Îngrășămintele în exces dăunează mediului. Bacteriile fixatoare de azot oferă o soluție naturală23 min read

Azotul este un gaz esențial pentru creșterea plantelor și pentru procesele metabolice ale organismelor, dar folosirea excesivă a îngrășămintelor sintetice duce la probleme grave de mediu. Prin fixarea biologică, bacteriile ajută la asimilarea azotului într-un mod natural, dar agricultura sustenabilă cere eforturi și soluții pe termen lung.

Azotul este un gaz inert, incolor și fără miros, care ocupă în jur de trei sferturi din atmosfera Pământului. A fost descoperit și izolat de către omul de știință scoțian Daniel Rutherford în 1772, iar la scurt timp a fost denumit azot (care înseamnă „fără viață”) sau nitrogène, de unde și simbolul chimic N. În română sunt folosite ambele denumiri, azot și nitrogen, iar compușii azotului se numesc azotați sau nitrați. 

Rolul azotului în natură

Azotul intră în alcătuirea multor compuși vitali, cum ar fi aminoacizi (care formează, la rândul lor, proteine), acizi nucleici (ADN și ARN), vitamine și hormoni, și este un element indispensabil vieții. 

Alți compuși ai azotului sunt alcaloizii, cu importanță metabolică, sintetizați de către bacterii, fungi, plante sau animale. Aceștia conțin în structura lor cel puțin un atom de azot și sunt caracterizați printr-un gust amar. Printre cei mai cunoscuți alcaloizi se numără chinina, morfina, cafeina, nicotina sau cocaina. 

Deși azotul are rol vital, în forma sa gazoasă, atmosferică, este inaccesibilă pentru majoritatea organismelor. El nu poate fi absorbit, pur și simplu, din aer și încorporat în toți acești compuși, fără un mecanism molecular specializat, iar așa ceva se găsește doar la anumite grupe de organisme.

În atmosfera Pământului se găsesc și oxizi de azot, compuși chimici formați din oxigenul și azotul din aer, în prezența descărcărilor electrice. De-a lungul erelor geologice, acești oxizi de azot s-au combinat cu vaporii de apă și au căzut pe pământ, unde au format diverse săruri numite azotați, cum ar fi azotatul de sodiu (salpetru de Chile) sau de potasiu (salpetru de India), iar aceste minerale exploatate și utilizate pentru fertilizarea solului. În forma aceasta, adică combinat cu alte elemente (oxigen sau hidrogen), azotul poate fi asimilat de către plante și încorporat în compuși metabolici. 

Azotul pătrunde în agricultură

Civilizațiile vechi, precum cele din Egipt, Babilon, Imperiul Roman și America de Sud, foloseau îngrășăminte naturale pentru culturile lor agricole. Printre acestea se numărau gunoiul de grajd, salpetrul, excrementele de păsări și lilieci (cunoscute ca guano// Guano este o acumulare de excremente produse de păsări și lilieci. Termenul provine din limba Quichua a civilizației Inca și se traduce prin „excrementele păsărilor marine”. //) și chiar excrementele umane.

Spre sfârșitul anilor 1800, mecanizarea agriculturii și noile tehnologii au dus la o cerere mai mare de hrană pentru populația în creștere. Metodele tradiționale de fertilizare a solului — cum ar fi folosirea gunoiului de grajd, a salpetrului și a guanoului — nu mai puteau asigura suficient azot pentru agricultură.

MAi ales că azotatul de potasiu avea și încă are are și o altă utilizare importantă: este folosit la fabricarea artificiilor, prafului de pușcă și a explozibililor. Cererea mare de azotați, atât pentru agricultură, cât și pentru muniții, alături de resursele limitate de salpetru și alte surse naturale de azot, a dus la dezvoltarea unor metode industriale pentru obținerea azotului fixat. „Fixarea” azotului înseamnă introducerea atomilor de azot în compuși chimici, precum amoniacul sau oxizii de azot, care pot fi folosiți de organismele vii.

Cel mai utilizat proces industrial pentru obținerea amoniacului a fost inventat în 1909 și se numește procesul Haber-Bosch. Acesta presupune reacția azotului cu hidrogenul la presiuni și temperaturi ridicate, folosind o pulbere fină de fier drept catalizator. 

Procesul Haber-Bosch consumă până la 2% din energia electrică globală și până la 5% din gazul natural produs la nivel mondial. În 2018, s-au produs 230 de milioane de tone de amoniac prin acest proces. Se estimează că jumătate din atomii de azot din corpul uman au trecut, la un moment dat, printr-un astfel de reactor industrial de producere a amoniacului.// „The Haber-Bosch Reaction: An Early Chemical Impact On Sustainability”, cen.acs.org //

Accesibilitatea îngrășămintelor cu azot a dus însă folosirea lor excesivă. În plus, doar jumătate din azotul aplicat este absorbit de culturi, ceea ce duce la suprasaturarea solului și a apei subterane cu azotați. 

Când îngrășămintele sintetice se acumulează în apele subterane, apare fenomenul de eutrofizare.  Excesul de nutrienți favorizează dezvoltarea necontrolată a algelor microscopice, cunoscută drept „înflorire algală”. 

