CAPITOLUL I

STADIUL ACTUAL AL CERCETÃRILOR PRIVIND

CIRCUITUL AZOTULUI ÎN NATURÃ

Chimiştii au găsit mijlocul de a izgoni din agriculură spectrul

„foametei de azot” şi au rezolvat problema fixării azotului atmosferic.

Aceasta însă nu înseamnă ca problema este definitiv eliminată.

Savanţii din întreaga lume caută procedee noi, mai ieftine şi mai

eficiente pentru fixarea azotului. Cercetările se efectuează în două direcţii:

biologică şi tehnică.

Cercetările lui Delwiche (1970) referitoare la substanţele organice

azotate din mare, sunt raportate la cei 10 cm de strat „activ” de la fundul

oceanului, în timp ce Söderlund şi Svensson (1976) iau în consideraţie

azotul organic dizolvat în coloana de apă.

Mulder, Lie şi Woldendorp (1969) consideră că bacteriile fixatoare de

azot liber au o contribuţie minoră la economia globală a acestui element în

natură şi la fertilitatea solului, pe baza următoarelor argumente:

- numărul celulelor de Azotobacter şi Beijerinckia, în foarte multe

soluri, este relativ mic; s-a demonstrat, în plus, că prezenţa în rizosferă a

unui număr mare de bacterii fixatoare de azot, ca Azotobacter, Beijerinckia,

Derxia şi Azospirillum, nu atestă rolul lor în economia azotului din sistemul

respectiv;

- stimularea fixării azotului necesită consumul unor cantităţi mari de

carbon organic;

- în prezenţa compuşilor cu azot în mediu, îi utilizează preferenţial pe

aceştia, diminuându-şi, semnificativ, capacitatea fixatoare;

- în solurile fertile, activitatea lor este uşor depresată de

microorganismele nefixatoare care consumă substraturile organice cu

carbon.

Day şi colab. (1984), utilizând tehnici mai riguroase, apreciază

contribuţia bacteriilor chemotrofe libere la 2-3 kg N/ha/an şi cu un rol mai

important în regiunile tropicale decât în cele temperate.

În ansamblu, în special pe baza studiilor de laborator efectuate cu

tehnici moderne ,se consideră că rolul acestei categorii de microorganisme în

fixarea azotului şi fertilitatea solului este incert. Ele explică lipsa de interes

pentru bacteriile Azotobacter. Beijerinckia, Clostridium etc., atat de mult

studiate până în anii 1950.

După Evans şi Barber (1977), leguminoasele cultivate şi cele din flora

spontană introduc în sol 90 x 106 tone N/an, respectiv aproximativ jumatate

din cantitatea totală de azot fixat pe cale biologică. Capacitatea fixatoare a

sistemului Rhizobium/ lucernă sau Rhizobium/ lupin, poate reprezenta între

350 şi 600 kg N/ha/an.

Eficienţa este determinată de caracterul integrat al simbiozei, în cursul

căreia bacteriile beneficiază de glucidele sintetizate de plante, în cursul

fotosintezei, la rândul lor ,cedând produşii rezultaţi din fixarea azotului, pe

care îi exporta direct din nodul în organismul plantei pe calea unui sistem

specializat.

Delwiche (1970 – 1976) semnalează un fapt deosebit, care, deşi este

raportat la perioada anilor 1970, îşi păstrează întreaga semnificaţie. Câştigul

total de azot fixat anual este de 92 milioane de tone, în timp ce pierderile

prin denitrificare sunt limitate la 83 tone N/an. Diferenţa de 9 milioane de

tone/an reprezintă, probabil, cantitatea de azot fixat care este introdus anual

în biosferă, în structura diferitelor molecule din sol, lacuri, râuri, oceane,

precum şi în rezervoarele subterane.

După Audus, Ghinea şi Ghiorghiade (l970) putem întâlni o acţiune

directă împotriva organismelor, alterând un proces fundamental comun.

Poate exista şi o acţiune selectivă, fiind inhibate doar procesele vitale ale

unui grup de microorganisme. Unele erbicide pot favoriza, direct sau

indirect, o serie de microorganisme care, astfel, pot substitui alţi compuşi ai

microbiotei, modificând echilibrul microbian al solului.

J. Audus (1970) arată că microbiota solului alcătuieşte un microsol

dinamic şi complex ale cărei populaţii se află într-un echilibru foarte delicat,

echilibru menţinut printr-o complexitate de interacţiuni a căror natură, de

multe ori, ne este cunoscută. Autorul vorbeşte tocmai de posibilitatea de

tulburare a acestei interacţiuni prin aplicarea erbicidelor – a pesticidelor, în

general. Prin aceasta se poate tulbura fertilitatea optimă a solului.

Obiectivul principal al agriculturii este asigurarea condiţiilor

favorabile pentru speciile importante din punct de vedere comercial,

utilizându-se erbicide în detrimentul multor altor specii.

Practica agricolă influenţează în mod direct sau indirect asupra

diversităţii biologice. Această acţiune se reliefează la diferite niveluri,

cauzele generale ale deteriorării biodiversităţii fiind următoarele:

- la nivelul ecosistemelor şi habitatelor: a influenţat direct

micşorarea habitatelor multor specii de insecte, păsări, amfibii, mamifere,

plante superioare şi inferioare;

- la nivelul speciilor: utilizarea erbicidelor dăunează speciilor

comensale, iar a insecticidelor – microfaunei. Se tulbură ciclurile de

dezvoltare ale multor organisme. Mecanizarea şi fertilizarea provoacă

modificarea echilibrului dintre specii;

- la nivel genetic: se produce micşorarea numărului de specii,

varietăţi, rase utilizate. Monocultura favorizează mult acest proces. Are loc

eroziunea genetică ireversibilă a speciilor animale şi vegetale.

S-a studiat efectul toxic la mai multe grupe de erbicide. Astfel, s-a

observat că există o sensibilitate diferită la aminotriazine, chiar la tulpina

aparţinând aceleiaşi specii microbiene. Dintre diazine a fost studiată, sub

aspect microbiologic, mai ales hidrazida maleică. Se pare că aceasta, în doze

normale, provoacă o uşoară stimulare a microbiotei solului (Levi, Krafts,

Evans, 1968) - cit. Zarnea (1994), dozele excesive fiind inhibitoare.

