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 سبز گوگردی و ارغوانی گوگردی، فتولیتوتروف بوده که با استفاده از H2S بعنوان دهنده الکترون، CO2 را در حضور نور احیا می‌کنند.

باکتریهای ارغوانی گوگردی (رودوسپیریلوم) طی عمل فتوسنتز به ترکیبات آلی بعنوان دهنده الکترون نیاز دارند و نورآلی‌پرور هستند.

این ارگانیسمها همچنین می‌توانند ترکیبات آلی را بعنوان منبع انرژی بکاربرند.

اگر چه فتوسنتز آنها بایستی در شرایط بی‌هوازی انجام گیرد ولی می‌توانند در شرایط هوازی بصورت شیمی آلی‌پرور عمل کنند.

اهمیت آنها در تثبیت ازت وقتی قابل ملاحظه می‌گردد که بصورت توده متراکم رشد کنند.

دی‌آزوتروفهای همیار گندمیان سطح گیاهان منبعی از کربن، رطوبت و مکانی نسبتاً محفوظ برای رشد و توسعه انواع دی‌آزوتروفهای آزادزی است.

سطح برگ (فیلوسفر) حاوی آلی‌پرورهای میکروهوازی وهوازی و همچنین سیانوباکترهاست.

معمولی‌ترین انواع جدا شده در مناطق معتدله‌ گونه‌های کلبسیلا هستند؛ ازتوباکتر و بیجرینکیا در گیاهان گرمسیری مخصوصاً محیطهای مرطوب معمول هستند.

ناحیه ریشه (ریزوسفر) از سالیان بسیار قبل، محل فعالی برای ورود N2 نشان داده شده است.

دابرینر موقعی به اهمیت این همیاری پی برد که رشد فراوان و جذب زیاد ازت را در گیاه گراس برزیلی C4 بنام پاسپالوم نوتاتوم که ازتوباکتر پاسپالی بصورت همیار با آن زندگی می‌کرد‌، مشاهده کرد (دابرینر و دی 1975).

تحقیقات بعدی منجر به کشف باکتری اسپریل دی‌آزوتروف که در حال حاضر آزوسپیریلوم نامیده می‌شود، گردید.

دو گونه از آزوسپیریلوم بصورت همیار با تعداد وسیعی از گیاهان میزبان نظیر اسپارتینا، نیشکر، سورگوم، برنج، ذرت، ارزن و گندم زندگی می‌کنند.

دی‌آزوتروفها در فراگرد ریشه درست در سطح ریشه (شکل) زندگی کرده یا وارد پوست می‌شوند.

مقدار تثبیت ازت در گیاهان گرامینه مناطق مرتفع از مقادیر بسیار کم تاKg 20 در هکتار ودر سال متفاوت است، احتمالاً در برنج باید بیش از این مقدار باشد.

این دی‌آزوتروفها همچنین تولید هورمونهای رشد کرده که ممکن است رشد ریشه را تحت تأثیر قرار دهند.

قسمتی از تأثیر آنها در رشد گیاه ممکن است مربوط به مکانیسم‌های دیگر به غیر از تثبیت ازت باشد.

برخی تغییرات در تثبیت ازت آنها تحت شرایط هوازی ممکن است مربوط به قارچهای قارچریشه وزیکولار – آربوسکولار نظیر گلوموس باشد که در استفاده از کربن گیاهی با آزوسپیریلوم دی‌آزوتروف رقابت می‌کنند.

نشان داده شده است که تثبیت ازت در گیاهانی که شدیداً با گلوموس آلوده شده‌اند، کاهش می‌یابد.

مقدار زیاد فسفر در خاک که برای قارچریشه ها بازدارنده است، ممکن است تثبیت ازت بصورت همیاری را افزایش دهد.

لگومها لگومها گروهی از گیاهان که شامل 700جنس مختلف با 14000گونه می‌باشند.