Algele consumă rapid oxigenul din apă, provocând asfixierea peștilor și a altor viețuitoare acvatice, ceea ce poate avea efecte ecologice și economice grave. În plus, acest surplus de azot reactiv poate perturba ciclul natural al azotului. Prin reacție cu apa și oxigenul, formează oxizi de azot, gaze care contribuie semnificativ la efectul de seră.

Organisme libere fixatoare de azot

O soluție la folosirea îngrășămintelor pe bază de azot ar putea fi unele bacterii. Pentru că există bacterii care pot absorbi și „fixa” azotul atmosferic în compuși organici atunci când alte surse de azot fixat lipsesc. Aceste bacterii, numite diazotrofe, au un mecanism special prin care preiau azotul din aer și îl transformă în amoniac, care apoi este folosit pentru a produce substanțele de care au nevoie. Acest proces este posibil datorită unor enzime numite nitrogenaze, aflate în centrul mecanismului lor molecular.

Nitrogenazele sunt de mai multe tipuri și au situsuri// În contextul biochimiei și biologiei moleculare, termenul „situs” se referă la un loc activ specific dintr-o enzimă sau proteină, unde are loc o reacție chimică. În cazul nitrogenazelor, enzime esențiale în fixarea azotului, „situsurile active” sunt zonele din structura enzimatică unde se află atomi metalici precum fier, molibden sau vanadiu. Acești atomi sunt critici pentru funcția enzimei, deoarece catalizează reacția de reducere a azotului molecular (N₂) în amoniac (NH₃), un proces vital pentru organism. // active cu atomi metalici (fier, molibden sau vanadiu).// „The Spectroscopy of Nitrogenases”, pubs.acs.org // Ele funcționează mai puțin eficient în prezența oxigenului, ceea ce este important. Însă diazotrofele libere au dezvoltat diverse metode de a proteja nitrogenaza de efectele dăunătoare ale oxigenului. 

Ele trăiesc în medii sărace în oxigen (precum mâlul, tractul digestiv al animalelor sau materiale organice în descompunere), produc compuși care le protejează sau formează celule specializate pentru fixarea azotului, cum fac unele cianobacterii. 

Deși nu toate cianobacteriile pot fixa azotul, cele care pot sunt responsabile de o mare parte din fixarea azotului în oceane.// „Nitrogen Fixation and Hydrogen Metabolism in Cyanobacteria”, journals.asm.org //

Organisme fixatoare de azot aflate în simbioză

Unele bacterii au dezvoltat strategii diferite pentru a fixa azotul atmosferic, colaborând cu alte organisme, în relații simbiotice. Printre cele mai cunoscute astfel de relații se numără simbioza dintre ciuperci și alge în licheni și cea dintre bacteriile fixatoare de azot și plantele leguminoase. 

Leguminoasele fac parte din familia Fabaceae și includ specii esențiale pentru alimentația umană, precum fasolea, mazărea, năutul, soia și arahidele, dar și plante folosite ca furaje, precum trifoiul și lucerna. Tot leguminoase sunt și salcâmul, roșcovul și glădița. 

În solurile sărace în azot, aceste plante formează relații simbiotice cu bacterii numite „rizobii”, care pot fixa azotul. Rizobiile sunt bacterii mobile din sol, dar, în această formă liberă, nu pot fixa azotul, deoarece nu au mecanisme pentru a proteja nitrogenazele de oxigen.

Prin urmare, aceste bacterii formează o relație simbiotică cu fabaceele. Ambele părți au de câștigat: rizobiile primesc adăpost și hrană sub forma unor compuși ai carbonului, iar plantele primesc azotul necesar, pe care nu-l pot absorbi altfel nici din sol, nici din aer. 

Această simbioză este un proces fascinant care începe printr-un „dialog molecular”.// „Early interactions between legumes and rhizobia: disclosing complexity in a molecular dialogue”, enviromicro-journals.onlinelibrary.wiley.com // Plantele eliberează în sol compuși metabolici numiți flavonoizi. Rizobiile detectează acești flavonoizi și, ca răspuns, încep să sintetizeze compuși numiți factori Nod.

Plantele detectează factorii Nod, ceea ce face ca perișorii absorbanți de pe rădăcină să se curbeze spre rizobie (bacteria), învelind-o ca într-un pumn. După ce se stabilește contactul fizic între plantă și bacterie, urmează o serie de procese biochimice și metabolice prin care rizobia este încorporată într-o structură a celulei vegetale, formând nodozitatea.// „Signaling in Legume–Rhizobia Symbiosis”, mdpi.com // 

Astfel se formează nodozitățile pe rădăcinile plantelor leguminoase, unde plantele le oferă bacteriilor un adăpost și hrană. Un aspect important al acestei relații este că planta creează și un mediu sărac în oxigen, secretând un compus asemănător hemoglobinei din sângele animal.

