موجودات آزادزی

در مقياس تکاملي، نخستين موجودات تثبيت‌کنندهٔ ازت، انواع آزادزى بوده‌اند که احتمالاً شامل برخى باکترى‌هاى فتوسنتزکننده و هتروتروف و نيز جلبک‌هاى سبز-آبى مى‌باشند. اين سه شکل گياهى مى‌توانند ازت را بدون کمک يا هميارى ساير موجودات تثبيت کنند. باکترى‌هاى هتروتروف تثبيت‌کنندهٔ ازت مى‌توانند، هوازي، بى‌هوازى يا اختيارى باشند (مولدر و بوتوگورا، ۱۹۷۴). که تمامى آنها به مقدار زياد در طبيعت پراکنده شده‌اند و دونوع او سهم زيادى در تثبيت ازت و تعادل آن در اکوسيستم‌هاى طبيعى و کشاورزى دارند.

- باکترى‌ها

خانوادهٔ Azotobacteraceae و خصوصاً سه جنس، Azotobacter و Azospirillum و Beijerinkia مهم‌ترين باکترى‌هاى غيرهمزيست و هوازى تثبيت‌کنندهٔ ازت هستند که در اين ميان ازتوباکتر در خاک‌هاى کشاورزى مناطق معتدله داراى بيشترين اهميت است. در خاک‌هاى زراعى با زهکشى خوب، بيشترين مقدار تثبيت ازت به‌وسيلهٔ موجودات غيرهمزيست خانوادهٔ Azotobacteraceae انجام مى‌شود. تثبيت مقادير قابل توجه ازت، نيازمند کربن (C) مى‌باشد، نظير آنچه که در بقاياى گياهى محصولات زراعى با نسبت C/N بالا وجود دارد. براى ذخيرهٔ ۱ کيلوگرم ازت (N) تقريباً ۱۰۰ کيلوگرم مواد آلى لازم است و چون در خاک‌هاى گرمى که تهويه مناسبى دارند، امکان بقاى مقادير فراوان کربن وجود ندارد. در اين سيستم‌ها کربن بيشتر يک عامل محدودکننده خواهد بود.

سلول‌هاى ازتوباکتر محتوى PBH (پلى‌بتاهيدروکسى بوتيرات) مى‌باشند که اين ماده به صرف توليد پوشش (Encystment)، باکترى مى‌‌رسد. وجود سيستم سيتوکروم براى انتقال الکترون در آنها، نشان‌دهندهٔ نسبت بالاى اکسيداسيون تنفسى در اين جنس مى‌باشند. بازده تثبيت ازت در ازتوباکتر که هوازى اجبارى مى‌باشد، ۱۰ تا ۱۵ ميلى‌گرم N۲ به ازاء هر گرم گلوکز تخمين زده شده است. اين مقدار برابر مقدار تثبيت در جنس غيرهوازى Clostridium Pasteriaum مى‌باشد ولى گونهٔ اخير مقدار بسيار کمى قند را وارد اکسيداسيون مى‌کند. قسمت عمدهٔ انرژى توليد شده به‌وسيلهٔ ازتوباکتر صرف توليد تودهٔ جديد سلولى و نگهدارى و حفاظت آنزيم نيتروژناز و از اثر بازدارندگى اکسيژن (O۲) مى‌شود. درحالى‌که کلوستريديوم غيرهوازى بوده و انرژى خود را صرف جلوگيرى از اکسيژن نمى‌کند، بنابراين با اکسيداسيون مواد مصرفى بسيار کمتر، به بازده برابر ازتوباکتر دست مى‌يابد. در شرايطى که مقدار کربن در بقاياى گياهى نظير کاه و کلش زياد باشد و محتوى آب خاک نيز بالا باشد، باکترى غيرهوازى C.pasteuianum به‌سرعت تکثيريافته و محتوى ازت خاک را افزايش مى‌دهد. باکترى‌هاى اختيارى نظير Klebsiella spp نيز ممکن است N۲ را در خاک‌ها تثبيت کنند.