Substituenţii sunt apreciaţi în general ca fiind toxici pentru microbiotă

Bartha şi colab. (1967) apreciază faptul că derivaţii ureei sunt cele

mai toxice erbicide pentru microbiota solului. Carbonaţii au un efect

depresiv temporar.

În timp ce pe plan local (în mod particular, la nivelul suprafeţelor

supuse unei agriculturi intensive) se pun probleme importante pentru

evitarea unui deficit de azot, pe plan global, bilanţul circuitului azotului este

pozitiv. Acest caracter este determinat de faptul că, la nivelul biosferei,

cantitatea de azot fixat este mai mare decât cea pierdută prin recoltări,

denitrificări, depuneri de sedimente.

Datorită aportului crescut de azot, mai ales în apele de suprafaţă şi

subterane, există riscul ca această concentraţie crescută de azot să

depăşească nivelul acceptabil pentru consumul uman. Există riscul ca, în

perspectivă, chiar pe plan global, să fie necesară utilizarea denitrificării

pentru a controla cantitatea de azot fixat în biosferă. În felul acesta, efortul

pentru a găsi căi de îmbogăţire a solului în azot şi de a ameliora, pe această

cale, alimentaţia populaţiei globului, va trebui sa fie înlocuit cu efortul de a

menţine, în limite normale, într-un echilibru rezonabil, ciclul azotului.

CAPITOLUL II

ROLUL MICROORGANISMELOR ÎN

CIRCUITUL GLOBAL AL MATERIEl ÎN NATURÃ

În natură, organismele vii preiau în mod permanent din sol, din apă şi

din atmosferă, cantităţi mari de elemente pe care le folosesc pentru sinteza

constituenţilor lor celulari şi pentru obţinerea energiei necesare activităţilor

lor biologice. Parţial, în cursul vieţii lor şi în cea mai mare parte după

moarte, substanţele organice formate sunt supuse unui proces de

mineralizare, iar elementele componente sunt redate rezervoarelor din care

au provenit.

Circulaţia biochimică este dirijată, direct sau indirect, de energia

radiantă solară, care este absorbită de organismele fototrofe (plante verzi,

alge, bacterii fotosintetizante). Datorită capacităţii de a converti energia

luminoasă în energie chimică, ele pot sintetiza substanţe organice pornind

numai de la CO2 atmosferic, apă şi substanţe minerale.

De la plante, substanţele organice astfel sintetizate, sunt preluate sub

formă de hrană de către animale şi om, iar după moartea acestora se reîntorc

în sol şi în ape, sub formă organică, neutilizabilă ca atare de către plante.

La această sărăcire a solului în substanţe anorganice se adaugă

pierderile determinate de eroziune, fenomenele produse de vânt şi ploi, de

depunerea unor compuşi minerali în sedimente şi roci sedimentare, sau

stocate sub forme ce evoluează spre stadiul de combustibili fosili (cărbune,

ţiţei etc.). Dacă acest proces ar fi continuu, cu toate că rezervele de elemente

biogene existente în natură sunt foarte mari, s-ar ajunge, la un moment dat,

la epuizarea formelor utilizabile, situaţie incompatibilă cu existenţa

organismelor vii. Acest fenomen este împiedicat de faptul că

microorganismele din sol şi din ape, exercitând o puternică şi permanentă

acţiune de mineralizare a substanţelor organice de proveninţă vegetală sau

animală, menţin constituenţii anorganici şi organici din biosferă într-un

raport relativ constant.

Chiar şi în mediile acvatice, în care după date mai noi, în procesul de

remineralizare participă cu un rol important zooplanctonul, rolul bacteriilor

şi al fungilor rămâne esenţial datorită unor particularităţi unice:

1. caracter ubicuitar;

2. activitate metabolică intensă;

3. capacitate de multiplicare rapidă;

4. activitate degradativă marcantă chiar asupra unor substanţe chimice

complexe (celuloză, lignină, chitină) neobişnuită (hidrocarburi, fenoli

etc.) sau „recalcitrante“ (de sinteză).

2.1. CICLURILE BIOGEOCHIMICE

Ciclurile biogeochimice însumează căile de circulaţie ale elementelor

biogene în natură, prin care trec de la forma anorganică la forma organică,

respectiv la diferite combinaţii, mai mult sau mai puţin complexe, pentru ca

să revină la forma anorganică din compartimentul abiotic al habitatelor

respective.

Evoluţia acestor căi în care sunt implicate atmosfera, hidrosfera şi

litosfera, implică intrarea în acţiune a numeroase etape intermediare de

transformare a unor reacţii fizice (solubilizări, precipitaţii, volatilizări) şi

chimice (oxidări, reduceri, hidrolize), ca şi activităţi biologice (degradări şi

mineralizări, conversie organică prin biosinteză), precum şi prin translocări

spaţiale repetate:

atmosferă <=> apă, atmosferă <=> sol, sol <=> apă, apă <=> sedimente

În unele cazuri, transformările ciclice sunt relativ simple din punct de

vedere chimic, fiind limitate la simpla alternanţă anorganic <=> organic.

În acest sens este caracteristic ciclul fosforului, care este preluat de

organismele vii (microorganisme şi plante) ca fosfat anorganic solubil şi

încorporat în compuşi organici prin esterificarea ionului fosfat.După moartea

organismelor, fosfatul organic eliberat este reconvertit la formele

anorganice. În cursul acestui ciclu, atomul de fosfor rămâne component al

grupării fosfat. Circulaţia lui sub acţiunea microorganismelor nu-i modifică

starea de oxidare (Stewart, 1976).Transformările se reduc la trecerea de la

fosfat anorganic la organic şi invers, respectiv de la insolubil (imobilizat) la

solubil şi mobil (Atlas, 1984)

Situaţia este diferită în cazul altor elemente (C, N, 0, S etc.), la care

conversia anorganic <=> organic este însoţită de modificări în starea lor de

oxidare, cu consecinţe importante pentru utilizarea lor de către

microorganisme.

În unele medii, indisponibilitatea elementelor citate nu este

determinată de absenţa lor, ci de lipsa unor forme chimice accesibile. Ca

urmare, un hectar de sol poate să conţină 75000 tone N şi să fie, totuşi,

limitant pentru plante. Fracţiunea din azotul total, prezent în biosferă

disponibilă pentru a fi utilizată de plante, variaza intre 0,00001 şi 0,001% .

