باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن



مقاله:

باکتریهای تثبیت کننده نیروژن

فهرست:
تثبیت نیتروژن
رده بندی باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن
دید کلی
عوامل موثر در تثبیت نیتروژن
اهمیت نیتروژن
روز پایان جهان
تثبیت نیتروژن به کمک کاتالیزور
شرایط تثبیت نیتروژن
تولیدکنندگان غیر صنعتی نیتروژن تثبیت شده
آشنایی با باکتری ازتوباکتر
نقش ازتوباکتر برای خارج نمودن عناصر سنگین:
آفت کشها باعث توقف تولید نیتروژن در گیاهان تثبیت کننده نیتروژن می گردند. ش
منبع

منابع:

www.roshd.com

www.keshavarzymagazin.com

تثبیت نیتروژن
تثبیت نیتروژن که بصورت تبدیل نیتروژن اتمسفر به آمونیوم است پدیده اساسی نیتروژن قابل استفاده برای بیوسفر است که تنها بعضی از پروکاریوت ها این توانایی را دارند در این میان بسیاری از باکتری های خاک که ریزوبیوم نامیده می شود که می توانند با گیاهان همزیستی شکل دهند این کار را انجام می دهند که باعث تشکیل غدّه در گیاه می شوند.این همزیستی اهمّیّت زیاد محیطی و کشاورزی دارند و مسئول اکثر عملیات بیولوژیکی تثبیت نیتروژن برروی زمین هستند. ریزوبیوم ها گوناگون اند و در طول چند سال اخیر تغییرات مهمّی را متحمّل شده اند در نتیجه داده های فنویتپی و ژنویتپی جدیدی بوجود آورده اند که منجر به تعریفیک رده جدید شده است که این یک پیشرفت زمینه ایی است که باعث مشخص شدن ویژگی های ریزوبیوم ها می شود.تا اوایل سال 1980 همه باکتری های تثبیت کننده نیتروژن همزیست با گیاهان در تنها جنس ریزوبیوم طبقه بندی می شوند که شامل شش گونه بود.

رده بندی باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن
این رده بندی بر اساس مفهوم گروههای تلقیح دورگه بود که به دلیل بسیاری از استثناعات رد شد.
رده بندی چند فازه:رده بندی روابط طبیعی بین موجودات زنده
رده بندی شامل:
1)طبقه بندی بر اساس شباهت ها
2)خصوصیّات موجود زنده
3)فهرست اسامی و اصطلاحات برای دادن نام ها به گروه ها
4)تعیین موجودات ناشناخته برای طبقه بندی
رده بندی ریزوبیوم ها:باکتری های میله ای گرم منفی و بی هوازی هستند متعلّق به زیر شاخه پروباکتریا.
ابتدا به دو جنس طبقه بندی شد ولی پس از جدایی ریزوبیوم ها با رده بندی چند فازه مدرن به گونه و جنس های جدید تقسیم شدند که بر اساس توالی های s16 ریبوزومی DNA سه شاخه جداگانه اصلی بوجود آمد.
1-ریزوبیوم شاخه آگروباکتریوم:
اولین شاخه شامل چندین زیر شاخه است هر کدام با چهار جنس ریزوبیومی مطابقت دارد که با دیگر گونه ها مخلوط می شوند مثل بعضی باکتری های خاک-بالینی.
2-آزوریبوروم:برای جداسازی ریزوبیوم از گره ساقه گیاهان گرمسیری بوجود آمده اند که این باکتری ها برای نشان دادن تعداد زیادی از ترتیب های ویژه از میان ریزوبیوم ها ظاهر می شوند.
گونه های این جنس بسیار مخلوط هستند که ترکیب آن ها در یک جنس آزمایش شده بود امّا به خاطر تفاوت های بسیار در ترکیب های فنویتپی پیشنهاد شده اند.
3-برادی ریزوبیوم:شامل همه ریزوبیوم های کند رشد هستند که دارای یک گونه است و این گروه هتروژنوس است.
در سال 1982 ریزوبیوم ها دارای 1 جنس و 8 گونه ولی امروزه 6 جنس و 28 گونه شناخته شده است.
این پیشرفت دایمی نتیجه افزایش تعداد تکنیک های موثر در دسترس در مشخص کردن ویژگی های باکتری ها به وسیله افزایش تعداد آزمایشگاه های در دسترس است.
دید کلی

