چگونگی تثبیت نیتروژن توسط گیاهان

نیتروژن یک ماده مغذی ضروری است که باعث رشد بهتر گیاه می شود. نیتروژن از طریق خاک، کودها و تثبیت نیتروژن توسط برخی گیاهان تامین می شود. باکتری های تثبیت کننده نیتروژن، گاز نیتروژن (N) را می گیرند و آن را به شکل قابل استفاده برای گیاهان تبدیل می کنند. این اشکال در انواع مختلفی وجود دارند، اما تثبیت نیتروژن توسط همزیست ها رایج ترین آنهاست.

چگونگی تثبیت نیتروژن

حبوبات بخش مهمی از تناوب زراعی و خاک سازی هستند. به دلیل ارتباط آنها با باکتری های تثبیت کننده نیتروژن، آنها نیتروژن را برای محصولات آینده تامین می کنند.

این مطلب اطلاعاتی از نیتروژن به عنوان یک ماده غذایی گیاهی، اطلاعاتی در مورد پویایی نیتروژن و درک انواع نیتروژن موجود در خاک به شما می دهد. درک تثبیت بیولوژیکی نیتروژن به شما کمک می کند تا فعل و انفعالات گیاه و میکروب را درک کنید.

نیتروژن به عنوان یک ماده مغذی گیاهی

نیتروژن جزء حیاتی رشد گیاهان است. به طور کلی گیاهان در مقایسه با سایر مواد مغذی، به بیشترین مقدار نیتروژن نیاز دارند. گیاهان از نیتروژن برای کلروفیل سازی استفاده می کنند. کلروفیل همان چیزی است که گیاهان را سبز می کند. در داخل کلروپلاست ها، فتوسنتز انجام می شود. نیتروژن در اسیدهای آمینه وجود دارد و به عنوان بلوک های سازنده پروتئین ها عمل می کند.

چرا اسیدهای آمینه برای فیزیولوژی گیاه بسیار مهم هستند؟ آنها کلروفیل تولید می کنند که مستقیما به فتوسنتز مربوط می شود. هنگامی که یک میکروارگانیسم تثبیت کننده نیتروژن رابطه سالمی با یک گیاه دارد، غشای مشتق شده از گیاه به نام غشای تیلاکوئید به کلروپلاست ها کمک می کند تا  نور را به آسانی جذب کنند. جذب بهتر نور منجر به جذب بهتر آب و تغذیه گیاه می شود.

اشکال نیتروژن

انواع مختلفی از نیتروژن در دنیای گیاهان وجود دارد. دو شکل مورد استفاده گیاهان نیترات و آمونیوم هستند. نیترات یک ترکیب نیتروژن دار با بار منفی است که از یک اتم نیتروژن و سه اتم اکسیژن تشکیل شده است. ترکیبی با بار مثبت با یک اتم نیتروژن و چهار اتم هیدروژن آمونیوم تشکیل می دهد. اگر گیاهان بین نیترات و آمونیوم انتخابی داشته باشند، نیترات را ترجیح می دهند. با این حال، هر دو اشکال قابل قبولی از نیتروژن برای گیاهان هستند.

چند شکل مهم دیگر از نیتروژن درگیر گیاهان و چرخه تثبیت نیتروژن است. گاز دی نیتروژن 78 درصد از هوای اطراف ما را تشکیل می دهد که از دو اتم نیتروژن ساخته شده است که با هم پیوند سه گانه دارند. شکستن این پیوندها بسیار سخت است.

یکی دیگر از ترکیبات نیتروژنی گازی، آمونیاک است. یک اتم نیتروژن و سه اتم هیدروژن آمونیاک را تشکیل می دهند. این گاز سمی بخشی از چرخه تثبیت نیتروژن است و می تواند در محیط های کشاورزی خاصی تجمع یابد. آخرین ترکیب نیتروژنی مهم که باید در نظر گرفته شود نیتروژن آلی محلول است. این ترکیبات حاوی کربن، اسیدهای آلی هستند که در خاک یافت می شوند.

علائم کمبود نیتروژن و پتاسیم در کاهو را در مقالات فردین کشت مطالعه کنید.