În stârşit, unele cicluri (de exemplu, în ciclul carbonului) prezintă ceea

ce Hutchinson a denumit imperfecţiuni accidentale, în sensul că, permanent,

anumite cantităţi sunt depuse în forme relativ stabile, fiind scoase din circuit,

fie pe termen mediu (ca în cazul humusului), fie pentru zeci şi sute de

milioane de ani, ca în cazul combustibililor fosili (Fig.1).

Fig.1. Schemă privind circuitul biogeochimc în natură

(după Hutchinson, 1970)

Diferitele forme chimice (organic, anorganic, solubil, insolubil) ale

unui element, formează rezervoare ale caror mărime poate fi aproximată,

atât la scară locală (la nivel de habitat) sau chiar extrapolată la nivel de

biosferă. Între diferitele rezervoare, prezente în atmosferă, litosferă sau

hidrosferă, există un flux continuu care evoluează în funcţie de viteza de

reciclare a materialelor respective.

Mărimea rezervoarelor poate diferi mult de la un habitat la altul. Ele

pot conţine compuşi uşor accesibili, expuşi unor transformări rapide, sau

relativ inaccesibili, transformaţi lent. În funcţie de condiţiile locale, unele

forme chimice pot fi pierdute, iar altele se pot acumula. Mărimea diferitelor

rezervoare determină viteza de turnover. În general, rezervoarele mici (de

exemplu, cel de CO2) au un turnover rapid şi, în mod deosebit, sensibil la

Mineralizare

Stocare pe termen mediu (humus) sau

lung (combustibili fosili, sedimente)

Substanţe organice

(organisme vii)

Substanţe anorganice

Rezervoare naturale

(atmosferă, hidrosferă,

litosferă)

Asimilare

perturbări. Viteza cu care evoluează întregul ciclu depinde de mărimea

rezervorului şi de cea mai lentă viteză de turnover. În unele cazuri, viteza

mică de degradare a unor substraturi (celuloză, hemiceluloză, lignină)

determină o "strangulare" a fluxului şi încetinirea lui globală (Alexander,

1971).

În unele cazuri, mărimea rezervorului este constantă în timp, datorită

unei stări de echilibru, rezultată, în primul rând, din faptul că pierderea este

echilibrată de un flux aproximativ egal. Ca urmare, cantitatea de carbon

organic, într-un teren virgin este, relativ constantă, deoarece pierderea de

CO2 este echilibrată de reîntoarcerea sub formă de carbon organic, ca litieră

şi ţesut radicular mort.

2. 2. INTERCONECTAREA CICLURILOR BIOGEOCHIMICE

În mod convenţional, există o tendinţă de prezentare separată a

ciclului diferitelor elemente biogene, deşi, ele sunt strâns interconectate şi

interdependente, realizând, în ansamblu, circuitul global al materiei în

natura. În acest sens, există probe numeroase de la cele mai simple la cele

mai sofisticate.

Bacteriile proteolitice, care descompun proteinele la CO2 , NH3 , H2S,

sunt implicate în trei cicluri; respectiv, ciclul carbonului, azotului şi sulfului.

În mod asemănător, Thiobacillus denitrificans participă în desfăşurarea celor

trei cicluri prin reducerea nitratului, oxidarea H2S şi utilizarea energiei

pentru reducerea CO2 şi sinteza de compuşi organici ai carbonului.

În Fig.2 sunt prezentate interacţiunile dintre ciclurile carbonului,

oxigenului şi apei.

Interacţiuni similare au loc constant între ciclul carbonului şi cel al

azotului.

Fig.2. Interrelaţiile dintre ciclurile oxigenului, carbonului şi apei

(după Weisz, 1982)

Inf1uenţa omului este foarte evidentă pe scară locală, unde poate

perturba capacitatea proprie de echilibrare a unui ciclu, inducând, uneori,

modificări severe şi greu reversibile ale mediului. Ea se poate manifesta

negativ şi la scară globală, aşa cum se întâmplă cu creşterea concentraţiei

CO2 în atmosferă, ca o consecinţă a industrializarii şi a arderii

combustibililor fosili.

Poluarea, sub diferitele ei forme, cu un aport excesiv de materie şi

energie, poate modifica viteza de transfer a elementelor între diferitele

rezervoare; mărimea rezervoarelor producând schimbări majore în

particularităţile biochimice ale habitatelor şi asupra comunităţilor de

organisme care le populează.

În circulaţia materiei în natură, rolul microorganismelor este esenţial.

Fără microorganisme nu ar putea exista plante, iar în lipsa lor viaţa

animalelor ar înceta. Prin urmare, microorganismele sunt tot atât de

indispensabile vieţii, ca şi sursa de energie pe care o reprezintă soarele,

H2O şi CO2 din mediu

O2 din mediu

Constituenţii materiei vii

H2

CO2

O2

H2

CO2

O2

deoarece, fără unul dintre aceşti factori, nu ar mai exista plante verzi, deci

viaţa însăşi ar înceta.

CAPITOLUL III

CIRCUITUL BIOGEOCHIMIC AL AZOTULUI

Azotul este un element esenţial pentru existenţa vieţii in biosferă,

deoarece este inclus în structura tuturor proteinelor şi acizilor nucleici. Deşi

este prezent în natură în cantităţi foarte mari, se găseşte, aproape invariabil,

în forme inaccesibile plantelor şi animalelor. Azotul reprezintă 79% din

conţinutul atmosferei sub formă de azot diatomic, gaz, practic inert,

inaccesibil sistemelor biologice. Se adaugă cantităţi importante prezente în

structura plantelor şi a animalelor terestre, în humus, în substanţele organice

din organismele vii din sedimentele din mări şi oceane, în roci etc.

În cadrul circuitului azotului în natură, azotul mineral este folosit de

plante şi înglobat în structura lor sub formă de constituenţi celulari.