سه نياز اصلى براى تثبيت مؤثر ازت در خاک براى هر سه نوع موجود هوازي، بى‌هوازى و اختيارى عبارتند از: ۱. ذخيرهٔ فراوان کربن، ۲. پائين بودن سطح ترکيبات ازته (مثل آمونياک و نيترات) در محيط، ۳. حفاظت آنزيم نيتروژناز در مقابل مقادير بيش از اندازهٔ اکسيژن. باکترى‌هاى فتوسنتزکننده‌اى که قادر به تثبيت ازت هستند، عمدتاً در آب‌هاى شور، آب‌هاى شيرين، و گل‌هاى دريائى يافت مى‌شوند. اين باکترى‌ها به رنگ سبز يا ارغوانى بوده که انواع ارغوانى را به‌نام (Red tides)، مى‌خوانند. باکترى‌هاى ارغوانى خود به دو نوع تقسيم‌بندى مى‌شوند که عبارتند از: باکترى‌هاى ارغوانى گوگردى (S) و باکترى‌هاى ارغوانى غيرگوگردى (non-S)، باکترى‌هاى ارغوانى گوگردي، H۲S را در جريان عمل فتوسنتز به‌عنوان دهندهٔ الکترون جانشين H۲O مى‌کنند و گوگرد به‌صورت زير يونيزه مى‌شود:

۲S + H۲O

+ هيدرات کربن

(نور) <--------

CO۲ +  ۲ S

گوگرد آزاد يا سولفات‌هائى که به‌صورت فوق تشکيل مى‌شوند توليد رسوبات گوگردى را نموده که موارد آن را مى‌توان در معادن مناطق ساحلى مشاهده کرد.

- جلبک‌هاى سبز - آبى:

جلبک‌هاى سبز-آبى از نظر قدمت مربوط به دورهٔ پرکامبرين هستند. در آن دوره گياهان غالب بوده‌اند ولى توانائى تثبيت ازت در آنها از آغاز قرن اخير شناخته شده است. اين جلبک‌ها همراه با گلسنگ‌هاى سهم به‌سزائى در تشکيل خاک بر سطح سنگ‌ها دارند.

معمولاً جلبک‌هاى سبز-آبى از يک سلسله سلول‌هاى متوالى تشکيل شده‌اند که بعضى از اين سلول‌ها طويل شده و داراى ديوارهٔ سلولى ضخيم‌ترى هستند. معلوم شده است که اين سلول‌هاى اختصاصى شده که هتروسيست (Heterocysts)، نام دارند محل فعاليت آنزيم نيتروژناز مى‌‌باشند. نوع دوم سلول‌ها، رويشى بوده و ممکن است داراى اجزاء پلى‌فسفات باشند، درحالى‌که نوع سوم سلول‌هاى زايشى بوده و حاوى اسپور (Akinetes)، مى‌باشند. در حدود ۴۰ گونه از جلبک‌هاى سبز-آبى شناخته شده‌‌اند که قادر به تثبيت N_۲ مى‌باشند و مهم‌ترين آنها Nostoc و Anabaena هستند. اين جلبک‌ها به‌عنوان موجودات غيرهمزيست در تعادل ازت در خاک‌هاى مرطوب و محيط‌هاى غرقابى نظير شاليزارهاى برنج سهيم هستند. بين اين جلبک‌هاى سبز-آبى و برخى از موجودات مثل سرخس کوچکى به نام Azolla نيز همزيستى ديده مى‌شود، که معمولاً در اين حالت ازت بيشترى نسبت به‌حالت غيرهمزيست جلبک تثبيت مى‌کنند.

