باکتریهای تثبیتکننده ازت: قهرمانان نامرئی چرخهٔ زندگی
ازت چیست و چرا برای حیات ضروری است؟
برای درک کار این باکتریها، ابتدا باید با عنصر ازت آشنا شویم. حدود 78 درصد از هوایی که تنفس میکنیم را گاز نیتروژن ($N_2$) تشکیل داده است. این گاز برای ساختن پروتئین۵ و دیاِناِی۶ که واحدهای سازندهٔ همهٔ موجودات زنده هستند، کاملاً ضروری است. اما یک مشکل بزرگ وجود دارد: گیاهان و جانوران نمیتوانند مستقیماً از این گاز فراوان در هوا استفاده کنند. اینجا است که تثبیت ازت۷، مانند یک کلید جادویی، عمل میکند و گاز بیفایده را به مادهای مفید تبدیل مینماید.
انواع باکتریهای تثبیتکننده ازت
این باکتریها به دو دستهٔ اصلی تقسیم میشوند: آنهایی که به تنهایی زندگی میکنند و آنهایی که با گیاهان همکاری میکنند.
| نوع همکاری | نام باکتری (مثال) | محل زندگی و فعالیت | اهمیت |
|---|---|---|---|
| همزیستی۸ با گیاهان | ریزوبیوم (Rhizobium) | درون غدههای ریشه گیاهان خانواده نخود مانند لوبیا، نخود و یونجه | بسیار بالا |
| آزادزی در خاک | آزوتوباکتر (Azotobacter) | به صورت پراکنده در سطح خاکهای زراعی و باغی زندگی میکند | متوسط |
| همزیستی با گیاهان غیر نخودی | فرانکیا (Frankia) | با درختان و درختچههایی مانند توسکا همکاری میکند | بالا |
| آزادزی در آب | آنابنا (Anabaena) | در آبهای شیرین و شور به صورت جلبکهای سبز-آبی یافت میشود | بالا |
ریزوبیوم و همکاری شگفتانگیز آن با گیاهان
ریزوبیوم نمونهٔ بارز یک همکاری سودمند دوطرفه است. این باکتریها در خاک زندگی میکنند و توسط ریشهٔ گیاهان خاصی مانند لوبیا جذب میشوند. گیاه، باکتری را به درون ریشه دعوت میکند و برای آن یک "خانه" مخصوص به نام غده۹ میسازد. در ازای این مهماننوازی، باکتری ریزوبیوم شروع به تثبیت ازت هوا میکند و $N_2$ را به $NH_3$ (آمونیاک) تبدیل مینماید. این آمونیاک بلافاصله در اختیار گیاه قرار میگیرد و گیاه از آن برای رشد و تولید پروتئین استفاده میکند. به این رابطه، همزیستی میگویند.
$N_2 + 8H^+ + 8e^- + 16ATP \xrightarrow[\text{نیتروژناز}]{} 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16P_i$
این معادله نشان میدهد که برای شکستن پیوند قوی بین اتمهای نیتروژن، انرژی زیادی (به شکل ایتیپی۱۰) مورد نیاز است. آنزیم نیتروژناز۱۱ کاتالیزور این واکنش است.
تثبیت ازت در خدمت کشاورزی پایدار
کشاورزان از دیرباز متوجه شدهاند که کاشت گیاهانی مانند لوبیا و یونجه، خاک را "حاصلخیز" میکند. دلیل علمی این پدیده، فعالیت باکتریهای تثبیتکننده ازت مانند ریزوبیوم است. امروزه از این دانش در کشاورزی پایدار استفاده میشود. برای مثال، در تناوب کشت۱۲، پس از کاشت گیاهانی مانند گندم که خاک را ضعیف میکنند، یک فصل گیاهان خانواده نخود کشت میشود تا خاک دوباره غنی شود. این کار نیاز به استفاده از کودهای شیمیایی نیتروژنه را کاهش داده و از آلودگی آبها و خاک جلوگیری میکند.
یک مثال عملی: یک کشاورز در یک مزرعه، سال اول ذرت میکارد. ذرت مقدار زیادی ازت خاک را مصرف میکند. در سال دوم، به جای استفاده از کود شیمیایی زیاد، در همان زمین یونجه میکارد. باکتریهای ریزوبیوم در ریشههای یونجه مستقر شده و به طور طبیعی، ازت هوا را به خاک بازمیگردانند و زمین را برای کشت بعدی ذرت، حاصلخیز میکنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. تنها گونههای خاصی از باکتریها مانند ریزوبیوم که با گیاهان میزبان خاصی رابطه همزیستی دارند، مفید هستند. بسیاری از باکتریهای دیگر میتوانند برای ریشه بیماریزا باشند یا هیچ سودی نداشته باشند.
مولکول گاز نیتروژن ($N_2$) دارای یک پیوند سهگانه بسیار قوی بین دو اتم نیتروژن است. شکستن این پیوند به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد که گیاهان فاقد آنزیمها و مکانیسم لازم برای انجام این کار هستند. باکتریهای تثبیتکننده ازت با استفاده از آنزیم نیتروژناز، این کار را ممکن میسازند.
بله. امروزه از باکتریهای تثبیتکننده ازت (مانند ریزوبیوم و آزوتوباکتر) برای تولید کودهای زیستی۱۳ استفاده میشود. این کودها که به صورت پودر یا مایع هستند، با بذر گیاهان مخلوط شده و در خاک ریخته میشوند. این کار باعث افزایش جمعیت باکتریهای مفید در خاک و کاهش مصرف کودهای شیمیایی میگردد.
پاورقی
۱ Nitrogen-Fixing Bacteria
۲ Nitrogen
۳ Ammonia
۴ Rhizobium
۵ Protein
۶ DNA
۷ Nitrogen Fixation
۸ Symbiosis
۹ Nodule
۱۰ ATP (Adenosine Triphosphate) - مولکول ذخیرهکننده انرژی در سلول.
۱۱ Nitrogenase
۱۲ Crop Rotation
۱۳ Biofertilizer