Animalele sunt dependente de plante ca sursă majoră de azot. Ţesuturile

vegetale şi animalele moarte sunt mineralizate prin procesul de proteoliză şi

amonificare şi convertite, prin nitrificare, în forme din nou accesibile

plantelor. Cu toate acestea, pierderile de azot din sol, legate de recoltarea

plantelor de cultură, precum şi cele adiţionale, determinate de denitrificare şi

levigaţie, sunt atât de mari încât, cel puţin în cazul solurilor agricole,

depăşesc cantitatea de azot disponibil existent. Se apreciază că o producţie

de grâu de 5 000 kg/ha echivalează cu o pierdere de 120 kg. În mod

asemănător, o producţie de 50 000 kg sfeclă necesită 200 kg N, iar

producerea de 5 000 kg biomasă uscată/ ha/an, pe o pajişte din regiunile

temperate, implică o pierdere de 150 kg N. Din aceasta decurge necesitatea

îmbogăţirii solului în azot combinat, fie pe cale naturală, prin fixarea

biologică a azotului atmosferic,fie artificial, prin adăugare de îngraşăminte

azotate. Altfel, există riscul ca deficitul de azot să devină un factor limitant

al producţiei primare în ecosistemele respective.

Făcând abstracţie de cantităţile mici de azot molecular care devin

accesibile plantelor pe cale fizico-chimică, prin fixarea lor în sol în cursul

descărcărilor electrice şi cu apele din precipitaţii, cea mai mare parte a

azotului atmosferic ar rămâne nefolosită de vieţuitoarele de pe pământ dacă

nu ar exista microorganismele fixatoare de azot.

Cantitatea de azot fixat, pe cale biologică, este apreciată la 175

milioane tone N/an, din care 90 x 106 , tone în solurile agricole. Se adaugă

azotul fixat pe cale abiotică, prin iradieri, descărcări electrice din atmosferă

(fulgere), apreciat la 10 tone N/an şi cel din procese de combustie, de la

ehipamente electrice, motoare cu combustie internă etc. ce produc oxizi de

azot care, eliberaţi în atmosferă, sunt readuşi de ploi în sol sub formă de

nitraţi.

Circulaţia biologică a azotului este un proces lent şi continuu, prin

care, sub acţiunea a peste 100 de genuri de bacterii diferite, azotul gazos

atmosferic este convertit la forme fixe, care sunt folosite de plante şi

introduse în forme organice, în constituenţi structurali, utilizând energia

obţinută prin fotosinteză. După moartea plantelor şi animalelor care i-au

consumat, compuşii organici ai azotului sunt mineralizaţi şi restituiţi marelui

rezervor atmosferic.

Etapele esenţiale ale acestui proces, implicând intrarea în acţiune a

mai multor activităţi biochimice, unele desfaşurate în aerobioză, iar altele în

anaerobioză sunt:

1) Fixarea azotului molecular;

2) Amonificarea;

3) Nitrificarea;

4) Denitrificarea.

Rezervorul natural de

azot atmosferic

Bacterii

denitrificatoare

Resturi animale

Bacterii

descompunătoare

Amoniac (NH3)

Ion amoniu (NH4+)

Fixarea azotului

(NO2-)

Fixarea biologică

a azotului prin

acţiunea bacteriilor

nitrificatoare

Resturi vegetale Fertilizatori

(NH4+), (NO3

=)

Nitriţi (NO2=)

Nitraţi (NO3=)

CIRCUITUL AZOTULUI ÎN NATURĂ

În timp ce în ecosistemele naturale circuitul azotului este un proces

echilibrat, în sensul că pierderile de azot din sol sunt compensate de

procesele de fixare, în sistemele supuse procesului de agricultura intensivă,

pierderile depăşesc ritmul de înlocuire. Se apreciază că 35% din populaţia

globului este absolut dependentă de îngrăşămintele azotate.

Bilanţul global al circuitului biogeochimic al azotului este un bilanţ

pozitiv pentru biosferă, deşi există scurgeri din circuit, atât prin denitrificare,

cât şi prin depozitarea unei părţi de substanţe organice în sedimente.

Caracterul pozitiv al bilanţului, adică a faptului că se fixează mai mult azot

decât se pierde, este foarte important deoarece face posibilă creşterea

biomasei întregii biosfere. Ponderea activităţii umane în acest proces este

substanţială şi în continuă creştere, iar eforturile făcute pe acest drum, sunt

pe deplin justificate, deoarece duc la creşterea cantităţii de proteine în

alimentaţia omului.

3.1.FIXAREA AZOTULUI MOLECULAR

Reprezintă orice proces care converteşte azotul liber în compuşi cu

azot.

Molecula de azot poate fi scindată în atomi de azot de energia care

rezultă din arderi, din acţiunea vulcanilor, descărcări electrice şi procese

industiale. Lumina din descărcările electrice atmosferice furnizează energia

care favorizează unirea azotului atomic cu oxigenul atomic, formându-se

oxid de azot. După o serie de schimbări compuşii cu azot ajung pe pamânt

prin ploaie.

3.1.1.Fixarea biologică a azotului

Este realizată în exclusivitate de bacterii şi constă în încorporarea

azotului în combinaţii chimice pe care plantele le pot absorbi şi utiliza.

Aceste substanţe sunt amoniacul şi ionul de nitrat. Pentru ca azotul

atmosferic, molecular să reacţioneze cu hidrogenul şi oxigenul, el trebuie să

fie scindat în atomi de azot. Scindarea azotului molecular în azot atomic şi

combinarea acestuia cu hidrogenul, având ca rezultat amoniacul sau cu

hidrogenul şi oxigenul din care rezultă ionul de nitrat (NO3-), în mediul

terestru şi în mediul acvatic, este realizat de către bacterii fixatoare de azot,

cu ajutorul enzimelor. Enzima se numeşte nitrogenază. Nitrogenaza

funcţionează numai în absenţa oxigenului.

Nu există nici un exemplu de organisme eucariote fixatoare de azot

molecular. Se apreciază că această proprietate a apărut în cursul evoluţiei

într-o perioadă când speciile eucariote erau deja existente şi bacteriile erau

singurele organisme dotate cu capacitatea de a metaboliza anaerob şi cu

reductazele adecvate unei conversii în direcţia nitrogenazelor, sistemul

enzimatic esenţial pentru fixarea azotului.

3.1.2. Bacteriile libere fixatoare de azot

Sunt reprezentate de 2 grupuri majore:

1. bacteriile chemotrofe;

2. bacteriile fototrofe (eubacterii şi cianobacterii).