لایه های اتم نیتروژن
79 درصد از هوای پیرامون ما را نیتروژن تشکیل می دهد. این عنصر ، برای ایجاد آمینو اسیدها و پروتئین ها عنصری ضروری است. نیتروژن به عنوان یکی از گازهای تشکیل دهنده جو ، خنثی است و بیشتر از آن که این گاز در دسترس گیاهان یا گونه های حیوانات قرار گیرد، باید به صورت ترکیبی شیمیایی تثبیت شود.
عوامل موثر در تثبیت نیتروژن
نیتروژن در طبیعت می تواند به کمک تابش کیهانی ، از بقایای شهاب سنگها ، یا بر اثر انرژی فراوان آذرخش که برای اتصال سریع مولکولها ضرورت دارد، با اکسیژن یا هیدروژن آب ترکیب شود. بعضی موجودات زنده دریایی و تعدادی از میکرو ارگانیسمها از لحاظ توانایی تثبیت نیتروژن آزاد ، استثنایی هستند و بسیاری از گیاهان خانواده نخود ، بر روی ریشه های خود واجد گروههایی هستند که میکرو ارگانیسمهایی از جنس ریزوبیوم در آنها قرار دارد. ریزوبیوم ، ترکیبات نیتروژن دار محرک رشد را برای گیاهان سبز فراهم می آورد.
اهمیت نیتروژن
نیتروژن شالوده نیترو سلولز (Nitrocelluose) ، جسم پنبه ای که از تاثیر اسید سولفوریک و اسید نیتریک بر سلولز حاصل می شود و در تهیه مواد منفجره ، کلوئیدها و پلاستیکها بکار می رود، نیترو گلیسرین (Nitroglocerine) ، مایع زرد کم رنگی که بر اثر ضربه یا تماس ناگهانی منفجر می شود و در تهیه دینامیت و ژلاتین انفجاری بکار می رود و در پزشکی از آن به عنوان عامل باز کننده رگها استفاده می شود ، تری نیترو تولوئن (TNT یا Tri nitro toluene) ، ترکیب متلبور زرد کم رنگی که به عنوان ماده منفجره به کار می رود را تشکیل می دهد.
روز پایان جهان
در پایان قرن نوزدهم ، سر ویلیام کروکز ، شیمیدان بریتانیایی ، تصویری از روز پایان جهان ترسیم کرد که در آن ، به دلیل فقدان نیتروژن تثبیت شده ، تولید مواد غذایی مقدور نبود. این موضوع مربوط به دورانی بود که ذخایر نیتروژن شیلی ، به عنوان منبع اصلی کودهای شیمیایی و مواد منفجره به مصرف رسید و تمام شد. این ذخایر که از فضولات تعداد کثیری پرندگان دریایی آن قسمت از جهان بوجود آمده است، به شدت مورد بهره برداری قرار گرفت و کروکز پیش بینی می کرد که با تلاشهایی که برای تغذیه جمعیت رو به افزایش کشورهای صنعتی به عمل می آید، ذخایر نیترات آلی شیلی تمام خواهد شد.
تثبیت نیتروژن به کمک کاتالیزور
در اوایل قرن بیستم ، دو شیمی فیزیکدان آلمانی ، "فریتز هابر" (Fritz Haber) و "کارل بوش" (Karl Bosch) ، فرایند تثبیت نیتروژن به کمک کاتالیزور را ابداع کردند. در روش اصلی ابداعی این دانشمندان ، نیتروژن و هیدروژن جو از محیطی با 900 درجه فارینهایت (500 درجه سانتی گراد) و فشار چند صد اتمسفر در مجاورت کاتالیزور نیکل ، عبور داده شده ، به آمونیاک تبدیل می شد.
در کارخانه های بسیار پیشرفته امروزی ، هیدروژن که پایه اصلی این واکنش را تشکیل می دهد، از گاز طبیعی متان بدست می آید. متان و بخار آب ، گازی را به وجود می آورند که از لحاظ هیدروژن ، غنی است. آنگاه نیتروژن جو ، مورد استفاده واقع می شود و اکسیژن همراه آن ، بر اثر احتراق جزئی متان به منو اکسید کربن تبدیل و سپس منواکسید کربن در معرض بخار آب قرار می گیرد و به دی اکسید کربن تغییر می یابد. ماده اخیر در فرایند جانبی تبدیل آمونیاک به اوره ، با فرمول CO(NH2)2 ، بکار گرفته می شود.
باقیمانده منواکسید کربن به متان تبدیل می شود. سپس نیتروژن و هیدروژن در دما و فشار زیاد و در مجاورت کاتالیزوری که از یک اکسید فلزی تشکیل یافته است، آمونیاک تشکیل می دهد و آمونیاک بر اثر واکنش با اکسیژن ، اسید نیتریک تولید می کند. اسید نیتریک حاصل ، بر اثر ترکیب با آمونیاک ، نیترات آمونیم بوجود می آورد. ماده اخیر به عنوان کود ، مصرف فراوانی دارد. از طرف دیگر ، موجود ذره بینی مستقر در گروگیا و نخودی ، همه عملیات اخیر را برای گیاه انجام می دهد و نیترات آمونیم در اختیار آن قرار می دهد.
باکتری تثبیت کننده نیتروژن ، به کمک آنزیمی به نام نیتروژناز (Nitrogenase) ، کاری را که از دیدگاه مهندسی شیمی مستلزم وجود گرمای صد درجه و هزاران پوند فشار است، می تواند در دما و فشار معمولی انجام دهد.
شرایط تثبیت نیتروژن