وجود غده وتثبیت ازت در بسیاری از آنها مخصوصاً انواع موجود در جنگلهای گرمسیری تعیین نشده است.صدنوع گیاه لگوم بااهمیت ازنظر کشاورزی که سطح زیرکشت آنهاحدود106*250 هکتار می‌باشد، قسمت عمده‌ای از تثبیت بیولوژیک ازت را بعهده دارند(جدول).

مقدار تخمینی در جدول که حدودkg / ha 140 در سال می‌باشد، نشان می‌دهد که این مقدار، بسیار بالاتر از مقدار متوسط است.

اگر چه برخی از مزارع لگوم در نیوزیلند می‌توانند kg /ha 800 در سال ازت تثبیت کنند ولی اکثر لگومها در مناطق خشک رشد می‌کنند که مقدار تثبیت ازت در آنها کم است.

بعلاوه قسمت وسیعی از مزارع لگوم در اروپا امروزه کود ازته دریافت می‌کنند.

همچنین لگومهای دانه ای (حبوبات) نظیر نخود، لوبیا وسویا نسبت به لگومهای علوفه ای نظیر یونجه، مقدار بسیار کمی ازت تثبیت می‌کنند.

حبوبات حداقل 50 درصد از ازت مورد نیاز خود را از خاک می‌گیرند.

دی‌آزوتروفهائی که با لگومهای مهم از نظر کشاورزی، ایجاد همزیستی می‌کنند در جدول نشان داده شده است.

دو گونه برادی‌ریزوبیوم لوپینی و برادی‌ریزوبیوم ژاپونیکم که کُند رشد می‌باشند در رده ای قرار می‌گیرند که گروه لوبیا چشم بلبلی قرار دارد.

این گروه بی‌قاعده متشکل از باکتریهائی است که تعداد وسیعی از میزبانها را آلوده می‌کنند.

تولید اسید از کربوهیدراتها و خصوصیات دیگر نظیر سرعت رشد، متمایز کننده انواع تند رشد از کُند رشد می‌باشد.

طبقه بندی باکتریهای همزیست لگومها امروزه در حال تغییر است.

خصوصیات شناسائی نظیر سرولوژی، DNA ، همولوژی و قرار دادن ارکرهای ژنتیکی برروی ژنهای کروموزمی امروزه برای طبقه بندی نژادهای باکتریهائی که در جدول (زیر) آورده شده اند، بکار می‌روند.

در این جدول همه انواع ریزوبیوم نظیر آنهائی که بر روی درختان مناطق حاره ای هستند، آورده نشده اند واز جنبه ژنتیکی نیز باکتریهای این جدول، بهترین نمونه نمی‌باشند.

با این حال، طبقه بندی برای اهدافی نظیر تولید مایه مفید خواهدبود.

یک گیاه بوته ای غیرلگوم بنام پاراسپونیا (قبلاً بعنوان Trema شناخته می‌شد) از خانواده اولماسه با انواع مؤثر برادی‌ریزوبیوم تشکیل غده می‌دهد.

از این، چنین برمی‌آید که امکان همزیستی بین یک دی‌آزوتروف فعال ودیگر میزبانهای گیاهی وجود دارد.

همزیستی‌های جالب دیگری نیز شناخته شده اند.

نیترات خاک، تشکیل غده و فعالیت نیتروژناز را محدود می‌کند.

واریته‌هائی از نخود و سویا شناسائی شده اند که فاقد نیترات رداکتاز هستند.

اینها قادرند در حضور نیترات، تثبیت ازت انجام دهند.

با این حال، همچون میزبانهائی معمولاً ظرفیت رشد کمتری دارند.

گیاه لگوم دیگر، سسبانیاروستراتا، توانائی تشکیل غده در ساقه وریشه دارد.

این توانائی، به گیاه امکان می‌دهد که در شرایط خیس (اشباع) جائی که غده‌های ریشه ای نمی‌توانند توسعه یابند، تثبیت ازت انجام دهد.

بعلاوه، غده های روی ساقه ظاهراً توانائی تثبیت ازت را حتی در صورتیکه ریشه‌ها از خاک نیترات جذب کنند، دارند.