1. Bacterii chemotrofe fixatoare de azot: Clostridium pasteurianum şi

Azotobacter sp. au fost descrise, iniţial, ca singurele bacterii fixatoare de

azot şi considerate, mult timp, ca având o importanţă esenţială pentru acest

proces pe plan global.

Ulterior, s-a demonstrat că din numărul total de 260 de genuri de

bacterii chemotrofe, aproximativ 10% conţin nitrogenaza şi, ca urmare, au

proprietatea de fixare a azotului atmosferic. Ele includ specii din genurile:

Alcaligenes, Aquaspirillum, Arthrobacter, Azospirillum, Azotobacter,

Bacillus, Bejerinckia, Campylobacter, Citrobacter, Clostridium, Derxia,

Enterobacter, Erwinia, Frankia, Klebsiella. Methylobacter Methylococcus,

Methylosinus. Mycobacterium, Propionibacterium, Rhizobium, Thiobacillus,

Xanthobacter.

Dintre acestea, unele (Rhizobium, Frankia, Azospirillum) au

capacitatea de a forma simbioze cu diferite grade de specificitate şi activitate

în natură.

Celelalte sunt fixatoare libere de azot. Unele sunt aerobe (Azotobacter

Beijerinckia etc.), altele anaerobe (Clostridium pasteurianum ,

Desulfovibrio), iar celelalte, în majoritate , aerobe facultativ anaerobe

(Klebsiella, Citrobacter, Enterobacter).

Răspândirea lor în natură este adesea caracteristică:

Azotobacter chroococcum – în soluri neutre şi alcaline;

A. agilis – în ape uzate alcaline şi neutre, sărace în azot, bogate în carbon;

Beijerinckia – în soluri acide, în special tropicale şi subtropicale;

Derxia gummosa – în special în solurile din India.

Din mediile acvatice au fost izolate: Azotobacter agile, A.

chroococcum, Azomonas agili, A. insignis, Aeromonas sp., Achromobacter

sp., Pseudomonas sp., Flavobacterium sp., Corynebacterium, iar în Marea

Neagră, o specie de Spirillum, fixatoare de azot atmosferic.

Fixarea azotului atmosferic în mediile bine aerate este considerată

unanim ca sporadică, dificilă sau imposibil de reprodus şi are loc cu o rată

insuficientă pentru a satisface nevoile recoltelor intensive. Importanţa

bacteriilor chemotrofe fixatoare de azot decurge, probabil din capacitatea lor

de a fixa cantităţi mici pe suprafeţe mari şi pe perioade îndelungate, în tot

cursul anului şi nu în perioade scurte (39 – 50 de zile) ca în cazul

leguminoaselor.

2. Bacteriile fototrofe fixatoare de azot

Dintre cele 12 genuri de bacterii fototrofe identificate până în prezent,

92% au capacităţi fixatoare de azot. Capacitatea de a sintetiza nitrogenaze

este mai degrabă regulă decât excepţie la fototrofe. Ele includ specii din

genurile: Amoebobacter, Chlorobium, Chromatium, Ectothiorhodospira,

Pelodictyon, Prosthecochloris, Rhodomicrobium, Rhodopseudomona,

Rhodospirillum, Thiocapsa, Thiocystis.

Datorită capacităţii de a realiza fotosinteză anoxigenică, importanţa

lor este limitată la mediile anoxice şi anume, în principal, la sedimentele din

lacurile puţin adânci.

3.1.3. Fixarea biologică a azotului în asociaţie cu plantele

Deoarece cantitatea de azot disponibilă pentru plante este decisivă

pentru creşterea producţiei primare, este firesc ca oamenii să depună eforturi

susţinute pentru a putea spori intrările de azot în circuitul biologic.

Principala cale de creştere a cantităţii de azot în circuitul

biogeochimic o reprezintă în prezent fixarea industrială a azotului liber, prin

fabricarea de îngrăşăminte azotoase. Cantitatea de N fixat pe această cale se

ridică la circa 50 milioane tone pe an (1978), reprezentând cam 1/3 din

cantitatea totală de azot fixat pe cale biologică. Cifrele arată că activitatea

umană afectează profund circuitul azotului pe scară planetară.

Această orientare este justificată şi de faptul că fixarea industrială

(procedeu energofag ce consumă 3% din producţia mondială anuală de gaze

naturale), ridică numeroase probleme tehnice, economice şi ecoloice,

precum şi dificultăţi ridicate de transport, aplicare, poluarea apelor freatice, a

malurilor şi a lacurilor etc.

În urma cercetărilor, s-a observat că numai 50% din îngrăşămintele

administrate în sol sunt preluate eficient de către plante şi că necesarul în

anul 2000 a fost de 1 miliard tone. Se apreciază că, pentru fiecare creştere de

populaţie cu 6 x 106 locuitori, o ţară trebuie să construiască o fabrică de

îngrăşăminte azotate, cu o capacitate de 106 kg NH4/zi. Efortul este

realizabil din punct de vedere tehnologic şi financiar, dar consecinţele

negative pentru mediu sunt intolerabile: poluare, eutrofizare, contaminarea

apelor freatice cu nitraţi, acumulare de nitrozamine cancerigene, efect

distructiv al stratului atmosferic cu ozon, prin acţiunea N2O produs în cursul

denitrificării microbiene etc.

Suprautilizarea îngrăşămintelor agricole pe bază de azot pentru

creşterea producţiilor la hectar influenţează circuitul azotului. Nitraţii folosiţi

în exces poluează ecosistemele acvatice şi apa freatică.

Cantitatea de nitraţi, în majoritatea ecosistemelor acvatice, este

limitantă şi prin aceasta, influenţează dezvoltarea algelor, a fitoplanctonului.

Excesul de îngrăşăminte este adus de ploaie în bălţi, lacuri, râuri. Fiind în

exces, stimulează dezvoltarea algelor. Algele mor, iar descompunerea lor, de

către bacteriie aerobe, consumă oxigenul dizolvat în apă. Scăderea cantităţii

de oxigen provoacă moartea altor organisme prin asfixie, ca de exemplu,

peştii.

Nitriţii dizolvaţi mai pot pătrunde în apa freatică. Consumarea apei

din fântâni cu nitriţi şi nitraţi este periculoasă mai ales pentru copiii mici.

