دانلود تحقیق مکانیسم تثبیت بیولوژیکی ازت

ازت به عنوان یک عنصر کلیدی در ساختمان بسیاری از ترکیبات موجود در سلولهای گیاهی مطرح است.

این عنصردر فسفونوکلئوتید و اسیدهای آمینه هم وجود دارد که این ترکیبات نیز به نوبه خود به ترتیب اسیدهای نوکلئیک و پروتئینها را می‌سازند.

دسترسی به ازت برای گیاهان زراعی از عوامل مهمّ محدود‌کننده تولیدات کشاورزی است.

این واقعیت که فقط اکسیژن، کربن و هیدروژن بیش از ازت در سلولهای گیاهی وجود دارند، مبیّن اهمیّت این عنصراست.

در بیوسفر، ازت به اشکال متفاوتی وجود دارد.

78% حجم هوای اتمسفر را ازت ملکولی (N2) تشکیل می‌دهد.

در بسیاری از موارد این مقدار فراوان ازت مستقیماً در دسترس گیاهان قرار نمی‌گیرد.

استفاده از ازت اتمسفر، مستلزم شکستن پیوند سه‌گانه بین اتمهای (N = N) آن است که گیاهان عالی مستقیماً و به تنهایی توان انجام این واکنش را ندارند.

از سوی دیگر اشکال نیتراته و آمونیاکی ازت به راحتی جذب گیاه می‌گردند(فصل 5).

مصرف گیاهان توسط حیوانات علفخوار موجب حرکت بیشتر ازت در زنجیره‌های غذایی می‌شود و ازت سرانجام از طریق تجزیه اجساد حیوانات و گیاهان به زمین بازمی‌گردد.

این مراحل بخشی از چرخه ازت را تشکیل می‌دهند.

تبدیل ازت مولکولی به اشکال دیگر آن نظیر نیترات یا آمونیاک را تثبیت ازت می‌گویند.

این فرایند در غالب فرایندهای طبیعی و مصنوعی قابل انجام است.

درشرایط دمای بالا (حدود C ْ200 ) و فشار بالا حدود (200 اتمسفر)، ازت مولکولی با هیدروژن ترکیب شده و آمونیاک (NH3) تولید می‌شود.

برای انجام این واکنش شرایط خاصی لازم است تا برای انرژی فعّال بالای آن غلبه کند.

این واکنش که به نام فرایند هابر موسوم است نقطه آغازین در تولیدات متنوع صنعتی و کشاورزی به شمار می‌آید.

در جهان سالانه حدود 50 میلیون تن ازت به روش صنعتی تثبیت می‌گردد.

این مقدار حدود 12% از کلّ ذخیره اتمسفر را شامل می‌شود که سالنه از آن خارج می‌شود (شکل 2-12، ب) (مارشنر، 1986).

فرایند های طبیعی سهم بیشتری در تثبیت ازت دارند (وسویچ، 1983).

10% ازکلّ ازتی که به روش طبیعی تثبیت می‌گردد، ناشی از رعدو برق است.

رعدو برق سبب می‌شود که رادیکالهای آزاد هیدروکسیل، اتمهای آزاد هیدروژن، اتمهای آزاد اکسیژن حاصل از بخار آب و اکسیژن موجود در اتمسفر و ترکیباتی فعالی از این قبیل، با نیتروژن مولکولی ترکیب شده و تولید اسید نیتریک (HNO3 ) نمایند، که این ترکیب نیز توسط آب باران به زمین می‌رسد.

بخش بسیار کوچکی از تثبیت ازت ناشی از واکنشهای فتوشیمیایی با دخالت اکسید نیتریت گازی و اُزن در استراتوسفر است.

اسید نیتریکی که به این ترتیب تولید می‌شود سرانجام به بخشهای پایینتر اتمسفر راه یافته واز آنجا نیز توسط باران به زمین می‌رسد.

