PowerPoint Presentation

Circuitul azotuluiAzotul este un element esenial pentru existena vieii n biosfer, fiind inclus n structura tuturor proteinelor i a acizilor nucleici. Este un element prezent n natur n cantiti foarte mari i se gsete aproape invariabil n forme inaccesibile direct, plantelor i animalelor.

Proces echilibrat n ecosistemele naturale pierderile de azot din sol sunt compensate de procesele de fixare n ecosistemele agricole pierderile depesc ritmul de nlocuire.

Circuitul Azotului Rezerva de azot din sol este limitat dezechilibreCererea de azot Cantitatea disponibilRezerva de azot din atmosfer nelimitat inaccesibil directPlante superioare>

Recircularea azotului cu ajutorul microorganismelorNitrificareAmoniu NH4+AmonificareNitrii NO2-Azot organic n solProtein animalAbsorbie radicularNitrai NO3-Protein provenit de la plante

Denitrificare4Actualmente exist o directiv European care limiteaz input-urile de nitrai provenii din surse agricole Directiva privind nitraii (1991).Aplicarea fertilizanilor cu azot conduce la levigarea acestuia i la mbogirea n nitrai a pnzei de ap freatic ceea ce conduce la reducerea surselor utilizabile ca ap potabil. Datorit crizei energetice i efectelor secundare ale ngrmintelor chimice cu N direciile de aciune sunt ndreptate spre mecanismele naturale de fixare a azotului n sol n special fixarea biologic. Contextul actual al utilizrii AzotuluiFixarea azotului molecular Abiotic Iradieri Descrcri electrice Prin intermediul precipitaiilorBiotic Bacterii fixatoare libere aerobeAzotobacter, Beijerinckia, Klebsiella, CianobacteriiBacterii fixatoare libere anaerobeClostridium, Desulfovibrio, Bacterii sulfuroase purpurii i verziSimbioze fixatoareRhizobium, Frankia, Simbioze asociative

Fixarea azotului molecular Simbioze fixatoareSimbioza Rhizobium - leguminoase

Fixarea azotului molecular Simbioza Actinomicete - neleguminoase

Frankia - Alnus Simbioze fixatoareFixarea azotului molecular Simbioza asociativ

AzospirillumSimbioze fixatoareCircuitul AzotuluiReducerea NO3-N2Azot OrganicNH4+NO3-DenitrificareFixarea nesimbiotic a N2Fixarea simbiotic a N2DescompunereNitrificareAmonificareImobilizareAbsorbie radicular

Etapele circuitului Azotului n naturFixarea azotului bacteriile convertesc Azotul atmosferic (N2) n amoniac (NH3).Descompunere microorganismele descompuntoare elibereaz compuii de azot din materia organic.Amonificare bacteriile i fungii transform compuii organici de azot provenii de la plante i animale moarte i elibereaz excesul de NH3 i ionii de amoniu (NH4+).Nitrificare proces de chemosintez n care ionii de NH3 sau NH4+ sunt convertii n nitrii (NO2-), alte bacterii convertind NO2- la nitrai (NO3-).Denitrificare procesul de conversie de ctre bacterii a NO2- i NO3- n N2.Circuitul azotului principiiFixarea biologic introduce n sistemul solului cantiti ridicate de de azot. Complexul enzimatic al microorganismelor fixatoare de azot (nitrogenaza) este capabil s activeze legtura tripl a moleculei de azot, care poate fi redus la amoniac. Procesul de activare a molecului de azot se desfoar la o temperatur relativ sczut (15-40oC) i la o presiune atmosferic normal. n funcie de planta de cultur, cantitatea de azot atmosferic fixat biologic oscileaz ntre limite foarte largi.