ساختمان اتم نیتروژن و تعداد پروتون و نوترون
تثبیت نیتروژن مستلزم سرمایه گذاری در زمینه انرژی است. ابتدا هر مولکول نیتروژن باید متلاشی و به دو اتم نیتروژن تبدیل شود و با شش اتم هیدروژن دو مولکول آمونیاک (NH3) را بوجود می آورد. برای انجام این دو عمل اخیر ، 147 کیلوکالری انرژی خالص ضروری است که از نظر صنعتی به معنی مصرف 6000 کیلوکالری انرژی به ازای تثبیت هر کیلوگرم نیتروژن است.
آزمایشهای انجام شده بر روی محصولات کشاورزی ، نشان می دهد که افزایش محصول به کمک مصرف هر کیلوگرم کود نیتروژن دار ، معادل همان مقدار کالری مصرف شده برای تهیه کود ، کالری غذا را افزایش می دهد.
تولیدکنندگان غیر صنعتی نیتروژن تثبیت شده
تولیدکنندگان عمده غیر صنعتی نیتروژن تثبیت شده ، نخودیان یا گیاهان بنشنی هستند که عبارتند از باقلا ، لوبیای روغنی و یونجه. چنین گیاهانی با باکتریهای مستقر در گره های ریشه خود مشارکت کرده اند. تثبیت نیتروژن به طریق همزیستی و مشارکت از نوع یاد شده ، به عناصر کمیاب از قبیل مولیبدن یا کبالت ( که تقریبا همان نقش کاتالیزور فلزی اکسیده در تولید صنعتی را به عهده دارند ) نیاز ویژه دارد. در ترکیب آنزیم نیتروژناز علاوه بر باکتریهای همزیست ، باکتریهای مستقلی نظیر آزتو باکتر (Azeto bacter) هم وجود دارند که نیتروژن تثبت شده را در اختیار چمنزارها قرار می دهد. در محیط آبزیان ، کار تثبیت نیتروژن توسط جلبک سبز- آبی انجام می شود.
آشنایی با باکتری ازتوباکتر
باکتری ها در همه جا موجودند و تقریباٌ به خاطر پایداریشان در رایزوسفردر تمام خاک ها به نماتد ها آسیب می رسانند. باکتری هایی مثل pasteuria penetranنماتدها را بارفتار انگلی اش ازبین می برد.درحالیکه رایزوباکترهای غیر پارازیت جمعیت نماتدها را باتجمع در رایزوسفر گیاه میزبان کاهش می دهند.تعدادی از رایزوباکترهایی که به عنوان کاهش دهنده ی جمعیت نماتدها شناخته شده اند شامل :
Bacillus ,Agrobacterium,Pseudomonas,Streptomyce,Desulfovibrio,…..
که کاربرد برخی از این باکتریها نتایج امیدبخشی بدست داده است.
باکتریهای بکاررفته درکنترل زیستی نماتدها به 2 گروه تقسیم می شوند:
1- باکتری های پارازیت 2- رایزوباکترهای غیر پارازیت