چرخه تثبیت نیتروژن

اجزای چرخه تثبیت نیتروژن شامل خاک، جو و بافت های زنده است. ساده ترین راه برای بحث در مورد این موضوع، بررسی نحوه ورود و خروج نیتروژن به خاک است.

ورود نیتروژن به خاک

نیتروژن از طریق تجزیه مواد آلی وارد خاک می شود. زمانی رخ دهد که باغبان کمپوست، موجودات در حال پوسیدن، مواد گیاهی در حال تجزیه، کود و سایر موارد را به خاک باغ خود اضافه می کند. راه دیگر تثبیت نیتروژن در خود خاک است. این فرآیند مستلزم آن است که باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن، گاز دی‌نیتروژن را جذب کرده و آن را به اشکالی تبدیل می‌کنند که گیاهان می‌توانند از آن استفاده کنند. سه نوع مختلف تثبیت نیتروژن وجود دارد: همزیستی تثبیت کننده نیتروژن و تثبیت هتروتروفیک.

خروج نیتروژن از خاک

نیتروژن زدایی، تبخیر آمونیاک، و شستشو یا رواناب از راه های اصلی خروج نیتروژن از خاک هستند. نیترات زدایی فرآیندی است که طی آن نیترات در خاک توسط باکتری های بی هوازی به گاز تبدیل می شود. غلظت کم اکسیژن شرایط بی هوازی ایجاد می کند. مواد آلی قابل تجزیه، نیترات و شرایط دمایی گرم نیز برای نیترات زدایی مورد نیاز است. در این فرآیند، گاز دی‌تروژن و مونوکسید دی‌نیتروژن به عنوان نیتروژن اتمسفر در هوا آزاد می‌شوند.

دی نیتروژن مونوکسید (ساخته شده از دو نیتروژن و یک اتم اکسیژن) یک گاز گلخانه ای است که با غلظت بسیار کمتری نسبت به گاز دی نیتروژن که یک گاز گلخانه ای نیست منتشر می شود. عوامل موثر بر میزان مونوکسید دی نیتروژن آزاد شده شامل pH و دمای خاک می شود.

شکل دیگری از نیتروژن از دست رفته از طریق تبخیر آن به گاز آمونیاک رخ می دهد. این زمانی اتفاق می‌افتد که خاک‌ها خشک، گرم و دارای ظرفیت تبادل کاتیونی کم هستند یعنی ظرفیت خاک برای نگهداری یون‌های دارای بار مثبت کم است.

یک نمونه از فرآیند تبخیر را می توان در اوره یافت. اوره یک شکل ارگانیک رایج از کود نیتروژن است که در سراسر جهان استفاده می شود و محصول جانبی ادرار انسان یا حیوانات دیگر است. هنگامی که شرایط مساعد باشد، اغلب می تواند منجر به تبخیر گاز آمونیاک شود.

همانطور که آمونیاک تبخیر می شود و به اتمسفر بالا می رود، خاک فاقد ترکیبات نیتروژن مبتنی بر آمونیاک است که از طریق اوره اضافه شده بود. به آن فکر کنید که انگار یک بالون هوای گرم است که نیتروژن ما را درست از خاک جایی که به آن تعلق دارد بیرون می کشد!

شستشو و رواناب دو راه دیگر هستند که نیتروژن خاک را ترک می کند، به ویژه هنگامی که صحبت از سیستم های زراعی است که کودهای شیمیایی معمولی دریافت می کنند. اغلب نیتروژن در خاک به خوبی جذب نمی شود. به راحتی از طریق نیمرخ خاک حرکت می کند و در نهایت به آب های زیرزمینی می رسد که در زیر زمین جریان دارد. سپس نیتروژن به رودخانه ها، نهرها و دیگر آب ها می رسد.

این آلودگی مواد مغذی باعث اوتروفیکاسیون یا تجمع غلظت مواد مغذی در تالاب ها و آبراه ها می شود. همانطور که کودهای نیتروژن دار رشد را در محصولات افزایش می دهند، رواناب آنها باعث رشد بیش از حد گیاهان در این مناطق می شود که منجر به محدودیت در میزان اکسیژن موجود برای سایر موجودات می شود.

