زندگی میکنند. گیاه به باکتری خانه و غذای (قند) میدهد و باکتری در عوض، نیتروژن تثبیتشده را به گیاه تحویل میدهد. این یک رابطهٔ برد-برد عالی است.
ب) باکتریهای آزادزی6: این باکتریها به تنهایی در خاک زندگی میکنند و نیتروژن را تثبیت میکنند. آنها نیتروژن تثبیتشده را برای خودشان نگه میدارند، اما وقتی میمیرند و تجزیه میشوند، این نیتروژن در اختیار سایر گیاهان قرار میگیرد. آزوسپیریلوم7 و آزوتوباکتر8 از معروفترین باکتریهای آزادزی هستند.
کشاورزی هوشمند با استفاده از تثبیت نیتروژن
کشاورزان از دیرباز، بدون آنکه از علم پشت آن باخبر باشند، از این فرآیند استفاده میکردند. یکی از راهکارهای سنتی و بسیار مؤثر، کشت تناوبی است. در این روش، کشاورز در یک فصل، گندم یا ذرت میکارد که نیاز زیادی به نیتروژن خاک دارند. در فصل بعد، به جای آن، گیاهانی مانند لوبیا یا یونجه (گیاهان تثبیتکنندهٔ نیتروژن) میکارد. این گیاهان با کمک باکتریهای همزیست، نیتروژن خاک را غنی میکنند و زمین را برای کشت بعدی محصولی پرمصرف مانند گندم، آماده میسازند. این کار مانند آن است که پس از برداشت محصول، به زمین "کود رایگان" داده شود.
امروزه از کودهای زیستی نیز استفاده میشود. این کودها در واقع باکتریهای تثبیتکنندهٔ نیتروژن هستند که به صورت پودر یا مایع درآمده و به بذر یا خاک اضافه میشوند. این روش، وابستگی به کودهای شیمیایی پرهزینه و آلاینده را کاهش میدهد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. تنها تعداد محدودی از گیاهان، عمدتاً از خانوادهٔ حبوبات، توانایی همزیستی با باکتریهای تثبیتکننده و استفاده مستقیم از نیتروژن هوا را دارند. بیشتر گیاهان مانند گندم، برنج و ذرات باید نیتروژن را به صورت نیترات یا آمونیوم از خاک جذب کنند.
اگرچه کودهای شیمیایی نقش بزرگی در تأمین غذای جهان دارند، اما استفادهٔ بیرویه از آنها مشکلاتی مانند آلودگی آبهای زیرزمینی، اسیدی شدن خاک و انتشار گازهای گلخانهای به همراه دارد. بنابراین، تثبیت طبیعی یک راهکار پایدار و دوستدار محیطزیست است که باید در کنار روشهای صنعتی مورد توجه قرار گیرد.
این بو partly مربوط به گاز اوزون است، اما بخشی از آن نیز به دلیل تثبیت نیتروژن است. انرژی رعد و برق باعث میشود مولکولهای $N_2$ و $O_2$ شکسته شده و ترکیبات نیتروژنداری مانند اکسیدهای نیتروژن ($NO_x$) تشکیل شوند. این ترکیبات با باران شسته شده و به عنوان کود مایع طبیعی به زمین میرسند!
پاورقی
1تثبیت نیتروژن (Nitrogen Fixation): فرآیند تبدیل نیتروژن مولکولی ($N_2$) به ترکیباتی مانند آمونیاک ($NH_3$) که توسط موجودات زنده قابل استفاده است.
2تثبیت زیستی (Biological Fixation): تثبیت نیتروژن که توسط موجودات زنده (باکتریها) انجام میشود.
3فرآیند هابر-بوش (Haber-Bosch Process): فرآیند صنعتی برای تولید آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن در فشار و دمای بالا.
4همزیست (Symbiotic): رابطهای نزدیک بین دو گونهٔ مختلف که برای هر دو سودمند است.
5غده (Nodule): برآمدگیهای کوچک روی ریشهٔ گیاهان حبوبات که محل زندگی باکتریهای تثبیتکنندهٔ نیتروژن هستند.
6آزادزی (Free-living): موجوداتی که به صورت مستقل و بدون وابستگی به میزبان خاصی زندگی میکنند.
7آزوسپیریلوم (Azospirillum): یک سرده از باکتریهای آزادزی تثبیتکنندهٔ نیتروژن.
8آزوتوباکتر (Azotobacter): سردهای دیگر از باکتریهای آزادزی تثبیتکنندهٔ نیتروژن.
9نیتروژناز (Nitrogenase): آنزیم کلیدی در باکتریها که کاتالیزور شکستن پیوند سهگانهٔ نیتروژن و تبدیل آن به آمونیاک است.