90% باقیمانده تثبیت ازت، به روش طبیعی و توسط میکروارگانیسم ها و از طریق فرایندی که اصطلاحاً تثبیت بیولوژیکی ازت نامیده می‌شود انجام می‌شود (شکل 1-12، ب).

تثبیت بیولوژیکی ازت توسط باکتریهای آزادزی شامل سیانو باکتریها و باکتریهای همزیست با گیاهان انجام می‌گیرد (بوریس، 1976؛ مارشنر، 1986).

این موجودات دارای یک سیستم آنزیمی هستند که قادر است ازت مولکولی را تجزیه کند.

از نقطه نظر کشاورزی نیز تثبیت بیولوژیکی ازت اهمیت زیادی داشته و منبع مهمی برای ازت خاک محسوب می‌گردد، چرا که نیاز گیاهان زراعی صرفاً از طریق کودهای شیمیایی تأمین نمی‌گردد (شوبرت و ولک، 1982).

واکنشهای چرخه ازت که نهایتاً سبب تثبیت آن می‌گردند، شامل تغییر اشکال تثبیت شده و بازگشت ازت به اتمسفر نیز می‌گردد.

اشکال آلی ازت نظیر اسیدهای آمینه که از طریق تجزیه بقایای گیاهی و حیوانی به خاک برمی‌گردند، طیّ فرایند آمونیاکی شدن به آمونیاک تبدیل می‌گردند.

باکتریها و قارچهای موجود در خاک ازت آمونیاکی را به آمونیاک آزاد تبدیل می‌کنند.

این نیز به نوبه خود می‌تواند با اجزای موجود در خاک ترکیب شده و نمکهای آمونیومی تولید کند، همچنین آمونیاک آزاد شده می‌تواند در ابتدا به نیتریت (NO2-) وسپس به نیترات (NO3-) اکسید شود که این فرایند را نیتریفیکاسیون گویند.

اکسیداسیون آمونیاک به نیتریت توسط باکتریهای گروه نیتروزو (نیتروزوموناس) انجام می‌شود در حالی که اکسیداسیون نیتریت به نیترات بیشتر توسط باکتریهای گروه نیترو (نیتروباکتر) انجام می‌پذیرد.

نیتروژن موجود در خاک به فرم نیتراتی می‌تواند به سرعت جذب گیاه گردد یا طیّ فرایند دنیتریفیکاسیون احیا شده و به صورت ازت مولکولی (N2) به اتمسفر باز گردد.

بسیاری از باکتریها در غیاب اکسیژن و با وجود ترکیباتی چون NO3- ، NO2- و یا N2O از دنیتریفیکاسیون به عنوان منبعی برای تأمین انرژی تنفسی استفاده می‌کنند (بیورز، 1976).

دنیتریفیکاسیون فرایند بیولوژیکی مهمی به شمار می‌آید.

زیرا در غیاب این فرایند نیترات به سرعت در اقیانوسها انباشته خواهد شد.

علاوه براین وقتی میزان ازت تثبیت شده در یک سال را (125 میلیون تن) با میزان ازت برگشتی به اتمسفر از طریق دنیتریفیکاسیون (93میلیون تن) مقایسه می‌کنیم باز هم مقداری ازت به عنوان مانده داریم (دلویچ،1983).

این یافته نشان می‌دهد که این میزان مازاد ازت تثبیت شده همان مقداری است که به آرامی در خاک، دریاچه‌ها و اقیانوسها انباشته می‌گردد.

ارگانیسمها و روابط همزیستی در تثبیت ازت
بیش از 2000سال قبل در نوشتجات رومیان به اثرات مفید گیاهان لگوم اشاره شده است.

نویسندگان چینی طی همان دوره درباره اثرات مفید کاربرد سرخس آبزی (آزولا) در کشت برنج مطالبی نوشته اند.

کتابی درباره تکنیکهای کشاورزی تحت عنوان « فنون تغذیه مردم»
(Child Min Tao - shu) که 540 سال پس از میلاد مسیح نوشته شده، کشت و کاربرد آزولا را در مزارع برنج توضیح می‌دهد.