از گروه اول Pasteuria penetrans به طور وسیع به عنوان پارازیت نماتدهابررسی شده است.اما باکتری های دیگری ازقبیل denitrificens Pseudomonasبه عنوان پارازیت Xiphinema Americans شناخته شده است.ازبین ایندوباکتری P.penetrans درمبارزه زیستی به خصوص علیه گونه های meloidognاز رایزوباکترهای غیر پارازیت که روی نماتد اثر کاهشی دارند از قبیلAgrobacteriumکه به خصوص پس از ترکیب شدن با مواد آلی وواردشدن به خاک یا تحت شرایط غیرهوازی خاصیت کاهش دهندگی شان افزایش می یابد. البته مطالعات زیادی که در زمینه ی توانایی باکتری ها در کنترل زیستی نماتدها شده است محدود به گلخانه و گلدان می باشد وسعی بر این است که تجربیات حاصل به شرایط مزرعه منتقل شود.
ازتوباکتر یک باکتری آزادزی تثبیت کننده نیتروژن است که انرژی مورد نیاز خود را از تجزیه بقایای گیاهی و جانوری تامین می کند. دو پژوهشگر انگلیسی ژنی را در گیاه Arabidopsis کشف کرده اند که به ریشه ها این توانایی را می دهند که برای پیدا کردن قطعه های سرشار از نیترات و نمک های آمونیوم، خاک را بچشد. فراورده ی این ژن به ریشه ها امکان می دهد به جای جست و جوی تصادفی و پر هزینه، به سوی مواد غذایی رشد کنند. این دو پژوهشگر برای شناسایی ژن هایی که ممکن است در این کار دخالت داشته باشند، جهش یافته های گوناگونی از رشادی را پرورش دادند تا سرانجام جهش یافته ای را پیدا کردند که نمی توانست با توسعه ی ریشه های جانبی از ریشه های اصلی، به جست و جوی نیترات بپردازد. به این ترتیب آنان ژنی را کشف کردند که برای شناسایی نیترات ضروری است.
توانایی سنتز اکسین و هورمون های محرک رشد، انواع ویتامین ها به خصوص ویتامین های گروه B، انواع اسیدهای آمینه، سنتز مواد ضد قارچی برای مقابله با عوامل بیماریزای قارچی همانند فوزاریوم، اسکلروتیوم در ریزوکتونیاسولانی و … از امتیازات اضافی این باکتری به شمار می رود. این میکروارگانیسم در بسیاری از کشورهای جهان همانند برزیل، هند، روسیه و غیره به عنوان کود بیولوژیک که ازتوباکترین نامیده می شود برای افزایش کمیت و کیفیت بسیاری از محصولات کشاورزی همانند غلات، صیفی جات و سبزیجات مورد مصرف دارد.
یکی دیگر از موارد استفاده این باکتری مفید که امروزه مورد علاقه بسیاری از دانشمندان می باشد نقش این باکتری در کاهش آلودگی محیط زیست می باشد که در زیر به صورت خلاصه به چندین مورد اشاره می شود.
نقش ازتوباکتر برای خارج نمودن عناصر سنگین:
امروزه به منظور خارج نمودن عناصر سنگین (همانند کادمیم و سرب) از فاضلابهای کشاورزی و صنعتی استفاده از تکنولوژی میکروبی به خصوص گونه های مختلف ازتوباکتر مورد توجه می باشد که از نظر اقتصادی و زیست محیطی راهکار مناسبی می باشد. بیوماس و پلی مرهای میکروبی نقش موثری در خارج کردن فلزات سنگین از فاضلابها دارند. هنگامی که ازتوباکتر به فاضلابها اضافه می گردد این باکتری با تولید انواع پلی ساکاریدها کپسول مانند و اگزوپلی ساکاریدهای