Fiksacija dušika

Fiksacija dušika je proces u kojem se dušik (N₂) iz Zemljine atmosfere pretvara u amonijak (NH₃).^[1] Atmosferski dušik i njegov molekulski oblik (N₂) su relativno inertni: ne reagiraju lahko s drugim hemikalijama pri stvaranju novih spojeva. Prilikom odvijanja procesa fiksacije oslobađa se atom dušika iz trostruke veze diatomskog oblika, N≡N, koji se koristi i na druge načine.

Prirodna i sintetska fiksacija dušika od suštinske je važnosti za sve oblike života, jer je dušik potreban za biosintezu osnovnih gradivnih blokova biljaka, životinja i drugih oblika života. Naprimjer, kao što su nukleotidi za DNK i RNK, koenzim nikotinamid adenin dinukleotid koji imaju ulogu u metabolizmu pri prebacivanju elektrona između molekula, te aminokiseline za proteine. Zbog toga, kao dio ciklusa dušika, ovaj proces je bitan za poljoprivredu i proizvodnju đubriva. Također je važan u proizvodnji eksploziva (npr. baruta, dinamita, TNT i sl).

Fiksacija dušika se prirodno javlja u zemljištu učvršćivanjem u bakterijama koje su povezane s nekim biljkama (naprimjer, Azotobacter sa mahunarkama).^[2]^[3]^[4]

Neke od ovih bakterija imaju vrlo bliske odnose s biljkama i imaju simbiotsku fiksaciju dušika. Labaviji odnosi između bakterija i biljaka učvršćivaća azota često se nazivaju asocijativni ili nesimbiotski, kao što je uočljivo prilikom učvršćivanja (fiksacije) dušika koji se javlja na korijenu riže. Također se javlja prirodno u zraku pritikom nastanka munja.^[5]^[6]

Svi načini biološke fiksacije dušika se odvijaju pomoću nitrogeneze uz učešće metalo enzima koji sadrže željezo, molibden ili vanadij. Od mikroorganizama koji mogu fiksirati dušik to su prokarioti (i bakterije i archaea, distribuirani širom njihovih carstava) poznati pod nazivom diazotrofi. Neke više biljke i neke životinje (termiti), stvaraju zajednice (simbioza) sa diazotrofima.

Biološka fiksacija dušika

Ciklus kruženja dušika
(Abiotska fiksacija dušika je izostavljena).

Biološku fiksaciju dušika otkrili su njemački agronom Hermann Hellriegel^[7] i holandski mikrobiolog Martinus Beijerinck.^[8] Biološka fiksacija dušika (BNF) nastaje kada se atmosferski dušik pretvara u amonijak pomoću enzima nitrogenaza.^[1] Ukupna reakcija BNF-a je:

\mathrm {N_{2}+8\ H^{+}+8\ e^{-}\longrightarrow 2\ NH_{3}+H_{2}\!}

Proces je u kombinaciji sa hidrolizom 16 ekvivalenata adenozin-trifosfata (ATP) i prati stvaranje jedne molekule H₂.^[9] Pretvaranje N₂ u amonijak javlja se na klasteru zvanom FeMoco, što je skraćenica za željezo-molibden kofaktor. Mehanizam se odvija preko serija protonacija i redukcijskih koraka pri čemu aktivna mjesta FeMoco hidrogeniziraju supstrat N₂.^[10] U slobodno živećim diazotrofima amonijak koji nastaje pomoću nitrogenazae stapa se u glutamat, uz katalizu enzimom glutamin sintetaza, puta glutamat sintaze.

Mikrobni geni koji su potrebni za fiksaciju dušika su široko rasprostranjeni u različitim okruženjima.^[11]^[12]

Enzimi koji su odgovorni za aktivnost nitrogenaze vrlo su podložni uništenju kisikom. Iz tog razloga, u prisustvu kisika, mnoge bakterije prestaju proizvodnju enzima. Mnogi azotofiksatorni organizmi postoje samo u anaerobnim uslovima, smanjujući respiracijom nivo kisika ili vezivanjem kisika sa proteinima kao što je leghemoglobin.^[1]

Mikroorganizmi koji fiksiraju dušik

Diazotrofi su raznolika grupa prokariota u koje spadaju: cijanobakterije (npr. veoma značajani rodovi Trichodesmium i Cyanothece ), zelene sumporne bakterije, zajedno sa Azotobacteraceae, Rhizobia i Frankia.