این باکتریها را تحت عنوان آزوریزوبیوم معرفی کرده‌اند.

امید می‌رود روشهای بیوتکنولوژی، همزیستی‌های جدید گیاه ـ میکروب بوجود آورند که توانائی‌های زیادی برای تثبیت ازت در حضور ازت معدنی خاک ودر محدوده وسیعی از شرایط محیطی، داشته باشند.

حبوبات نظیر نخودها، لوبیای خشک و سویا که در حال حاضر پتانسیل کافی برای تثبیت ازت ندارند نیز بایستی اصلاح شوند.

همزیستی های اکتینوریزی اکتینومیست فرانکیا در همزیستی با 170گونه گیاهی متعلق به 17 جنس، 8 خانواده و 7 راسته، تشکیل غده می‌دهد (جدول).

این گیاهان شامل درختان و بوته های چوبی چند ساله بوده و گسترش جهانی داشته و همانطوریکه لگومها در کشاورزی اهمیت دارند، اینها نیز در جنگلها و زمینهای بایر اهمیت دارند.

شناخته شده‌ترین همزیستی فرانکیا با درختان توسکا می‌باشد که غده های تیپ – آلنوس تشکیل می‌دهد.

این نوع غده بصورت مرجانی شکل با انشعابات دو شاخه ای می‌باشد (شکل).

این غده ها صورتی رنگ هستند، اما این رنگ همانند غده های ریزوبیوم ناشی از پروتئین کنترل کننده اکسیژن (لگ هموگلوبین) نمی‌باشد، بلکه مربوط به رنگدانه آنتوسیانین است.

اشکال عمده دیگر غده که بوسیله فرانکیا ایجاد می‌شود، غده های تیپ مایریکا – کازوآرینا می‌باشند.

در این نوع، انتهای هر غده یک ریشه بالارونده تولید می‌کند بطوریکه توده غده توسط ریشه های بالارونده پوشیده می‌شوند (شکل).

رشد روبه بالا، حرکت گازها را از اتمسفر بطرف اکتینومیست تثبیت کننده ازت در خاکهای کم اکسیژن با رطوبت زیاد که این گیاهان اغلب با آن مواجه هستند، تسهیل می‌کند.

همزیستی‌های تثبیت کننده ازت در اکتینومیستها در اکثر مناطق از سردسیری و گرمسیری گرفته تا بیابانی و جنگلهای پرباران وجود دارند.

بر این اساس برآوردهائی که از میزان تثبیت ازت این همزیستی ها بعمل آمده از 2 تا300کیلوگرم در هکتار و سال، متفاوت است (جدول زیر).

کازوآرینا یک گونه چوبی بوده و سازگاری خاصی به مناطق گرمسیری داشته ودر مناطق گرمسیری، چوب آن بعنوان منبع مهم سوخت به شمار می‌رود.

مایریکا که معمولاً در محیط های باتلاق مانند یافت می‌‌شود، در مناطق ساحلی، شیبهای فرسایش یافته و معادن بهره‌برداری شده در سواحل شرقی آمریکای شمالی نیز دیده می‌شود.

توسکاها از حالت بوته‌ای تا درختان بزرگ دیده می‌شوند.

آنها تمایل به رشد در کنار جویبارها یا مناطق پرباران نظیر شمال غرب اقیانوس آرام در ایالات متحده دارند وتا 300کیلوگرم ازت در هکتار و در سال تثبیت می‌کنند.

خاکهائیکه توسکا در آن رشد می‌کند از ماده آلی غنی بوده ودر برخی از مواقع سال مقادیر زیاد نیترات تولید می‌شود.

تثبیت ازت در توسکا همانند مزارع پرمحصول لگومها منجر به افزایش اسیدیته خاک می‌شود.

این اسیدیته فقط اثر غیرمستقیم فرآیند تثبیت ازت است که بدنبال معدنی شدن ازت صورت می‌گیرد.