Rata de Fixare a AzotuluiLeguminoasePlantakg / ha / anmin maxMedicago sativa56.04336.26Trifolium pratense56.04280.21Trifolium subterraneum28.02196.15Trifolium repens22.42280.21Lotus corniculatus33.63224.17Lupinus sp.56.04168.13Vicia villosa56.04168.13Pisum sativum22.42100.88

AzotobacterBeijerinckiaDerxiaAzomonasBacillusClostridiumDesulfovibrioChlorobiumRhodopseudomonas Rhodospirillum Genuri

Azotobacter

RhodopseudomonasChlorobium

Fixarea N2 microorganisme non-simbionteFixarea N2 bacterii aerobeCele mai rspndite i mai cunoscute fac parte din genul Azotobacter. Sunt ntlnite mai ales n solurile cultivate, bogate n humus, cu reacie neutr i mai rar n solurile acide, podzolice, turbrii i mlatini. Caracterele morfologice variaz n funcie de condiiile de mediu, fapt ce explic descrierea la un moment dat a numerose specii separate care ulterior au fost considerate ca sinonime. Dintre speciile genului Azotobacter cea mai eficient este Azotobacter chroococcum.n condiii nefavorabile de mediu formeaz chiti, prin modificarea celulelor adulte sau a celulelor btrne.

Dezvoltarea chitilorFixarea N2 bacterii aerobeSpeciile de Azotobacter se dezvolt la o temperatur de T= 9 - 37oC i fixeaz azotul la un pH=6 10. Sunt bacterii aerob, Gram negative i oxideaz complet hidraii de carbon pn la CO2, fr a produce n mediu metabolii intermediari. n condiii optime bacteriile fixeaz aproximativ 1.50 9.50 mg N2 pentru fiecare gram de glucide oxidate. Randamentul fixrii este variabil de la o tulpin la alta, dup natura sursei de carbon. Deosebirile dintre diferitele tulpini constau n viteza aciunii lor, unele fiind n stare s fixeze n 3 zile 100 % din concentraia final, n timp ce altele realizeaz fixarea ntregii cantiti numai dup 12 zile. Fixarea N2 bacterii anaerobeFixarea anaerob a N2 a fost evideniat nc din 1893 de Winogradski care a reuit izolarea i cultivarea pe un mediu nutritiv lipsit de azot a speciei Clostridium pasteurianum. Ulterior au fost descrise i alte specii anaerobe care aparin genurilor Desulfovibrio i Desulfotomaculum, respectiv facultativ anaerobe Klebsiella i Bacillus capabile de fixarea azotului.Randamentul fixrii azotului de ctre Clostridium pasteurianum este maxim cnd este asociat cu bacteriile celulolitice anaerobe care pun la dispoziie hidrai de carbon solubili i care care se gsesc n sol n concentraii mici. Fixare anaerob a N2 are un rol esenial n solurile puin aerate sau invadate de ap (mlatini, orezrii) unde Clostridium pasteurinum este principalul fixator de azot.

Clostridium pasteurianumFixarea simbiotic a N2Fixarea simbiotic a azotului n plante are loc att n nodozitile radiculare leguminoaselor ct i n nodozitile dezvoltate pe rdcinile altor plante. Bacteriile care formeaz rizobii sunt obiectul celor mai intense studii cu privire la fixarea azotului n mod simbiotic fiind direct implicate n managementul nivelului de fertilitate al solurilor destinate culturilor agricole.Taxonomia actual a bacteriilor capabile s formeze rizobii cuprinde 98 de specii grupate n 14 genuri cu un numr variabil de specii capabile de nodulare.Rhizobium (30 specii), Mesorhizobium (21 specii), Azorhizobium (2 specii), Sinorhizobium (17 specii), Ensifer (1 specie), Bradyrhizobium (9 specii), Phyllobacterium (3 specii), Microvirga (3 specii), Methylbacterium (1 specie), Burkholderia (7 specii), Shinella (1 specie), Devosia (1 specie), Ochrobactrum (2 specii), Cupriavidus (1 specie).Substanele organice azotate reprezint 99 % din rezervele totale de azot din sol, i se acumuleaz n mod natural n sol prin procesul de fixare biologic a azotului i prin cel de degradare a resturilor organice vegetale i animale, a ngrmintelor verzi i a gunoiului de grajd. Anterior procesului de amonificare are loc descompunerea moleculelor proteice prin hidroliz, cu ajutorul proteazelor extracelulare eliberate de numeroasele specii de microorganisme aerobe i anaerobe. Aminoacizii rezultai din aceast degradare ptrund n interiorul celulelor bacteriene, unde sufer un proces de dezaminare, din care rezult NH3 .