Azotatul de amoniu, ca îngrăşământ se fabrică după metoda Haber şi

Bosch, în care azotul atmosferic este combinat cu hidrogenul la temperatură

şi presiune ridicată. Sursa de hidrogen este gazul metan sau hidrocarburile

din petrol.

În actuala criză de energie, când pericolul epuizării surselor de petrol

şi gaze naturale este iminent, iar preţul petrolului este în creştere continuă,

şi costurile îngrăşămintelor fabricate pe cale industrială devine tot mai

ridicat.

În aceste condiţii, apare firească nevoia de a găsi alte căi, mai ales

biologice, de fixare a azotului atmosferic sau de utilizare a asociaţiilor

simbionte, fixatoare de azot. Cercetările se desfăşoară pe mai multe căi, una

din aceste căi constă în încercarea de fixare a azotului liber, în simbioză cu

bacteriile.

În această privinţă, asociaţia Azolla – Anabaena reprezintă o

importantă sursă de azot în culturile de orez. Cercetările efectuate la

Institutul Internaţional pentru Cercetarea Orezului din Filipine, au stabilit că,

datorită acestei asociaţii, se obţin recolte constante de 3 – 4 tone orez/ha,

fără aplicarea îngrăşămintelor. În mod empiric, în mai multe zone de cultură

a orezului, Azolla este utilizată ca îngrăşământ.

Asociţiile de angiosperme cu actinomicete fixatoare de azot, sunt

recomandate şi folosite în silvicultură, suplinind îngrăşămintele (Torrey,

1978). Astfel, în Taiwan, meiul (Setaria sp.) este cultivat în alternanţă cu

aninul (Alnus sp.) în Noua Guinee, Casuarina este cultivată pentru

ameliorarea solului, în Japonia, de mai multă vreme, sunt plantate Alnus,

Myrica, Eleagnus, în amestec cu alte esenţe, mai ales de conifere, în acelaşi

scop – ameliorarea fertilităţii solului.

Bacterii fixatoare de azot din genul Spirillium au fost găsite simbionte

cu unele graminee spontane, de exemplu Digitaria şi chiar cu porumb în

America de Sud. Unul din cei mai importanţi producători primari din

mlaştinile sărate de pe coasta atlantică a Americii de Nord – gramineul

Spartina alterniflora – fixează azotul atmosferic prin rădăcini, în simbioză

cu bacterii fixatoare de azot (Charlene Van Raalte, 1977). Cunoaşterea

precisă a condiţiilor în care se instalează o asemenea simbioză ar deschide

perspectiva producerii ei şi la gramineele cultivate.

Tabelul I. Principalele grupe de microorganisme fixatoare de azot

Grupul sau familia Genurile sau speciile principale Caracteristici fiziologice

Azotobacteriaceae Azotobacter, Azomonas, Bejerinckia, Derxia,

Xanthobacter

Libere, heterotrofe, aerobe

Spirillaceae Azospirillium, Aquaspirillum, Campylobacter Libere, heterotrofe, microaerobe

Methylomonadaceae Methylomonas, Methylomonas, Methilococcus,

Methylobacter

Libere, heterotrofe, microaerobe

Enterobacteriaceae Clebsiella, Citrobacter, Enterobacter Libere, heterotrofe, facultativ

anaerobe

Bacilliaceae Clostridium Libere, heterotrofe, strict anaerobe

Thilobacillus Libere, autotrofe

Chromtatiaceae Chromatium, Thiocistis, Thiocapsa, Ectothiospira

Libere, fototrofe, anaerobe Chlorabiaceae Chclorobium

Rhodospirilliaceae Rhodosirillium, Rhodopseudomonas, Rhodomicrobium

Cynobacteria Anabaena, Nostoc, Calothrix, Scytonema Fototrofe, aerobe cu heterocisti

Spirulina, Oscillatoria, Lyndbya, Plectonema,

Phormidium

Fototrofe, aerobe, fără heterocisti

Synechococcus, Dermocarpa, Pleurocapsa, Xenococcus,

Gloeothece

Fototrofe, aerobe, unicelulae

Rhizobacteriaceae Rhizobium leguminosarium,R.trifolii, R.phaseoli,

R.meliloti, R.rupini, Bradyrhizobium japonicum

Simbionte

Streptomycetaceae Frankia discariae, F.coriariae, F.dyadis, F.pushiae,

F.casuarinae

Simbionte

Foarte multe specii de bacterii fixatoare de azot sunt „asociate”, în

diferite grade, cu plantele, în aşa fel încât fixarea azotului este rezultatul unei

cooperari, mai mult sau mai puţin intime, cu planta gazdă.

În această categorie sunt incluse:

1) simbioza Rhizobium / plante leguminoase;

2) simbioza Rhizobium / plante neleguminoase;

3) simbiozele asociative;

4) simbiozele foliare;

5) actinorizele;

6) cianobacteriile simbiotice fixatoare de azot, care îşi exercită activitatea în

asociaţii, mai mult sau mai puţin eficiente, cu diferite alte organisme, ca de

exemplu:

cu fungii din categoria Ascomycetes sau Basidiomycetes, în

licheni;

cu muşchii din grupul Hepaticae (Anthochos, Blasia,

Clavicularia);

cu pteridofitele în asociaţia Azolla /Anabaena azollae;

cu gimnospermele ( Cycas, Ceratozamia, Encephalartos etc);

cu anigiospermele (Gunera sp.).

3.1.4. Perspective ale îmbunătăţirii procesului de fixare

biologică a azotului

Printre procedeele preconizate pentru remanierea acestei situaţii cele

mai semnificative, ca perspectivă de abordare, sunt urmatoarele:

mărirea activităţii fixatoare a tulpinilor de Rhizobium în urma

transferului genelor hup („hidrogen uptake”), care asigură reciclarea

eficientă a hidrogenului produs în nodozităţi;

transferul genelor nif la bacterii nefixatoare de N2O în vederea

obţinerii de noi bacterii cu această proprietate. Realizarea este condiţionată

de numeroase dificultăţi tehnice, decurgând din necesitatea de a transfera

20 – 40 de gene, de a asigura stabilitatea şi activitatea lor în noile celule,

protecţia nitrogenazei de acţiunea inhibitoare a oxigenului, aprovizionarea

cu ATP, reglarea sintezei diferiţilor produşi codificaţi în cantităţi adecvate;

obţinerea de plante capabile să fixeze autonom azotul prin

transferul genelor nif;

mărirea spectrului de gazde în simbiozele asociative pentru a

include toate plantele de cultură importante.