تثبیت نیتروژن

نکته مهم دیگری که باید در مورد نیتروژن در نظر گرفت، بی حرکتی یا نیتروژنی است که برای گیاهان در دسترس نیست، در درجه اول به این دلیل که نیتروژن در بافت های باکتری های آزاد در خاک یافت می شود. زمانی که کمپوست و مواد افزودنی کربن بیش از حد در دسترس را اضافه می کنند، بی حرکتی می تواند بیشتر رخ دهد.

کربن به عنوان انرژی برای میکروارگانیسم های موجود در خاک عمل می کند. این موجودات از نیتروژن موجود در خاک برای بافت ها و پروتئین ها استفاده می کنند. این را هنگام اضافه کردن مالچ های چوبی و کاه به باغ در نظر بگیرید. از آنجایی که اینها عمدتاً کربن با نیتروژن کم هستند، می توانند منجر به بی حرکتی شوند.

باغبانان برای مقابله با چرخه بی حرکتی باید کود N و گیاهانی که تثبیت نیتروژن می کنند را در باغ بکارید. کمپوست زمانی که نسبت نیتروژن به کربن ترکیبی درستی نداشته باشد می تواند منجر به بی حرکتی و کاهش تثبیت نیتروژن شود. وجود بیش از حد نیتروژن به شکل نیترات بوسیله بوهای ساطع شده از توده کمپوست مشخص می شود. برای متعادل کردن مجدد نسبت و ترویج جذب بهتر آمونیاک، کربن را به خاک اضافه کنید.

شما عزیزان می توانید مطلب کود نیتروژن برای درختان میوه را در مقالات فردین کشت مطالعه کنید.

چگونگی تثبیت نیتروژن توسط باکتری ها

گاز N توسط باکتری های ریزوبی در خاک تثبیت می شود، اما چگونه؟ پیوندهای سه گانه درون دی نیتروژن فوق العاده قوی هستند و شکستن آنها را سخت می کند. این موجودات تثبیت کننده نیتروژن از آنزیمی به نام نیتروژناز برای شکستن این پیوند استفاده می کنند. آنزیم نیتروژناز در باکتری های ریزوبی و سیانوباکتری های تثبیت کننده نیتروژن یافت می شود. کمپلکس نیتروژناز دی نیتروژن را به آمونیاک تبدیل می کند، سپس واکنش ها آن را به اشکال قابل استفاده برای گیاه زراعی تبدیل می کند.

انسان‌ها در آغاز قرن بیستم چگونگی شکستن این پیوند سه‌گانه را از طریق فرآیند Haber bosch کشف کردند. این روش صنعتی جذب گاز نیتروژن اتمسفر و تبدیل آن به اشکال قابل استفاده برای گیاهان، فشار حاصل از تهیه کودهای نیتروژنی را کاهش داد. بنابراین، کودهای حاصل از این فرآیند از ترکیبات معدنی به دست می آیند و نمی توانند در مزارع ارگانیک تایید شده استفاده شوند.

تثبیت نیتروژن توسط همزیست ها

رایج ترین شکل تثبیت نیتروژن  توسط همزیست هاست. این رابطه ای است که حبوبات و گیاهان اکتینوریزال با باکتری های تثبیت کننده نیتروژن در خاک دارند. محصولاتی که از باکتری های تثبیت نیتروژن حمایت می کنند شامل لوبیا، نخود، بادام زمینی، شبدر، ماشک، یونجه و … هستند.

بیشتر گیاهان این همزیستی را با باکتری ها ندارند. این گیاهان میزبان گره های ریشه ای را تشکیل می دهند که حاوی میکروارگانیسم های تثبیت کننده نیتروژن، از جمله ریزوباکتری های محرک رشد گیاه هستند. روابط همزیستی به نفع هر دو طرف است: گونه های ریزوبیوم قند دریافت می کنند در حالی که گیاه ترکیبات نیتروژن قابل استفاده را دریافت می کند. هنگامی که کود نیتروژن را مصرف می کنید، این گره ها تشکیل نمی شوند زیرا گیاهان به کمک باکتری های تثبیت کننده نیتروژن برای تامین نیتروژن به میتوکندری های گیاهی نیاز ندارند.

