Ciclul azotului: rolul-cheie al microbilor fixatori de azot

Azotul este peste tot! De fapt, azotul gazos (N₂) reprezintă aproximativ 78% din atmosfera planetei noastre, depășind cu mult oxigenul gazos (O₂) pe care adesea îl considerăm „aer”.

Însă a avea azot în preajmă și a-l putea folosi sunt două lucruri diferite. Corpul nostru și organismele altor plante și animale nu au nicio modalitate eficientă de a converti azotul gazos într-o formă utilizabilă. Animalele și plantele pur și simplu nu dețin enzimele potrivite pentru a capta sau fixa azotul atmosferic.

Totuși, ADN-ul și proteinele noastre conțin destul de mult azot. De unde provine acest azot? În lumea naturală, el provine de la bacterii!

Bacteriile joacă un rol-cheie în ciclul azotului

Azotul intră în lumea vie prin intermediul bacteriilor și al altor procariote unicelulare, care transformă azotul atmosferic – N₂ – în forme utilizabile biologic, într-un proces numit fixare a azotului. Unele specii de bacterii fixatoare de azot trăiesc liber în sol sau apă, în timp ce altele sunt simbionți benefici care trăiesc în interiorul plantelor.

Iată câteva exemple de procariote fixatoare de azot: cianobacteriile fotosintetizante din ecosistemele acvatice unde ajunge lumina; bacteriile din genul Rhizobium, care trăiesc în simbioză cu rădăcinele plantelor leguminoase (precum mazărea, fasolea și alunele); bacteriile din genul Azotobacter, care trăiesc liber în ecosistemele terestre.

Microorganismele fixatoare de azot captează azotul atmosferic, transformându-l în amoniac – NH₃ –, care poate fi preluat de plante și folosit pentru a produce molecule organice. Moleculele care conțin azot sunt transmise animalelor atunci când plantele sunt consumate. Ele pot fi încorporate în corpul animalului sau descompuse și excretate ca deșeuri, cum ar fi ureea găsită în urină.

Schema ciclului azotului. | Ilustrație: JOHANN DREO (CC BY-SA 3.0)

Azotul nu rămâne pentru totdeauna în corpurile organismelor vii. În schimb, el este transformat din azot organic înapoi în gaz de către bacterii. Acest proces implică adesea mai multe etape în ecosistemele terestre. Compușii azotați din organismele moarte sau din deșeuri sunt transformați în amoniac – NH₃ – de către bacterii, iar amoniacul este transformat în nitriți (azotiți) și nitrați (azotați). În cele din urmă, nitrații sunt transformați în azot gazos (N₂) de către procariotele denitrificatoare.

Ciclul azotului în ecosistemele marine

Până acum, ne-am concentrat pe ciclul natural al azotului, așa cum apare în ecosistemele terestre. Cu toate acestea, în general, pași similari apar și în ciclul azotului marin. Acolo, procesele de amonificare, nitrificare și denitrificare sunt efectuate de către bacteriile marine și arhee.

Unii compuși care conțin azot cad pe fundul oceanului sub formă de sedimente. În perioade lungi de timp, sedimentele se comprimă și formează roca sedimentară. În cele din urmă, procesele geologice pot ridica roca sedimentară spre suprafața pământului. În trecut, oamenii de știință nu credeau că această rocă sedimentară bogată în azot este o sursă importantă de azot pentru ecosistemele terestre. Cu toate acestea, un nou studiu sugerează că ea ar putea fi de fapt destul de importantă – azotul este eliberat treptat către plante, pe măsură ce roca se degradează sub influența intemperiilor.

Azotul ca nutriment limitativ

În ecosistemele naturale, multe procese, cum ar fi producția primară și descompunerea, sunt limitate de aprovizionarea disponibilă cu azot. Cu alte cuvinte, azotul este adesea nutrimentul limitativ, adică nutrimentul care este în cantitatea cea mai redusă și astfel limitează creșterea organismelor sau a populațiilor.

Cum știm dacă un nutriment este limitativ? Adesea, acest lucru este verificat după cum urmează:

• Când un nutriment este limitativ, adăugarea unei cantități mai mari din acesta va stimula creșterea – de exemplu, va face ca plantele să crească mai înalte decât dacă nu s-ar adăuga nimic.
• Dacă se adaugă, în schimb, un nutriment nelimitativ, acesta nu va avea efect – de exemplu, plantele vor crește la aceeași înălțime, indiferent dacă nutrimentul este prezent sau absent.

De exemplu, dacă am adăugat azot la jumătate din plantele de fasole dintr-o grădină și am constatat că acestea cresc mai înalte decât plantele netratate, aceasta ar sugera că azotul este limitativ. Dacă, în schimb, nu am observa o diferență de creștere în experimentul nostru, aceasta ar sugera că un alt nutriment decât azotul trebuie să fie limitativ.

Azotul și fosforul sunt cele două nutrimente limitative cel mai des întâlnite atât în ecosistemele naturale, cât și în agricultură. De aceea, dacă ne uităm la un sac de îngrășământ, vom vedea că acesta conține mult azot și fosfor.

Activitatea umană afectează ciclul azotului

Noi, oamenii, s-ar putea să nu fim capabili să fixăm azotul pe căi biologice, dar cu siguranță o facem pe plan industrial! Aproximativ 450 de milioane de tone metrice de azot fixat sunt produse în fiecare an, folosind o metodă chimică numită procesul Haber-Bosch, în care N₂ reacţionează cu hidrogenul – H₂ – la temperaturi ridicate. Cea mai mare parte a acestui azot fixat este folosită pentru a fabrica îngrășămintele pe care le folosim în grădinile și câmpurile noastre agricole.

În general, activitatea umană eliberează azot în mediu pe două căi principale: arderea combustibililor fosili și utilizarea în agricultură a îngrășămintelor care conțin azot. Ambele procese cresc nivelurile de compuși cu azot din atmosferă. Nivelurile ridicate de azot atmosferic – în afară de N₂ – sunt asociate cu efecte nocive, cum ar fi producerea de ploi acide – sub formă de acid azotic, HNO₃ – și contribuții la efectul de seră – sub formă protoxid de azot, N₂O.

De asemenea, atunci când în agricultură se folosesc îngrășăminte sistetice care conțin azot și fosfor, excesul de îngrășământ poate ajunge în lacuri, pâraie și râuri prin scurgerile de suprafață. Un efect major al scurgerii îngrășămintelor este eutrofizarea apelor sărate și dulci. În acest proces, scurgerea nutrimentelor provoacă o creștere excesivă sau o „înflorire” a algelor sau a altor microorganisme. Fără scurgerea nutrimentelor, creșterea lor ar fi limitată de disponibilitatea azotului sau a fosforului.

Eutrofizarea poate reduce disponibilitatea oxigenului din apă în timpul nopții, deoarece algele și microorganismele care se hrănesc cu ele consumă cantități mari de oxigen prin respirația celulară. Acest lucru poate cauza moartea altor organisme care trăiesc în ecosistemele afectate, cum ar fi peștii și creveții, și poate duce la zone cu conținut scăzut de oxigen, numite zone moarte.