 تثيت ازت به‌وسيلهٔ جلبک‌هاى سبز-آبى را به ميزان مؤثرى مى‌توان با استفاده از روش احياء استيلن (C_۲H_۲)، (Acetylene reduction) و روش رقيق‌سازى ^۱۵N_۳ اندازه‌گيرى نمود. Azolla مى‌تواند بيش از ۵۰ تا ۱۰۰ کيلوگرم در هکتار ازت تثبيت کند. جلبک‌هاى سبز-آبى فعال‌ترين انواع گياهى هستند که در محيط‌هاى گرمسيرى و نيمه‌گرمسيرى و حاره‌اى رشد کرده و به سطح خاک و گياهان زير آب مى‌چسبند. ولى يوشيدا مشاهده کرده است سهم آنها در تعادل ازت در مزارع برنج ژاپن در مقايسه با باکترى‌هاى ميط ريشه ناچيز و اندک بوده است. جلبک‌‌هاى سبز-آبى فقط در مراحل اوليهٔ رشد و قبل از تشکيل سايه به‌وسيلهٔ قسمت‌هاى هوائى برنج رشد مى‌کنند.

مقدار ازت تثبيت شده در طول فصل رشد در خاک‌هاى غرقابى در محدودهٔ ۳ تا ۳۰ کيلوگرم در هکتار برآورد شده است. اين تغييرات زياد در برآورد مقدار ازت به روش‌هاى نمونه‌گرى و مقدار ترکيبات ازتهٔ موجود در خاک بستگى دارد. مقدار سالانهٔ تثبيت ازت را در مزارع غرقابى برنج بيش از ۳۰ کيلوگرم در هکتار برآورد کرده است ولى آن را منحصر به جلبک‌هاى سبز-آبى نمى‌داند. جونز در نمک‌زارهاى انگلستان که داراى خاک خنثى يا کمى قليائى بودند تثبيت ازت را در حدود ۴۶۲ کيلوگرم در هکتار تخمين زده است؛ اين شرايط احتمالاً عمل تثبيت را بيشتر کرده است. نور يک عامل اساسى براى رشد جلبک‌ها و تثبيت ازت است. تثبيت ازت در صورتى‌که آمونياک يا ساير اشکال ترکيبى ازت در محيط موجود باشند، متوقف مى‌‌شود.

هوانگ دريافت که در محيط آزمايشي، هنگامى‌که خاک‌هاى فقير از نظر ازت، هنگامى که به‌وسيلهٔ جلبک‌هاى سبز-آبى تلقيح شدند، تثبيت ازت و محصول دانه برحسب نوع رقم برنج از ۴۱-۳۴% افزايش يافت. در مزارع شالى‌کارى برنج تلقيح به‌وسيلهٔ جلبک‌هاى سبز-آبى نسبت به شاهد (تلقيح نشده) هيچ مزيتى نداشت و در مقايسه با شاليزارهائى که با کودهاى ازته تغذيه شده بودند ۲۰% کاهش محصول داشت. تثبيت ازت به‌وسيلهٔ جلبک‌هاى سبز-آبى در شاليزارهاى برنج که داراى قسمت‌هاى هوائى متراکمى باشند، تأثير انداکى بر ميزان محصول دارد و پائين بودن نسبت ازت احتمالاً به‌علت توليد سايه و ترکيبات فنلى است که در اثر تجزيهٔ کاه و کلش برنج توليد مى‌شود. مشاهده شده است که اين ترکيبات بر روى رشد يک نوع جلبک سبز-آبى موسوم به Anabaena cylindrica اثرات بازدارنده دارند. به‌تازگى کشت سلول‌هاى Anabaena و Nostoc به‌عنوان تلقيح‌کننده‌هاى تجارتي، براى استفاده در مزارع محصولات زراعى نظير ذرت به بازار عرضه شده است. بايد در نظر داشت که اين موجودات با محيط‌هاى گرمسيرى و غرقابى تطابق دارند و افزايش ازت خاک يا افزايش محصول زراعى در مناطق معتدله در اثر تلقيح به‌وسيله آنها اغراق‌آميز به‌نظر مى‌رسد.