بنابراین خاکهائیکه در آن توسکا رشد می‌کند، زمینه مساعدی برای مطالعه اثرات اسیدیته نظیر اسیدیته ایجاد شده بوسیله بارانهای اسیدی می‌باشند.

خاکهای کشاورزی که در آن تثبیت N2 صورت می‌گیرد در صورتیکه خاصیت بافری زیاد نداشته باشند نیاز به اصلاح PH با آهک دارند.

گیاهان بوته‌ای شفردیا و الیگنوس (بید) در شمال آمریکا به خوبی شناخته شده‌اند.

این گیاهان همچنین بطور فراوان در مناطقی که استقرار مجدد پوشش گیاهی بطور فعال صورت می‌گیرد، وجود دارند.

همچون مناطقی را می‌توان در خاکهائیکه بتازگی از زیر یخچالها در آلاسکا بیرون آمده‌اند و نیز مناطق معدنی بهره‌برداری شده، پیدا کرد.

مراتع کنونی شمال آمریکا تراکم زیادی از گیاهان لگوم را ندارند.

احتمال دارد که این بوته‌های اکتینوریزی در گذشته نقش عمده‌ای در تجمع مقادیر زیاد ازت که در حال حاضر در این خاکها وجود دارد، داشته باشند.

سه جنس از صد جنس موجود در خانواده روزاسه توانائی تشکیل غده را دارند.

اینها شامل درایاس، پورشیا و سرکوکارپوس می‌باشند.

درایاس یک گیاه کند رشد بوته‌ای غده دار از آلاسکا و مرز اروپا و آسیا است در حالیکه پورشیاتری‌دنتا یک گیاه مهم علوفه‌ای برای دام بوده و در نواحی خشک غرب آمریکا وجود دارد.

سینوتوس یک گیاه بوته‌ای تثبیت کننده N2 که بلوط کوتاه نامیده می‌شود در مراتع تیپ مدیترانه‌ای و جنگلهای مخلوط غرب آمریکا گسترش دارد.

این گیاه می‌تواند مقدار قابل توجهی ازت به خاک اضافه‌کند، همچنین در مصرف آب قابل استفاده، با درختان تازه کشت شده قابل می‌کند.

همزیستی های نورپروری همزیستی جلبک با قارچ منجر به تشکیل گلسنک می‌گردد.

روابط همزیستی از روی ماهیت تاکسونومی، تشخیص داده می‌شوند.

گلسنگهائی که ازت تثبیت می‌کنند دارای سیانوباکتر بعنوان همزیست فتوسنتزکننده (فیکوبیونت) هستند.

سیانوباکتر ظاهراً تحت حفاظت فیزیکی قارچ بوده و از آن عناصر معدنی دریافت می‌کند در حالیکه قارچ (مایکوبیونت) کربن و اغلب ازت خود را از فیکوبیونت دریافت می‌دارد.

گلسنگهائی که تثبیت کننده ازت هستند در جدول (زیر) نشان داده می‌شوند.

رشد سالانه بسیاری از گلسنگها حدود یک میلی متر است.

برخی از تند رشدها نظیر پلتیژرا دارای رشد cm 3- 2 در سال هستند.

پلتیژرا گسترش وسیعی داشته ودر نواحی سردسیری، جائی که دیگر منابع ورود ازت کم می‌باشد، اهمیت خاصی دارد.

اثرگلسنگهای تولید کننده اسید بر روی هوازدگی اولیه سنگها و برقراری پوشش گیاهی بر روی سطوح تازه فرسایش یافته نیز قابل توجه است.

آزولا، سرخس آبهای شیرین بوده که در سطح آبهای ساکن نظیر شالیزارها یا گودالهای زهکش شناور می باشد و گسترش جهانی دارد.

در مناطق گرمسیری فراوان بوده ودر صورتیکه بوسیله باد تخریب نشود بصورت پوشش ضخیمی سطح آب را فرا می‌گیرد.