اروپای غربی با کاربرد لگوم‌ها در تناوب سبب پایداری کشاورزی شده و امکان صنعتی شدن را فراهم آورد.

آقای هامفری دیوی در سال 1813 اولین فردی بود که عنوان نمود: نیتروژن ( ازت) از اتمسفر گرفته می‌شود.

او نوشت « به نظر می‌رسد که لوبیا و نخود، خاک را برای کشت گندم مساعد می‌کنند» .جی.

بی.

بوسینگالت در مطالعات تناوب زراعی خود در فرانسه، یک سری مقاله از سال 1837 تا 1842 انتشار داده ودر آنها اصول ورود ازت بوسیله لگوم‌ها را بنا نهاد.

آلبرت تیئر در سال 1856 در آلمان نوشت: « اخیراً کاشت شبدر سفید با محصول بعدی، بسیار معمول شده است.

فقط تعداد بسیار کمی از کشاورزان بی‌تفاوت و تنبل یا افرادی که سخت طرفدار نظریات خود و سنتها هستند، این عمل را انجام نمی‌دهند».

اهمیت غده‌ها در تثبیت ازت بصورت همزیستی توسط هلریژل و ویلفارت در سال 1886 توضیح داده شد.

بیجرینک در سال 1888 ارگانیسمهای تثبیت کننده N2 در لگومها را جداسازی کرده و آنها را باسیلوس رادیسکولا نام نهاد.

این باکتریها بعداً ریزوبیوم نامگذاری شدند.

جنس کلاستریدیوم که باکتری تثبیت کننده ازت غیر همزیست می‌باشد در سال 1890 توسط وینوگرادسکی جداسازی شد و ازتوباکتر که هوازی می‌باشد در سال 1901توسط بیرجینک معرفی گردید.

تا پایان این قرن، تقریباً تمام میکروارگانیسمهای تثبیت کننده ازت شناسائی شده بودند.

گروههای متنوعی از هسته دارها دارای آنزیم نیتروژناز (مسئول تثبیت N2)هستند.

این باکتریها امروزه دی‌آزوترف نامیده می‌شوند و شامل باکتریهای آلی‌پرور، باکتریهای نورپرورگوگردی وسیانوباکترها (جلبک سبز- آبی) می‌باشند.

(جدول) آلی‌پرورهای آزادزی نمونه‌ای از باکتریهای آزاد هوازی و تثبیت‌کننده ازت که از مواد آلی بعنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند ازتوباکترها می‌باشند ودر خاکهای خنثی و قلیائی یافت می‌شوند.

باکتریهای مشابه آن نظیر بیجرینکیا و در‌کسیا محدوده وسیعی از PH‌ را تحمل می‌کنند واغلب در خاکهای اسیدی مخصوصاً مناطق گرمسیری یافت می‌شوند.

تجزیه ژنتیکی نشان می‌دهد که شباهت بیجرینکیا به آزوسیپریلوم (باکتری تثبیت کننده ازت)بیشتر از ازتوباکتراست.

این ارگانیسمها، همچنین جنس کلبسیلا (تثبیت کننده ازت) درمحیطها‌ی مرطوب بر روی برگ یا در پوشش برگ (فیلوسفر) ونیز در خاک و سطح ریشه فعالیت می‌کنند.

ازتوباکتر، بیجرینکیا و ریزوبیوم برای تولید انرژی موردنیاز در تثبیت N2 ، به شرایط هوازی نیاز دارند.

معذالک در این ارگانیسمها و دیگر دی‌آزوتروفها، فعالیت آنزیم نیتروژناز درحضور O2 محدود می‌گردد.

مکانیسمهای اختصاصی برای حفاظت نیتروژناز شامل قرار‌گرفتن باکتری در داخل یاخته و احاطه شدن آن بوسیله چندین غشاء می‌باشد.