În general, toate aceste abordări au ca inconvenient major, incompleta

cunoaştere a bazelor genetice şi biochimice ale fixarii azotului şi a

asociaţiilor simbiotice. Este încă puţin cunoscută biologia bacteriilor

fixatoare de azot în natură şi contribuţia lor la structura şi funcţia habitatului

pe care îl ocupă, ecologia lor ca membrii liberi ai rizosferei şi ai microbiotei

acesteia.

Există riscul ca bacteriile nou create sau plantele modificate, să creeze

dezechilibre în circulaţia altor elemente (P, K, Mg etc.), mai greu de

normalizat, sau, chiar de activare a unor microorganisme „sălbatice”,

capabile să competiţioneze cu cele modificate genetic.

S-au realizat numeroase cercetări şi experienţe în ceea ce priveşte

posibilitatea de transfer a complexului de gene ce controlează fixarea de

azot, de la bacterii în celulele plantelor superioare, care în acest fel ar deveni

capabile să fixeze azotul liber.

Astfel, s-a reuşit transferul acestui complex de la Klebsiella

pneumoniae la Escherichia coli.

De asemenea, s-a reuşit introducerea de bacterii fixatoare de azot la

pin, utilizând fungi ca purtători ai bacteriilor. Plantele de pin au început să

fixeze mici cantităţi de azot. În una din variantele experienţei, ciuperca

purtătoare, modificată de bacterie, s-a dovedit a fi dăunătoare pentru plantele

de pin. Varianta a fost distrusă din precauţie. Acest fapt arată şi pericolele

care pot rezulta din asemenea intervenţii („Search”, 1979).

Problema transferului genelor respective este complexă, deoarece

implică nu numai transferul genelor ce determină producerea nitrogenazei,

dar şi a celor ce controlează mecanismele prin care nitrogenaza este ferită de

contactul cu oxigenul.

Din această cauză, deşi s-a reuşit transferul genelor ce induc

producerea de nitrogenază la Agrobacterium, enzima produsă a fost inactivă,

deoarece aceste bacterii sunt strict aerobe.

Interesul este stimulat de unele calcule care demonstrează că

îmbunătăţirile pe cale biologică ar fi echivalente cu aplicarea optimă de

îngrăşăminte azotate.

3.2. AMONIFICAREA

Amonificarea este procesul de conversie a compuşilor organici cu azot, la

stadiul de amoniac. Procesul de amonificare este rezultatul activităţii a

numeroase organisme heterotrofe ca bacterii, actinomicete.

Cea mai mare parte a azotului din orizonturile superficiale ale solului

este prezent sub forma de azot în combinaţii organice. El provine din

proteinele vegetale sau animale, din masa microbiană, din excrementele

animale etc.

În climatul temperat, o rezervă majoră de azot organic este asociată cu

humusul, rezerva accesibilă organismelor vii numai după ce a fost

mineralizată printr-un proces foarte lent (Alexander, 1971 ).

Mineralizarea azotului organic din sol este un proces esenţial în ciclul

acestui element în natură, deoarece asigură conversia la forme anorganice,

mai mobile, utilizabile de către plante, ca şi de către microorganisme.

Întregul proces de mineralizare, deci de transformare a compuşilor organici

complecşi în compuşi minerali simpli, este însoţit de eliberarea de energie,

care astfel devine utilizabilă pentru alte procese de nutriţie.

În sens larg, procesul de amonificare evoluează în doua etape

succesive:

3.2.1.Etapa nespecifică

Etapa de proteoliză, este efectuată de microorganisme heterotrofe ca:

Pseudomonas sp., Arthobacter sp., Bacillus thermoproteolyticus, Proteus

sp., Serratia marcescens, Bacillus subtilis, Bacillus mycoides, Clostridium

sp., Flavobacterium sp. sau de fungi ca : Aspergillus, Mucor, Penicillium.

Rhizopus, Alternaria etc., cărora li se adaugă efectul proteinazelor de origine

vegetală sau animală.

În cursul acestei faze, compuşii organici cu structură complexă sunt

hidrolizaţi la molecule care pot pătrunde în celule, fiind utilizate de alte

microorganisme sau, sunt degradate în continuare în etapa specifică de

amonificare propriu-zisă.

3.2.2.Etapa specifică

Această etapă, determinată de microorganismele din sol, asigură

degradarea în continuare a compuşilor rezultaţi din etapa premergătoare de

proteoliză şi a celor rezultaţi din hidroliza acizilor nucleici, precum şi a

ureei, acidului uric, glucidelor animale şi conversia lor în NH4.

În sens strict, amonificarea este reprezentată de procesul de eliberare a

NH3, prin acţiunea microorganismelor asupra moleculelor rezultate din

descompunerea proteinelor, a acizilor nucleici. În acest sens, producerea şi

eliberarea de NH3 prin acţiunea microorganismelor de putrefacţie, nu este un

proces de amonificare. Amonificarea se realizează prin mecanisme diferite,

incomplet elucidate, în funcţie de natura microorganismelor implicate şi de

condiţiile de mediu. Ele au însă întotdeauna, NH3 ca produs final.

Procesul de amonificare evoluează lent. Ritmul şi randamentul său

sunt evidenţiate de cantitatea de azot amoniacal care rămâne în sol la

sfârşitul procesului. Amonificarea evoluează în condiţii optime în straturile

superficiale ale solurilor bine structurate, aerate, cu umiditate potrivită, la un

pH apropiat de neutralitate. Randamentul este optim la temperatura de 30°C,

dar limitele la care se realizează sunt mult mai largi (2 – 40°C).

3.3. NITRIFICAREA

Nitrificarea este un proces biologic prin care NH3, sau alte forme

reduse ale azotului anorganic rezultate în cursul procesului de amonificare,

sunt oxidate până la nitraţi, care reprezintă forma de compuşi azotaţi cel mai

uşor asimilabilă de către majoritatea plantelor.