چهار گونه میزبان گیاهی شناسائی شده‌اند که دارای سیانوباکتری هتروسیست دار (آنابنا) بوده و می‌تواند نیاز ازته آزولا را که زیاد می باشد تأمین کند.

رشته‌های آنابنا در حفره‌ای که پشت سطح ساقه منشعب و شناور قرار دارد، جای می‌گیرد (شکل).

فرآیند تثبیت ازت مقدار زیادی آهن و فسفر محلول در آب نیاز دارد.

ریشه های آزولا به ندرت به رسوبات ته آب می‌رسند.

کمپلکس آزولا- آنابنا همچنین بوسیله تعدادی از بی مهرگان خورده می‌شود وبرای رسیدن به میزان اپتیمم تثبیت ازت بایستی این شکارگرها کنترل شوند.

در یک دوره کاشت برنج مقدار kg 100 بر هکتار ازت تثبیت می‌شود و طی 222 روز دوره رشد حدود kg 330 بر هکتار گزارش شده‌است.

آنابنا، 50 درصد ازت تثبیت شده بصورت NH4+ محلول آزاد می‌کند.

آزولا هم می‌تواند به همراه برنج بعنوان یک پوشش یا بعنوان یک محصول کود سبز در مواقعی که مزرعه فاقد گیاه برنج است، رشد کند.

تقریباً در 40 درصد از مزارع برنج ویتنام شمالی یکی از این دو سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرد (شکل).

محصول برنج بدون آزولا (شاهد) 3 /1 تن بود.

وقتی آزولا بعنوان کود سبز بکار رفت، محصول دو برابر شد.

در مزرعه‌ای که آزولا قبلاً بصورت کود سبز داده شده بود و به همراه برنج نیز بعنوان پوشش بکار رفت، محصول سه برابر شاهد گردید.

مشکل عمده آزولا، زحمت زیاد آن می‌باشد.

آزولا بایستی تکثیر، حمل و نقل و به حالت رویشی در انبار نگهداری شود.

تحقیقات زیادی بر روی مکانیسمهای مایه‌زنی، تأمین فسفر و آهن در آب، کنترل آفات و مکانیسمهای آغاز تشکیل اسپور، موردنیاز است.

سیانوباکتر نوستوک وقتی با گیاه دولپه‌ای گونرا همزیستی ایجاد می‌کند بصورت آلی‌پرور درمی‌آید.

در این مورد، سازگاری مرفولوژیکی ساقه مطرح است که مورد حمله نوستوک قرار گرفته تا اندامی به نام غده یا گره تولید کند.

جنس گونرا شامل گیاهان علفی تا بوته های قوی و بلند به ارتفاع m 5/1 می‌باشد.

این گیاهان در محیطهای مرطوب در جنوب آمریکا، نیوزیلند، آسیای جنوب شرقی و آفریقا زنگی می‌کنند.

نوستوک درداخل غده نسبت به حالت آزاد، هتروسیست بیشتری دارد.

تثبیت ازت بوسیله نوستوک در فقدان 14CO 2 ، نشان دهنده این است که در این همزیستی بصورت آلی پرور می‌باشد.

تثبیت ازت در این حالت kg/ha72–10 در سال برآورد شده است.

عامل ژنتیکی کنترل کننده در هرگونه یا هرنوع از همزیستی، احیای N2 به صورت آمونیاک (تثبیت ازت) به وسیله مجموعه آنزیم نیتروژناز تنظیم می‌شود.

تولیدنیتروژناز به وسیله ژن nif کنترل می‌گردد که در روی یک کروموزوم و در مجاورت با ژن his واقع شده است.

ژن his خود سنتز اسید آمینه هیستیدین را کنترل می‌کند (دیکسون و پوست‌گیت، 1972).

عصاره خالص آنزیم نیتژناز به تنهایی قادر به تثبیت ازت نمی‌باشد، لذا تصور می‌شود که تعداد بیشتری از ژن‌های موجود زنده تثبیت‌کننده ازت و میزبان در جریان تثبیت ازت دخالت داشته باشند.