سبب خارج شدن میزان قابل توجهی از عناصر سنگین و مضر همانند سرب، نیکل، کادمیوم و … می گردد. به عنوان مثال در تحقیقی در ایتالیا انجام گرفت 6 لیتر از فاضلاب رقیق شده که حاوی 5 درصد مواد آلی بود با ازتوباکتر وینلاندی در دمای oC30 تلقیح شد پس از 2 هفته بیوماس میکروبی به وسیله دستگاه سانتریوفوژ جدا گردید و پلی ساکاریدهای تولید شده توسط ازتوباکتر نیز عصاره گیری و ارزیابی گردید. این پلی ساکاریدها و اگزوپلی ساکاریدها به وسیله غشاء الکلی پلی ونیل بدام انداخته شدند. پلی ساکاریدها عناصر کادمیم و سرب را از محلول فاضلاب خارج ساخته بودند. البته نکته قابل توجهی این می باشد که میزان سرب خارج شده از محلول فاضلاب به پ.هاش محلول وابسته می باشد بدین صورت که در پ.هاش 5/4 راندمان خارج ساختن سرب از محلول فاضلاب ازpH 5/6 بیشتر می باشد. در حالیکه پ.هاش محلول راندمان خارج ساختن سرب از محلول تاثیر چندانی ندارد
آفت کشها باعث توقف تولید نیتروژن در گیاهان تثبیت کننده نیتروژن می گردند.
تحقیقات جدیدی توسط گروهی از دانشمندان نشان می دهد که استفاده از آفت کشهای شیمیایی و نفوذ این مواد به خاک و آبهای سطحی باعث از بین رفتن تثبیت کننده های طبیعی نیتروژن و باکتریهای مفید خاک می گردد.از بین رفتن باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن باعث کاهش باروری خاک در نهایت کاهش عملکرد می گردد.در گزارشی که اخیرا در آکادمی ملی علوم آمریکا منتشر شده آمده است که مواد شیمیایی باعث قطع ارتباط بین گیرنده های خاص در ریزوبیای باکتری که در ریشه رشد می کند می گردد. کشت گیاهان لگومینه مانند یونجه و سویا باعث جایگزینی طبیعی نیتروژن در خاک می گردد که سودمندیهای بسیاری برای خاک دارد. گیاهان لگومینه با گرفتن نیتروژن هوا و تبدیل آن به نیتروژن تثبیت شده در خاک باعث باروری خاک می گردد. و مواد سمی و شیمیایی باعث قطع ارتباط ریزوبیوم و ریشه می گردد.آقای فاکس دانشجوی دوره دکتری دانشگاه اورگون یکی از محققان این پروژه میگوید که مواد شیمیایی باعث قطع ارتباط باکتریهای تثبیت کننده و گیاهان میزبان می گردد و در نهایت همزیستی بین ریشه و باکتری کاهش می یابد.
او می گوید استفاده از کودهای شیمیایی نیتروژنی باعث کاهش تثبیت نیتروژن به طور طبیعی می گردد. و برای کشت بعدی نیاز به نیتروژن مصنوعی افزایش می یابد.
با استفاده بی رویه از مواد شیمیایی مانند کودهای فسفر و نیتروژن و آفت کشها ارتباط بین ریشه و باکتریها قطع شده و در نهایت باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن از بین خواهند رفت.

12