Cijanobakterije nastanjuju skoro sve osvijetljene sredine na Zemlji i igraju ključnu ulogu u ciklusima ugljika i dušika u biosferi. U principu, cijanobakterije su u mogućnosti da koriste različite neorganske i organske izvore u kombinaciji dušika, kao što su: nitrati, nitriti, amonijak, urea ili neke aminokiseline. Nekoliko sojeva cijanobakterija su u stanju diazotrofnog rasta, tj. imaju sposobnost koja može biti prisutna kod posljednjeg zajedničkog pretka u arhajskom eonu.^[13] Fiksacija dušika u cijanobakterijama na koralnom grebenu može udvostručiti količinu dušika koji je na kopnu - oko 1,8 kg dušika fiksira se po hektaru dnevno (oko 660 kg/ha/godišnje). Smatra se da kolonije morskih cijanobakterija roda Trichodesmium fiksiraju dušik u takvoj količini da to čini gotovo polovinu azotofiksacije u morskim sistemima na svjetskom nivou. ^[14]

Simbioza korijenskih kvržica

Porodica mahunarki

Biljke koje također imaju sposobnost fiksacije dušika su porodica leguminoze – Fabaceae – sa taksonima kao što su: kudzu, djeteline, soje, alfalfa, leće, kikiriki i crvenogrmni južnoafrički grašak ruibos. One sadrže simbiotske bakterije zvane rizobije unutar kvržica u korijenovim sistemima, proizvodeći azotne spojeve koji pomažu rast i konkurentnost biljaka, u odnosima sa drugim biljkama. Kada biljka ugine, fiksirani dušik se otpušta, što ga čini dostupnim drugim biljkama, a to pomaže stvaranju plodnijeg zemljišta.^[1]^[15] Velika većina mahunarki imaju ove zajednice, ali nekoliko rodova (npr. Styphnolobium) nemaju. U mnogim tradicionalnim i organskim poljoprivrednim praksama usjevi na poljima se rotiraju smjenom različitih kultura,. To obično uključuje jednu kulturu koja se sastoji uglavnom ili u potpunosti od djeteline ili heljde (bez mahunarki porodice Polygonaceae), a često se naziva "zeleni stajnjak".

Uzgoj inga leja oslanja se na leguminozu roda Inga , koja je malo tropsko, debelolisno, azotofiksatorsko drvo.^[16]

Nemahunarke

Iako velika većina biljaka koje stvaraju korijenske kvržice pripadaju porodici Fabaceae, postoji nekoliko izuzetaka:

Parasponia je tropski rod porodice Cannabaceae čiji predstavnici zajedno rade sa rizobijima i stvaraju kvržice koje fiksiraju dušik.^[17]
Aktinorizne biljke, kao što su joha i neke vrste jagodičastog voća u Sjevernoj Americi mogu također razviti azotofiksacijske korijenove kvržice, zahvaljujući simbiozi sa bakterijama roda Frankia. Ove biljke su rasprostranjene u oko 25 rodova^[18] iz oko osam porodica.

Sposobnost da se usvoji azot je daleko od univerzalnosti prisustva u ovim porodicama. Na primjer, od 122 roda Rosaceae, samo četiri roda su sposobna za fiksiranje dušika. Sve ove porodice pripadaju redovima Cucurbitales, Fagales i Rosales, koji zajedno sa Fabales stvaraju granu eurozide. U ovom kladusu (grani), Fabales su prva loza koja se odvaja. Sposobnost fiksacije dušika može biti pleziomorfnost, koja se potom gubi u većini potomaka izvornih biljnih azotofiksatora. Međutim, to može biti zato što su osnovni genetski i fiziološki zahtjevi bili prisutni u početnim stanjima i kod posljednjeg zajedničkog pretka svih ovih biljaka, ali su u punoj funkciji evoluirali samo kod nekih od njih:

Porodice: Rodovi

Betulaceae: Alnus

Cannabaceae: Trema

Casuarinaceae:

Allocasuarina

Casuarina

Ceuthostoma

Gymnostoma

……

Coriariaceae: Coriaria

Datiscaceae: Datisca

Elaeagnaceae:

Elaeagnus

Hippophae

Shepherdia

……

Myricaceae:

Comptonia

Morella

Myrica

……

Rhamnaceae:

Ceanothus

Colletia

Discaria

Kentrothamnus

Retanilla

Talguenea

Trevoa

……

Rosaceae:

Cercocarpus

Chamaebatia

Dryas

Purshia/Cowania

Ovdje pripada i nekoliko simbiotski udruženih azotofiksatora koji objedinjuju cijanobakterije (kao što su azotofiksatori iz roda Nostoc):

Neki lišaji kao u rodovima Lobaria i Peltigera
Vrste paprati rodaAzolla
Cikade
Gunnera

Endosimbioza kod diatomeja

Rhopalodia gibba, alga, diatomeja, je eukariot sa cijanobakterijskim, endosimbiontskim organelama koje fiksiraju N₂. Loptasta tijela u citoplazmi dijatomeja su neodvojiva od njihovih domaćina.^[19]^[20]

Abiotska fiksacija dušika

Putem munja u grmljavinama, sagorijevanja i vulkana, od dušika i kisika u zraku nastaju dušikovi oksidi, koji reagiraju sa kapljicama vode u atmosferi i stvaraju dušičastu i azotnu kiselinu. U toj reakciji stvaraju se kisele kiše koje dopiru i u tlo.

\mathrm {N_{2}+O_{2}\quad \rightarrow \quad 2\,NO}

\mathrm {4\,NO+3\,O_{2}+2\,H_{2}O\quad \rightarrow \quad 4\,HNO_{3}}

Tehnička fiksacija azota

N₂ može se reducirati u Haberovom procesu, koji zahtijeva temperaturu od 500 °C, a pritisak od 450 bara i katalizatore. Većina ovog amonijaka pretvara se u nitratno đubrivo. U nitrifikaciji dušika za dobijanje kalcij-cijanamida, fiksacija se odvija u skladu sa sljedećom jednačinom hemijske reakcije:

\mathrm {CaC_{2}+N_{2}\longrightarrow \ Ca(CN)_{2}}

\mathrm {\longrightarrow \ Ca^{2+}\ +\ ^{-}N{=}C{=}N^{-}\ +C}

Također pogledajte

Reference

^ ^a ^b ^c ^d Postgate, J. (1998). Nitrogen Fixation (3rd izd.). Cambridge: Cambridge University Press.
^ Međedović S., Maslić E., Hadžiselimović R. (2002). Biologija 2. Svjetlost, Sarajevo. ISBN 9958-10-222-6.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Eds. (2005). Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB) Sarajevo. ISBN 9958-9344-1-8.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ Kapur Pojskić L. (2014). Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo. ISBN 978-9958-9344-8-3.
^ Slosson, Edwin (1919). Creative Chemistry. New York, NY: The Century Co. str. 19–37.
^ Hill, R. D.; Rinker, R. G.; Wilson, H. Dale (1979). "Atmospheric Nitrogen Fixation by Lightning". J. Atmos. Sci. 37 (1): 179–192. doi:10.1175/1520-0469(1980)037<0179:ANFBL>2.0.CO;2.
^ Hellriegel, H.; Wilfarth, H. (1888). Untersuchungen über die Stickstoffnahrung der Gramineen und Leguminosen [Studies on the nitrogen intake of Gramineae and Leguminosae]. Berlin: Buchdruckerei der "Post" Kayssler & Co.
^ Beijerinck, M. W. (1901). "Über oligonitrophile Mikroben" [On oligonitrophilic microbes]. Centralblatt für Bakteriologie, Parasitenkunde, Infektionskrankheiten und Hygiene. 7 (2): 561–582.
^ Chi Chung, Lee; Markus W., Ribbe; Yilin, Hu (2014). "Chapter 7. Cleaving the N,N Triple Bond: The Transformation of Dinitrogen to Ammonia by Nitrogenases". u Kroneck, Peter M. H.; Sosa Torres, Martha E. (ured.). The Metal-Driven Biogeochemistry of Gaseous Compounds in the Environment. Metal Ions in Life Sciences. 14. Springer. str. 147–174. doi:10.1007/978-94-017-9269-1_6.
^ Hoffman, B. M.; Lukoyanov, D.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. (2013). "Nitrogenase: A Draft Mechanism". Acc. Chem. Res. 46: 587–595. doi:10.1021/ar300267m.
^ Gaby, J. C.; Buckley, D. H. (2011). "A global census of nitrogenase diversity". Environ. Microbiol. 13 (7): 1790–1799. doi:10.1111/j.1462-2920.2011.02488.x. PMID 21535343.
^ Hoppe, B.; Kahl, T.; Karasch, P.; Wubet, T.; Bauhus, J.; Buscot, F.; Krüger, D. (2014). "Network analysis reveals ecological links between N-fixing bacteria and wood-decaying fungi". PLoS ONE. 9 (2): e88141. Bibcode:2014PLoSO...988141H. doi:10.1371/journal.pone.0088141. PMC 3914916. PMID 24505405.
^ Latysheva, N.; Junker, V. L.; Palmer, W. J.; Codd, G. A.; Barker, D. (2012). "The evolution of nitrogen fixation in cyanobacteria". Bioinformatics. 28 (5): 603–606. doi:10.1093/bioinformatics/bts008.
^ Bergman, B.; Sandh, G.; Lin, S.; Larsson, H.; Carpenter, E. J. (2012). "Trichodesmium – a widespread marine cyanobacterium with unusual nitrogen fixation properties". FEMS Microbiol. Rev. 37 (3): 1–17. doi:10.1111/j.1574-6976.2012.00352.x.
^ Smil, Vaclav (2000). Cycles of Life. Scientific American Library.
^ Elkan, Daniel (21. 4. 2004). "Slash-and-burn farming has become a major threat to the world's rainforest". The Guardian.
^ Op den Camp, Rik; Streng, A.; De Mita, S.; Cao, Q.; Polone, E.; Liu, W.; Ammiraju, J. S. S.; Kudrna, D.; Wing, R.; Untergasser, A.; Bisseling, T.; Geurts, R. (2010). "LysM-Type Mycorrhizal Receptor Recruited for Rhizobium Symbiosis in Nonlegume Parasponia". Science. 331 (6019): 909–912. Bibcode:2011Sci...331..909O. doi:10.1126/science.1198181.
^ Dawson, J. O. (2008). "Ecology of actinorhizal plants". Nitrogen-fixing Actinorhizal Symbioses. 6. Springer. str. 199–234. doi:10.1007/978-1-4020-3547-0_8.
^ Prechtl, Julia; Kneip, Christoph; Lockhart, Peter; Wenderoth, Klaus; Maier, Uwe-G. (2004). "Intracellular spheroid bodies of Rhopalodia gibba have nitrogen-fixing apparatus of cyanobacterial origin". Mol. Biol. Evol. 21 (8): 1477–1481. doi:10.1093/molbev/msh086.
^ Nakayama, Takuro; Inagaki, Yuji (2014). "Unique genome evolution in an intracellular N₂-fixing symbiont of a rhopalodiacean diatom". Acta Soc. Bot. Polon. 83 (4): 409–413. doi:10.5586/asbp.2014.046.

Vanjski linkovi

Hirsch, Ann M. (2009). "A Brief History of the Discovery of Nitrogen-fixing Organisms" (PDF). University of California, Los Angeles. Arhivirano s originala (PDF), 9. 7. 2010. Pristupljeno 13. 11. 2016.
"Marine Nitrogen Fixation laboratory". University of Southern California.

[postgate-1] Postgate, J. (1998). Nitrogen Fixation (3rd izd.). Cambridge: Cambridge University Press.

[Međedović-2] Međedović S., Maslić E., Hadžiselimović R. (2002). Biologija 2. Svjetlost, Sarajevo. ISBN 9958-10-222-6.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[Bajrović-3] Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Eds. (2005). Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB) Sarajevo. ISBN 9958-9344-1-8.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[Kapur_Pojskić-4] Kapur Pojskić L. (2014). Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo. ISBN 978-9958-9344-8-3.

[5] Slosson, Edwin (1919). Creative Chemistry. New York, NY: The Century Co. str. 19–37.

[6] Hill, R. D.; Rinker, R. G.; Wilson, H. Dale (1979). "Atmospheric Nitrogen Fixation by Lightning". J. Atmos. Sci. 37 (1): 179–192. doi:10.1175/1520-0469(1980)037<0179:ANFBL>2.0.CO;2.