به وسیله شانمگان (1978) نشان داده شده که یک ژن موسوم به gin سنتز اسیدآمینه گلوتامین را کنترل می‌کند و این ژن اجازه می‌دهد که در سنتز گلوتامین به جای گلوتامات مستقیماً از NH4 استفاده شود.

آمونیاک معمولاً در برابر بروز اثر ژن nif اثر بازدارندگی دارد، ولی بعضی از نژادهای جهش یافته ریزوبیوم که دارای توانایی بازدارندگی بودند، شناسایی شده‌اند، این نژادها می‌توانند اثر ژن nif را با وجود حضور NH3 بروز دهند.

کشف این حیقت که ژن nif با موفقیت از Klebsiella pneumoniae که یک باکتری تثبیت‌کننده ازت است به باکتری Escheiichia coli انتقال می‌یابد و اشرشیا نیز توانایی تثبیت ازت پیدا می‌کند، تایید دیگری بر وجود این ژن nif می‌باشد.

نژادهایی از باکتری شناخته شده‌اند که در تثبیت ازت غیرموثر می‌باشند (بریل، 1974).

معلوم شده که غیرموثر بودن نژادهای R.trifolii روی شبدر قرمز در نتیجه دو ژن می‌باشد (ناتمن، 1968).

غیرموثربودن ارقام شبدر قرمز به عنوان میزبان نیز بوسیله 4 ژن کنترل می‌شود.

عدم تشکیل گره در بعضی از لاین‌های سویا نیز در نتیجه عمل یک ژن واحد بوده است (کالدول و همکاران، 1966).

عوامل اساسی و متعددی درعمل تثبیت ازت شناخته شده‌اند که همگی تحت کنترل ژنتیکی بوده و در تمام موجودات زنده تثبیت‌کننده مشترک می‌باشند (لونز، 1974).

مجموعه آنزیم نیتروژنتز این آنزیم شامل دو نوع پروتئین می‌باشد، کوچکترین پروتئین یک پروتئین آهن‌دار بوده و دارای وزن مولکولی 7000-5000 است و بزرگترین پروتئین یک پروتئین آهن و مولیبدن‌دار است که وزن مولکولی آن 22000 و 20000 می باشد (ونیتر و بوریس، 1976).

هر دو پروتئین حاوی اسید آمینه‌های گودگردی هستند.

(شکل) عقیده بر این است که ازت برای احیاشدن به صورت آمونیاک، ابتدا با پروتئین آهن و مولیبدن‌دار، پیوند ایجاد کرده و MgATP به پرتئین آهن‌دار اتصال می‌یابند.

آنزیم نیتروژناز به صورت خالص جدا شده است (کارنهام و همکاران، 1960).

این آنزیم درخارج بدون برآورده‌شدن احتیاجات اختصاصی آن، قادر به تثبیت N2 نمی‌باشد.

هردو ترکیب پروتئینی آنزیم نیتروژناز به وسیله اکسیژن (O2) غیرفعال می‌شوند.

بنابراین میزان O2 در مجاورت نیتروژناز بایستی دقیقاً تنظیم شود (آلبرشت و گزکین، 1982) احیاکننده‌ها: تبدیل N2 به N4+ یک جریان احیایی می‌باشد که نیازمند الکترون است.

عقیده بر این استن که دهنده‌های الکترون یعنی نوکلئوتیدهای پیریدین (NADPH, ATP) از طریق فری‌داکسین یا فلاوداکسین احیا می‌شوند (بنهام و والنتین، 1972).

معلوم شده است که باکتری C.pasteurianum به مقدار زیاد از پیروات جهت تولید الکترون به منظور احیای فری‌داکسین استفاده می‌کند و به ازای هر مولکول پیروات 2e- تولید می‌کند (مورتنسون، 1964).

در سیستم‌های بدون سلول Na2S2O42، مستقیماً به عنوان دهنده الکترون مورد استفاده قرار می‌گیرد.