Nitrificarea cuprinde două etape successive, strâns cuplate şi este

realizată de bacterii specifice, diferite:

Nitritbacteriile – care convertesc amoniacul prin oxidare, în nitrit.

Sunt Gram-negative şi heterogene ca formă (bastonaşe, spiralate, sferice

etc). Unele dintre ele au sisteme membranare complexe intracelulare,

vizibile pe secţiuni ultrafine la microscopul electronic. Cele mai cunoscute

sunt: Nitrosomonas europea , Nitrosococcus nitrosus. N. occanus , N.

mobilis , Nitrospira briensis, Nitrosolobus multiformis, Nitrosovibrio tenuis

(Backhoops şi Harms, 1987) - cit. Zarnea (I994).

Nitratbacteriile – convertesc nitritul prin oxidare în nitrat şi sunt

reprezentate de: Nitrobacter winogradskyi. N. hamburgensis. Nitrosococcus

mobilis, Nitrospira gracilis, Nitrospira marina.

Bacteriile nitrificatoare sunt prezente pretutindeni în sol, în bazinele

acvatice dulci şi marine, în sistemele de epurare a apelor uzate, în depozitele

de compost.

Prezenţa oxigenului este obligatorie pentru toate speciile de bacterii

nitrificatoare. Reacţiile încetează imediat în absenţa lui, sau se desfaşoară

într-un ritm încetinit pe masură ce tensiunea oxigenului scade.

Bacteriile nitrificatoare se dezvoltă cel mai bine la pH între 7,5 – 8,

dar cresc în natură şi în condiţii suboptimale (pH =6). Temperatura optimă

de dezvoltare este cuprinsă între 25 – 35°C, limita inferioară fiind de 5°C,

iar cea superioară de 40°C.

În sol, umiditatea acţionează indirect asupra nitrificării, datorită

faptului că afectează gradul de aerare. Nitrificarea reprezintă o etapă cu

importanţă excepţională în circulaţia azotului în natură, deoarece aduce

substanţele azotate din mediu (sol, apă etc.) în forma lor cea mai uşor

asimilabilă de către plante. De altfel, s-a observat că, în general, numărul

bacteriilor nitrificatoare este corelat cu gradul de fertilitate a solului, el

putând ajunge în solurile foarte fertile până la un million de bacterii/gram de

sol. Este sigur că acest număr mare este determinat şi de faptul că aceste

soluri sunt lucrate şi aerate.

Etapa următoare este cea de asimilare, în cadrul căreia rădăcinile

plantelor absorb nitraţii şi încorporează azotul în proteine, acizi nucleici şi

clorofilă. Ierbivorele transformă azotul în azot al proteinelor animale.

3.4. DENITRIFICAREA

Denitrificarea este procesul de descompunere a nitraţilor până la

azotul molecular, gazos, N2.

Procesul se realizează de către bacterii denitrificatoare, anaerobe. Ele

trăiesc şi se dezvoltă în sol, acolo unde există puţin oxigen sau deloc.

Bacteriile din genul Pseudomonas folosesc azotaţii ca sursă de oxigen,

necesară pentru degradarea glucozei şi formării ATP-ului. Aceste bacterii au

capacitatea de a degrada ionul NO3–

ş i NO2 –

până la azot atomic, care se

întoarce în atmosferă.

Denitrificarea este mai intensă în solurile din pădure pentru că există

condiţii mai favorabile decât în solurile agricole.

Descrisă iniţial de Schonbein (1868) – cit. Zarnea (1994),

denitrificarea este un proces biologic efectuat în exclusivitate, de bacterii şi

constă în reducerea dezasimilatorie a unuia sau a ambilor oxizi ionici ai

azotului, nitratul (NO3¯) şi nitritul ( N02

¯) până la oxizi gazoşi, ca oxidul

nitric (NO) sau oxidul nitros (N2O), aceştia pot fi ei înşişi reduşi în

continuare la azot gazos şi eliminaţi ca atare în atmosferă. Simultan, are loc

oxidarea materiei organice din mediu cu producerea de energie.

Bacteriile denitrificatoare formează un grup biochimic şi taxonomic

heterogen, care reuneşte peste 75 de genuri diferite. Contrar concepţiilor mai

vechi, nici o bacterie denitrificatoare nu este strict anaerobă. Acestea pot

chiar utiliza oxigenul ca acceptor final de electroni şi preferă chiar respiraţia

aerobă, dacă aceasta este posibilă. Cresc în anaerobioză, pe medii care

conţin NO3 –, NO2

– şi N2O.

Principalele bacterii denitrificatoare sunt: Alcaligenes faecalis, A.

eutrophus, A. denitrificans, Azospirilum sp., Bacillus azotoformans,

Hyphomicrobium vulgare, Moraxela sp., Neisseria sicca. N. flavescens,

Micrococus denitrificans, Pseudomonas aerogenes, P. pentosaceum

Rhizobium sp. . Rhodopseudomonas sp., Thiobacillus denitrificans etc.

Sunt ubicvitare, fiind prezente în toate tipurile de sol, inclusiv în zona

arctică, în nămolul activat, în sedimentele lacurilor, în sedimentele marine şi

în număr mare în rizosfera plantelor, datorită prezenţei substanţelor organice

uşor accesibile

3.4.1.Rolul denitrificării în ciclul global biogeochimic

Denitrificarea reprezintă calea majoră de formare a unei bune părţi din

azotul atmosferic şi de echilibrare a schimburilor dintre acesta şi mediile

terestre sau acvatice. Acest lucru îi conferă o mare importanţă ecologică şi

biogeochimică. Ea este răspunzatoare, în acelaşi timp, de pierderi majore (5

– 80%) din fertilizatorii azotaţi aplicaţi de către om. De asemenea, reprezintă

un mecanism ce favorizează reducerea conţinutului în azot al afluenţilor

staţiilor de epurare a apelor reziduale, reducând pericolele de eutrofizare a

bazinelor receptoare.

Denitrificarea cuplată cu nitrificarea poate fi folosită pentru tratarea

apelor uzate oraşeneşti cu conţinut bogat în substanţe organice, cu scopul de

a reduce cantitatea de azot în exces, contaminarea şi riscul de eutrofizare a

apelor receptoare.