[Hellriegel-7] Hellriegel, H.; Wilfarth, H. (1888). Untersuchungen über die Stickstoffnahrung der Gramineen und Leguminosen [Studies on the nitrogen intake of Gramineae and Leguminosae]. Berlin: Buchdruckerei der "Post" Kayssler & Co.

[Beijerinck-8] Beijerinck, M. W. (1901). "Über oligonitrophile Mikroben" [On oligonitrophilic microbes]. Centralblatt für Bakteriologie, Parasitenkunde, Infektionskrankheiten und Hygiene. 7 (2): 561–582.

[9] Chi Chung, Lee; Markus W., Ribbe; Yilin, Hu (2014). "Chapter 7. Cleaving the N,N Triple Bond: The Transformation of Dinitrogen to Ammonia by Nitrogenases". u Kroneck, Peter M. H.; Sosa Torres, Martha E. (ured.). The Metal-Driven Biogeochemistry of Gaseous Compounds in the Environment. Metal Ions in Life Sciences. 14. Springer. str. 147–174. doi:10.1007/978-94-017-9269-1_6.

[10] Hoffman, B. M.; Lukoyanov, D.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. (2013). "Nitrogenase: A Draft Mechanism". Acc. Chem. Res. 46: 587–595. doi:10.1021/ar300267m.

[11] Gaby, J. C.; Buckley, D. H. (2011). "A global census of nitrogenase diversity". Environ. Microbiol. 13 (7): 1790–1799. doi:10.1111/j.1462-2920.2011.02488.x. PMID 21535343.

[12] Hoppe, B.; Kahl, T.; Karasch, P.; Wubet, T.; Bauhus, J.; Buscot, F.; Krüger, D. (2014). "Network analysis reveals ecological links between N-fixing bacteria and wood-decaying fungi". PLoS ONE. 9 (2): e88141. Bibcode:2014PLoSO...988141H. doi:10.1371/journal.pone.0088141. PMC 3914916. PMID 24505405.

[13] Latysheva, N.; Junker, V. L.; Palmer, W. J.; Codd, G. A.; Barker, D. (2012). "The evolution of nitrogen fixation in cyanobacteria". Bioinformatics. 28 (5): 603–606. doi:10.1093/bioinformatics/bts008.

[14] Bergman, B.; Sandh, G.; Lin, S.; Larsson, H.; Carpenter, E. J. (2012). "Trichodesmium – a widespread marine cyanobacterium with unusual nitrogen fixation properties". FEMS Microbiol. Rev. 37 (3): 1–17. doi:10.1111/j.1574-6976.2012.00352.x.

[15] Smil, Vaclav (2000). Cycles of Life. Scientific American Library.

[Elkan-16] Elkan, Daniel (21. 4. 2004). "Slash-and-burn farming has become a major threat to the world's rainforest". The Guardian.

[17] Op den Camp, Rik; Streng, A.; De Mita, S.; Cao, Q.; Polone, E.; Liu, W.; Ammiraju, J. S. S.; Kudrna, D.; Wing, R.; Untergasser, A.; Bisseling, T.; Geurts, R. (2010). "LysM-Type Mycorrhizal Receptor Recruited for Rhizobium Symbiosis in Nonlegume Parasponia". Science. 331 (6019): 909–912. Bibcode:2011Sci...331..909O. doi:10.1126/science.1198181.

[18] Dawson, J. O. (2008). "Ecology of actinorhizal plants". Nitrogen-fixing Actinorhizal Symbioses. 6. Springer. str. 199–234. doi:10.1007/978-1-4020-3547-0_8.

[19] Prechtl, Julia; Kneip, Christoph; Lockhart, Peter; Wenderoth, Klaus; Maier, Uwe-G. (2004). "Intracellular spheroid bodies of Rhopalodia gibba have nitrogen-fixing apparatus of cyanobacterial origin". Mol. Biol. Evol. 21 (8): 1477–1481. doi:10.1093/molbev/msh086.

[20] Nakayama, Takuro; Inagaki, Yuji (2014). "Unique genome evolution in an intracellular N₂-fixing symbiont of a rhopalodiacean diatom". Acta Soc. Bot. Polon. 83 (4): 409–413. doi:10.5586/asbp.2014.046.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]