هر گونه حبوبات، در سطح ندولاسیون و کارایی متفاوت است. لوبیاهای معمولی مانند لوبیا سبز به خوبی حبوباتی مانند بادام زمینی، لوبیا چشم بلبلی و سویا نیستند. گیاهان چند ساله حتی در تثبیت نیتروژن بهتر عمل می کنند که این محصولات شامل شبدر و یونجه است.

محصولات مختلف ندول هایی با شکل متفاوت دارند. محصولات یکساله دارای گره هایی به اندازه نخود هستند در حالی که گیاهان چند ساله دارای گره های درازتر هستند. اما این گره ها چگونه تشکیل می شوند؟ ابتدا باکتری های مرتبط با گیاه به میزبان گیاه حمله می کنند. باکتری هایی که در خاک زندگی می کنند وارد سلول های گیاهی می شوند و در داخل قشر ریشه ساکن می شوند. باکتری ها در ناحیه داخل سلولی بافت های گیاهی باقی می مانند و در نهایت گره هایی را که می بینید تشکیل می دهند.

تثبیت نیتروژن هتروتروف

باکتری های تثبیت کننده نیتروژن هتروتروف بر خلاف باکتری های همزیست هستند. آنها برای دریافت کربن و سایر ترکیبات مورد نیاز خود با گیاهان رابطه ندارند. این باکتری ها با مصرف سایر ترکیبات موجود در خاک انرژی می گیرند. با مصرف مواد پوسیده در خاک، تثبیت نیتروژن را به صورت غیرفعال انجام می دهند.

نحوه استفاده از محصولات تثبیت کننده نیتروژن در تناوب

بهترین راه برای استفاده از گیاهان تثبیت کننده نیتروژن، کاشت متناوب است. محصولات غذایی از مقادیر مختلف نیتروژن استفاده می کنند. بیشتر آنها تغذیه کننده های نیتروژن سنگین هستند، مانند ذرت شیرین، کدو تنبل، کدو حلوایی و فلفل. بیشتر گیاهان داخل باغ و مزرعه از گیاهانی که تثبیت نیتروژن انجام می دهند سود می برند. تثبیت نیتروژن زمانی اتفاق می افتد که باغبان گونه هایی از گیاهان تثبیت کننده نیتروژن را قبل از کاشت سایر گیاهان در مزرعه بکارند. انجام این کار در کنار محصولات یک ساله می تواند برای خاک گیاه نیز مفید باشد.

کاشت حبوبات با سایر محصولات زراعی می تواند برای هر دو گیاه مفید باشد. توجه به این نکته ضروری است که گیاهان تثبیت کننده نیتروژن تنها زمانی که گیاهان زنده هستند مقدار زیادی نیتروژن را در اختیار گیاهان قرار می دهند. اما گره‌های حبوبات ممکن است نتوانند تمام نیتروژن را برای محصول دیگری مانند فلفل یا گوجه فرنگی تامین کنند.

هنگام استفاده از تثبیت کننده های نیتروژن قبل از گیاهان تغذیه های سنگین، به یاد داشته باشید که ریشه های گیاه (و بافت های بالای زمین) باید در باغ باقی بمانند. حذف گیاهان اساسا نیتروژنی که در اثر تثبیت نیتروژن ایجاد شده را از بین می برد. بنابراین، خرد کردن و انداختن یا بریدن یک گیاه تثبیت کننده نیتروژن مفیدتر از کشیدن آن از ریشه خواهد بود.

لوبیاهای معمولی نسبت به دانه های سویا یا بادام زمینی تثبیت نیتروژن کمتری دارند. گنجاندن محصولات غلات و گیاهان بدون ژن تثبیت نیتروژن به طور کلی در تناوب می تواند به ساخت مواد آلی و سودمندی باغ کمک کند.

شما عزیزان می توانید در ویکی پدیا راجع به تثبیت نیتروژن مطالبی را مطالعه کنید.