Hemoglobina are o culoare roșie și o afinitate crescută pentru oxigen. Cea secretată de leguminoase se numește leghemoglobină și protejează nitrogenaza de oxigen. În aceste condiții, cu resurse scăzute de azot fixat și concentrații reduse de oxigen, rizobiile din nodozități încep să producă amoniac din azotul atmosferic. Amoniacul este apoi transferat plantei-gazdă, care îl folosește pentru sinteza compușilor săi metabolici. Prezența unei culori roz în nodozități indică faptul că acestea sunt active în fixarea azotului, datorită leghemoglobinei.

Astfel de culturi de plante leguminoase (trifoi, lucernă, fasole, mazăre, soia etc.) nu au nevoie de îngrășăminte pe bază de azot, deoarece au parte de un „mic” ajutor, din partea rizobiilor, în asimilarea azotului din aer. Toamna, după recoltă, rădăcinile și părțile nefolositoare ale acestor plante (păstăi, frunze) vor fi încorporate în sol și vor ajunge sursă de hrană și azot pentru culturile din anul următor. 

Nodozități făcute de bacteria Frankia pe rădăcini de arin (Alnus glutinosa). Foto: Cwmhiraeth/Wikimedia Commons

Azotul, fixat cu ajutorul ingineriei genetice

Un studiu din 2008 a estimat că între 50 și 70 de milioane de tone de azot sunt fixate anual în astfel de sisteme biologice.// „Global inputs of biological nitrogen fixation in agricultural systems”, link.springer.com // Unele culturi de trifoi sau lucernă sunt încorporate în solul arat ca „îngrășământ verde”.// „Overview of cover crops and green manures”, attra.ncat.org // De asemenea, rotația culturilor, prin includerea unei culturi de leguminoase o dată la câțiva ani, poate îmbunătăți conținutul de azot din sol.

Există și plante neleguminoase capabile de simbioză, iar cel mai cunoscut exemplu este cel dintre speciile de arin și bacteria Frankia.// „Global biogeography of Alnus-associated Frankia actinobacteria”, nph.onlinelibrary.wiley.com // Simbioze fixatoare de azot mai există și la unii licheni, ferigi acvatice, trestie de zahăr, grâu, porumb sau orez,// „Biological nitrogen fixation in non-legume plants”, academic.oup.com // dar acestea nu sunt suficiente pentru a îndeplini cerințele de azot ale plantei, ca în cazul fabaceelor. 

De câțiva ani însă, se încearcă transferul unui mecanism molecular eficient în fixarea azotului la cereale, folosind metode// „Biological nitrogen fixation in cereal crops: Progress, strategies, and perspectives”, cell.com // de inginerie genetică.// „Molecular Biology in the Improvement of Biological Nitrogen Fixation by Rhizobia and Extending the Scope to Cereals”, pmc.ncbi.nlm.nih.gov // 

Un alt pas pentru o agricultură mai puțin dependentă de îngrășăminte sintetice cu azot este tratarea semințelor de leguminoase cu rizobii comerciali. Semințele sunt „îmbrăcate” în aceste bacterii și plantate în soluri sărace în azot. Totuși, pot apărea probleme dacă rizobiile nu se potrivesc cu condițiile locale (precum pH-ul, tipul solului, altitudinea sau precipitațiile).

Există situații în care rizobiile locale, deja adaptate la mediul dintr-o anumită zonă, au fixat azotul mai eficient decât cele comerciale.// „Potential of Native Rhizobia in Enhancing Nitrogen Fixation and Yields of Climbing Beans (Phaseolus vulgaris L.) in Contrasting Environments of Eastern Kenya”, frontiersin.org // Pentru a găsi rizobii care fixează bine azotul și sunt deja adaptate la clima și solul local, trebuie studiate aceste rizobii locale.

Acum zece ani, o echipă de cercetători români, belgieni și greci a realizat un studiu în estul României pentru a identifica rizobii locali în habitate naturale cu populații sălbatice de trifoi alb,// „Molecular diversity and phylogeny of indigenous Rhizobium leguminosarum strains associated with Trifolium repens plants in Romania”, pubmed.ncbi.nlm.nih.gov // trifoi roșu// „Genetic diversity and structure of Rhizobium leguminosarum populations associated with clover plants are influenced by local environmental variables”, pubmed.ncbi.nlm.nih.gov // și lucernă.// „Nodules of Medicago spp. Host a Diverse Community of Rhizobial Species in Natural Ecosystems”, mdpi.com // Studierea acestor rizobii locale poate ajuta la dezvoltarea unor inoculanți comerciali adaptați pentru utilizare în zone specifice.

Creșterea populației și dependența de îngrășămintele sintetice cu azot aduc consecințe care afectează tot oamenii. De la schimbări climatice și reducerea habitatelor naturale până la poluare, efectele folosirii iresponsabile a azotului sintetic sunt clare. Există și soluții „verzi” pentru a reduce acest consum, dar e nevoie de eforturi financiare și de colaborare pe termen lung pentru a ajunge la o agricultură echitabilă și sustenabilă.

Rubrica Jurnal de naturalist este o colaborare între Muzeul Național de Istorie Naturală „Grigore Antipa” și Mindcraft Stories și conține texte realizate de cercetătorii muzeului, care-și propun să ofere cititorilor articole despre biodiversitatea din România.