تولید مواد لزج بوسیله یاخته ها نیز یک مکانیسم حفاظتی است که در نتیجه این عمل، انتشار O2 به طرف آنزیم کاهش می‌یابد.

خصوصیت دیگر باکتریهای هوازی تثبیت کننده ازت، تنفس شدید در داخل یاخته خود باکتری است.

این عمل در ازتوباکتر به کاهش غلظت O2 در داخل باکتری کمک می‌کند.

تصور بر این است که آنزیم نیتروژناز در حضور O2 جهت سازگاری با آن، تغییر ساختمان داده ولی قادر به تثبیت ازت نخواهد بود.

این تغییر برگشت پذیر بوده ودر صورتیکه O2 به مدت طولانی داخل باکتری حضور نداشته باشد، این آنزیم به حالت تثبیت ازت برمی‌گردد .

ارگانیسمهای میکروهوازی اختیاری نظیر کلبسیلا، آزوسیپریلوم و باسیلوس در محیطهائی که نیاز به جلوگیری از O2 وجود ندارد، انرژی خود را به فرم ATP توسط مسیر اکسیداتیو تولید می‌کنند.

دی‌آزوتروفهای بی‌هوازی نظیر کلاستریدیوم و احیا کننده های سولفات شامل دسولفوویبریو و دسولفوتوماکولوم نیز از ترکیبات آلی به عنوان دهنده الکترون استفاده می‌کنند.

با وجود این، مسیر تخمیری این ارگانیسمها منجر به تشکیل موادآلی حدواسط شده و انرژی کمی برای تثبیت ازت، قابل دسترس خواهد بود.

برخی شرایط محیطی هم وجود دارند که مواد اولیه قابل دسترس در آن زیاد بوده و شرایط بی‌هوازی هم حاکم است (نظیر ماندابها) که در این حالت مقادیر قابل توجهی N2 توسط این ارگانیسمها تثبیت می‌شود.

شرایط بیهوازی، توانائی کسب انرژی از اکسیداسیون مواد اولیه را کاهش می‌دهد.

شرایط بیهوازی، همچنین رقابت استفاده از این مواد اولیه را به وسیله ارگانیسمهای دیگر نظیر باکتریها و قارچهای هوازی، کاهش می‌دهد.

مقدار ازت تثبیت شده بوسیله دی‌آزتروفهای آزادزی و ارگانیسمهای فیلوسفری، عموماً چند کیلو‌گرم در هکتار می‌باشد.

تحقیقات نشان می‌دهند که بدون استثناء در همه مکانها فرآیند تثبیت ازت، اگر چه مقدار آن کم باشد، صورت می‌گیرد.

تأثیر دی‌آزوتروفهای آزادزی وقتی قابل ملاحظه است که در مقیاس جهانی مورد نظرقرارگیرد مخصوصاً در مناظقی که چرخه ازت در داخل خاک برقرار بوده و سرعت کم رشد گیاهان، نیاز ازته آنها را کاهش می‌دهد .

نورپرورهای آزادزی دریوس در سال 1982 نشان داد که سیانوباکتری‌ها (جلبک‌های آبی ـ سبز) ازت تثبیت می‌کنند.

آنها در اکثر محیط‌های آبی حضور دارند.

آنها همچنین در سطح یا درست زیر سطح اکثرخاکها مخصوصاً در نواحی که جدیداً در معرض فرسایش بوده یا تازه از آب بیرون آمده باشند، یافت می‌شوند.

سیانوباکترها در اکثر محیطهای آبی نظیر شالیزارها و دریاچه‌های کوچک با مقادیر متوسطی از عناصر غذائی، دیده می‌شوند.

در این مکانها گاهی می‌توانند توده هائی را بوجود آورند که تولید مواد سمی بسیار قوی (مخدر اعصاب) برای جانوران می‌کنند.

آنها تنها پیش هسته‌هائی هستند که همانند گیاهان عالی مکانیسم فتوسنتزی داشته و دارای فتوسیسنم II بوده و O2 متصاعد می‌کنند ولی در محیطهای کم نور و کم اکسیژن می‌توانند زنده بمانند.