Amonificarea Amonificarea poate fi definit ca un proces biologic n urma cruia se elibereaz n sol NH3, ca rezultat al aciunii microflorei solului asupra aminoacizilor rezultai din descompunerea substanelor proteice. Eliberarea de NH3 sub aciunea micoflorei temporare de putrefacie nu este inclus n amonificare. Cea mai mare parte din NH3 sufer n continuare o transformare n forme accesibile plantelor, iar restul poate fi fixat n sol, mai ales n soluri acide sau se evapor n atmosfer.

Amonificarea n procesul de amonificare sunt implicate bacterii din genurile: BacillusClostridiumProteusPseudomonas Streptomyces.

Proteus

Streptomyces

PseudomonasAmonificarea NitrificareaReaciile produse pe parcursul procesului:

Prima etap este catalizat de bacteriile din genul

Nitrosomonas2 NH4+ + 3 O2 2 NO2- +2 H2O+ 4 H+

A doua etap este catalizat de bacteriile din genul

Nitrobacter2 NO2- + O2 2 NO3-

Nitrificarea Nitrificarea este un proces de oxidare n nitrai a NH3 i a altor forme reduse ale N2 anorganic eliberate n sol pe parcursul procesului de amonificare, care reprezint forma asimilabil pentru majoritatea plantelor verzi. Nitraii reprezint i forma sub care azotul din sol este pierdut, deoarece fiind solubili, sunt splai de ploaie sau redui la NH3, nitrai sau chiar azot molecular prin denitrificare.Microorganismele nitrificatoare sunt autotrofe chemosintetizante care i procur energia necesar prin reacii chimice oxidative. Sunt aerobe stricte - rspndite practic n toate tipurile de sol, i folosesc ca surs de carbon C mineral din CO2 i carbonai, iar ca surs de N - amoniacul sau nitriii.Nitrificarea Nitrificarea este un proces de oxidare n nitrai a NH3 i a altor forme reduse ale N2 anorganic eliberate n sol pe parcursul procesului de amonificare, care reprezint forma asimilabil pentru majoritatea plantelor verzi. Nitraii reprezint i forma sub care azotul din sol este pierdut, deoarece fiind solubili, sunt splai de ploaie sau redui la NH3, nitrai sau chiar azot molecular prin denitrificare.Bacteriile nitrificatoare sunt autotrofe chemosintetizante care i procur energia necesar prin reacii chimice oxidative. Sunt rspndite practic n toate tipurile de sol, i folosesc ca surs de carbon C mineral din CO2 i carbonai, iar ca surs de azot - amoniacul sau nitriii.Denitrificarea Nitraii acumulai n sol, ca rezultat al procesului de nitrificare, sunt n parte consumai de plantele superioare, iar o cantitate variabil este splat de apele de infiltrare. Nitraii pot fi folosii i de microorganisme, fie c sunt asimilai n cursul proceselor de sintez a protoplasmei, fie c sunt redui pentru oxidarea substanelor organice sau minerale. Denitrificarea reprezint propriu-zis procesul care nchide circuitul prin reintroducerea azotului molecular n natur.Reducerea nitrailor pe parcursul procesului de denitrificare se face fie pn la N2 sau NH3, fie pn la stadii intermediare NO3, NO2, NO sau N2O. Condiiile optime de producere sunt realizate n solurile saturate cu ap i n structurile profunde ale soului.Denitrificarea Bacillus

Pseudomonas

Paracoccus

Denitrificarea Reducerea nitrailor pn la azot gazos poate provoca n sol pierderi de pn la 120 kg N2/ha/an, cu toate c o parte din azotul degajat poate fi preluat de fixatorii de anaerobi (Clostridium pasteurianum).

Reducerea incomplet, pn la stadiile intermediare de NO2 i NH3, este mai puin duntoare pentru fertilitatea solului, deoarece NH3 poate fi folosit de unele microorganisme heterotrofe, n timp ce nitriii sunt preluai de bacteriile nitrificatoare i reoxidai n nitrai.