لگ هموگلوبین (در غده‌های بقولات): لگ‌هموگلوبین فقط در بافت‌های غده‌دار بقولات وجود دارد و در سایر سیستم‌های تثبیت‌کننده ازت دیده نمی‌شود.

والنتین و همکاران (1974)، به دنبال مطالعات وسیع خود این رنگدانه را قارچ‌ها و مخمرها شناسایی کرده، ولی در سایر گیاهان عالی (به جز بقولات)‌ وجود نداشتند.

در ابتدا تصور می‌شد که لگ‌هموگلوبین دردرون بافت‌های غده‌ها قرار دارد (برگرسون، 1971).

سلول‌های میزبان حاوی باکتریوئید، از سایر سلول‌های آلوده نشده بزرگتر هستند.

فعالیت نیتژناز و تثبیت ازت در بقولات به مقدار زیاد با محتوی لگ‌هموگلوبین آنها (در حالت قرمز یا صورتی‌رنگ) در ارتباط است.

زرد یا قهوه‌ای شدن نشان‌دهنده پیری یا ازکارافتادن باکتریوئیدهاست که معمولاً در اثر شرایط نامناسب بروز می‌کند.

رنگ سبز یا سفید گره‌ها غیرموثر بودن فعالیت نیتروژناز را آشکار می‌سازد.

اهمیت فیزیولوژیکی رنگدانه لگ‌هموگلوبین به طور کامل درک نشده است، ولی احتمالاً در عمل انتقال اکسیژن (O2) برای انجام تنفس در غده‌ها وتولید ATP، مورد نیاز می‌باشد و می‌توان گفت مشاهده تعداد، اندازه و رنگ غده‌ها نشانه‌ای از وضعیت تثبیت ازت در بقولات است.

ATP: این نوکلوتید پیریدینی دارای اهمیت بسیار زیادی می‌باشد، زیرا هیچ ترکیب دیگری قادر نیست که جانشین آن گردد، ولی در واقع کاتالیزور جنبی MgATP در عمل دخالت دارد.

به نظر می‌رسد که برای تبدیل 1 مول N2 به NH4+ و سپس به اسید گلوتامین (اسید آمینه) در حدود 20 تا 30 مول ATP مورد نیاز می‌باشد (شکل).

سایر اسیدهای آمینه بعداً در طی واکنش‌های ترانس آمیناسیون از اسیدآمینه گلوتامین ساخته می‌شود.

رویهم 6 الکترون برای تبدیل یک مول N2 به 2NH3 مورد نیاز است.

شدت فتوسنتز بالا و یا منبع کربن دیگری جهت اکسیداسیون مواد و ATP حاصل از تنفس لازم است.

حفاظت از اکسیژن (O2): اگرچه تشکیل غده در بقولات و اغلب موجودات زنده تثبیت‌کننده ازت به O2 نیازمند است.

این گاز بر روی فعالیت آنزیم نیتروژناز اثر بازدارنده دارد (باند، 1951).

اکسیژن به طور مشخصی از اتصالات و پیوند بین N2 و پروتئین آهن و مولیبدن‌دار و پیوند MgATP و پروتئین آهن‌دار ممانعت می‌کند (آلبرشت و گزکین، 1982).

در بعضی از موجودات تثبیت‌کننده ازت، ملاحظه شده است که تثبیت ازت در پتانسیل‌های پایین O2 (8/0-2/0 اتمسفر) بهتر ده است، در حالی که حضور O2 در مورد باکتری C.Pasteurianum به طور کامل بروز اثر ژن nif را متوقف می‌کند.

در کنار O2 مواد دیگری چون H2, CO, NO نیز بر روی فعالیت آنزیم نیتروژناز اثر بازدارندگی دارند (لونر، 1974).

سطوح اکسیژن حتی در محیط مجاور، بر روی فعالیت نینروژناز تاثیر گذاشته و عقیده بر این است که پوشش اطراف باکتریوئیدها به حفاظت آنها از تاثیر O2 کمک می‌رساند.