سیانوباکترهای دی‌آزوتروف آزادزی سه شکل مرفولوژیک دارند.سیانوباکترتک‌یاخته‌‌ای، گلوئوتس (قبلاً بنام گلوئوکاپسا شناخته می‌شود) ارگانیسم هوازی خاکزی و حساس به نور زیاد می‌باشد.

این باکتری، نیتروژناز خود را بوسیله مکانیسمی شبیه ازتوباکترها که در آن، آنزیم به وسیله غشاهائی پوشیده شده، از اکسیژن تولید شده طی فتوسنتز، حفاظت می‌کند.

توانائی تثبیت N2 مخصوصاً در سیانوباکترهای رشته ای که دارای یاخته های اختصاصی بنام هتروسیست هستند به فراوانی دیده می‌شود (شکل).

هتروسیستهای با دیواره ضخیم که در طول رشته از هر 15-10 یاخته بوجود می‌آیند، آنزیم نیتروژناز خود را در مقابل صدمات O2 بوسیله مکانیسم فیزیکی با ایجاد غشاهائی که انتشار گازها را کاهش می‌دهد، حفاظت می‌کند.

فقدان فتوسیستم II (سیستم فتوسنتزی تولید‌کننده O2) در هتروسیستها به حفاظت این آنزیم کمک می‌کند.

جنس نوستوک که نمونه ای از انواع رشته ای هتروسیست دار می‌باشد، بصورت پوسته ای در بسیاری از مراتع و خاکهای بیابانی دیده می‌شود.

این پوسته ممکن است به مدت طولانی خشک شده ولی در اثر بارندگی های کوتاه مدت یا شبنم صبحگاهی، مرطوب و فعال شده و تثبیت N2 انجام دهد.

این پوسته نیاز به کلسیم دارد لذا خاکهای آهکی را ترجیح می‌دهند، همچنین اغلب به فسفر معدنی اعم از کود فسفری تولید شده طی آتش سوزی، پاسخ می‌دهند.

سومین نوع مرفولوژیک شامل سیانوباکترهای رشته ای بدون هتروسیست بنام پلکتونما می‌باشد.

شالیزارها بهترین محل برای مطالعه سیانوباکترها هستند که در آنها آنابنا، گلئوتریچیا و سیتونما دیده می‌شوند.

این ارگانیسمها با کاشت دراز مدت برنج طی هزاران سال استقرار پیدا کرده اند.

تحت همچون شرایطی اندازه گیری مقدار تثبیت ازت شامل آلی‌پرورهای آزادزی و نورپرورهای آزادزی می‌باشد.

همانند تمامی اندازه گیریهای تثبیت ازت، مقدار تثبیت شده بستگی به شرایط محیطی نظیر رطوبت، عناصر قابل جذب و دوره ای که تثبیت ازت بطور مؤثر صورت می‌گیرد، دارد.

برآوردهائی از مقدار تثبیت ازت بطور متوسط 30کیلوگرم در هکتار و سال بوده و گاهی تا year -1 Kg ha -1 70دیده می‌شود.

باکتریهای نورپرور تثبیت کننده ازت به غیر از سیانوباکترها نیز وجود دارند که آبزی بوده ودر دریاها و آبهای شیرین زندگی کرده اما در آنها، H2O طی فتوسنتز به عنوان دهنده الکترون عمل نمی‌کند و O2 نیز تولید نمی‌شود.

دهنده الکترون در اینها H2S وS می‌باشند.

این ارگانیسمها اگر چه مرفولوژی متنوعی دارند (جدول) ولی در راسته سودومونادال قرارمی‌گیرند.

در آنها اغلب در حد فاصل رسوبات کف دریاچه ها و آب یافت می‌شوند، جائی که پتانسیل رداکس پائین بوده، ترکیبات گوگردی احیا شده وجود داشته و نور می‌تواند در آن نفوذ کند.

باکتریهای