Nódulos fixadores de nitrogênio (rizóbios) formados por simbiose entre bactérias e plantas

O nitrogênio , símbolo N e número atômico 7, é um elemento químico essencial para a vida terrestre . Sem nitrogênio não há aminoácidos e sem aminoácidos não há proteínas . Sem nitrogênio não há bases nitrogenadas, e sem bases nitrogenadas não há DNA ou RNA .

A abundância de nitrogênio na Terra não é um problema. Cerca de 78% da atmosfera da Terra é nitrogênio molecular (N 2 ) , mas esta forma de nitrogênio inorgânico só é assimilável por organismos fixadores de nitrogênio , também conhecidos como diazotróficos .

Todos os organismos diazotróficos conhecidos são bactérias , mas eles não formam um grupo taxonômico com uma relação evolutiva entre eles, eles apenas compartilham a capacidade de usar o nitrogênio molecular do ar e transformá-lo em substâncias nitrogenadas assimiláveis por outros organismos , por exemplo, pelas plantas, fungos e outros. bactérias

Bactérias fixadoras de nitrogênio, portanto, são aquelas que introduzem nitrogênio na cadeia alimentar de um ecossistema . Sua atividade de ligação é mais eficiente em baixas concentrações de oxigênio, uma condição que geralmente ocorre no solo.

Fixação de nitrogênio

Ciclo de nitrogênio

A fixação do nitrogênio é o conjunto de processos que transformam o nitrogênio atmosférico (N 2 ) nitrato (NO 3 ) assimilado pelas plantas. A desnitrificação, também realizada por bactérias, é o processo inverso em que os nitratos são transformados em nitrogênio gasoso e devolvidos à atmosfera.

Com a fixação e desnitrificação do nitrogênio, completa-se o chamado ciclo do nitrogênio , um dos mais importantes ciclos biogeoquímicos.

A fixação do nitrogênio ocorre em duas etapas, amonificação e nitrificação :

  • Amonificação : bactérias fixadoras de nitrogênio no solo transformam o nitrogênio atmosférico em amônia (NH 4 + ). A amônia também pode vir de organismos em decomposição, como saprotróficos , que decompõem restos mortais de plantas e animais.
  • Nitrificação : outro tipo de bactéria, as bactérias nitrificantes , oxidam amônia e formam nitritos (NO 2 ) e nitratos (NO 3 ).

As plantas são capazes de absorver nitratos e amônio de maneira eficiente, e utilizam esse nitrogênio para sintetizar aminoácidos, bases nitrogenadas e outras substâncias nitrogenadas, deixando o nitrogênio fixado na matéria orgânica. As plantas também podem absorver pequenas quantidades de outras substâncias nitrogenadas, como uréia e certos aminoácidos.

Os organismos diazotróficos são capazes de fixar nitrogênio graças à nitrogenase , uma enzima exclusiva dos organismos procarióticos que catalisa a seguinte reação:

N 2 + 16 ATP + 10 H + + 8 e → 2 NH 4 + + H 2 + 16 Pi + 16 ADP

Depois que o nitrogênio se torna parte das plantas, ele passa para a vida animal através dos animais herbívoros e, deles, para os carnívoros. Quando esses seres vivos morrem, os organismos em decomposição transformam o nitrogênio orgânico de volta em amônio e nitratos.

Quando há excesso de matéria orgânica nos solos e ocorrem condições anaeróbias, as bactérias desnitrificantes transformam os nitratos em nitrogênio molecular que é devolvido à atmosfera.

Ciclo de nitrogênio marinho

Bactérias fixadoras de nitrogênio também vivem nos mares e oceanos. O processo é semelhante. Parte do nitrogênio gasoso da atmosfera se dissolve na água, onde as bactérias fixadoras o transformam em amônia (amonificação).

Em profundidade (abaixo da zona eufótica), a amônia é transformada em nitratos (nitrificação) e os nitratos são assimilados pelo fitoplâncton, entrando na cadeia trófica dos habitats e ecossistemas marinhos.

Tipos de bactérias fixadoras de nitrogênio

A nitrogenase é um complexo enzimático muito sensível ao oxigênio, por isso é comum que os organismos fixadores de nitrogênio necessitem de condições anaeróbias , mas existem muitos organismos diazotróficos que desenvolveram mecanismos para neutralizar o efeito do oxigênio na nitrogenase e também podem fixar o nitrogênio em condições aeróbicas.

Organismos diazotróficos ou fixadores de nitrogênio são geralmente estudados em dois grandes grupos:

  • diazotrofos simbióticos
  • diazotróficos de vida livre

Diazotrofos simbióticos

As bactérias fixadoras de nitrogênio simbiótico têm um modo de vida com plantas simbióticas. As plantas fornecem alimento às bactérias e as bactérias fornecem nitrogênio às plantas.

Em geral, a taxa de fixação de nitrogênio de diazotróficos simbióticos é 2 ou 3 vezes maior do que a taxa de diazotróficos de vida livre.

  • Rhizobia (ordem Rhizobiales ) : bactérias simbióticas nas raízes das leguminosas (trevo, alfafa, ervilha, etc.), onde formam nódulos característicos. Um dos gêneros mais característicos é o gênero Rhizobium , que às vezes é inoculado no solo para aumentar a produtividade das culturas.
  • Frankias – A única espécie conhecida na família Frankiaceae é Frankia alni . Esta bactéria, como o rizóbio, forma nódulos nas plantas, mas pode infectar várias plantas, como amieiros (gênero Alnus ), pinheiro australiano ( Casuarina equisetifolia ) ou o gênero Dryas (da família Rosaceae ).
  • Cianobactérias : existem algumas cianobactérias capazes de fixar nitrogênio e que vivem em simbiose com outros organismos: com fungos formando líquenes ou com plantas hepáticas, samambaias e cicadáceas. Exemplo: o gênero Anabaena vive em simbiose com Azolla (samambaia d’água) e é usado como fertilizante na lavoura de arroz.
  • Simbiose com animais : algumas bactérias fixadoras de nitrogênio foram encontradas em simbiose com animais, como cupins e vermes da madeira, embora sua contribuição para o ciclo do nitrogênio pareça ser muito baixa.

Diazotróficos de vida livre

Organismos fixadores de nitrogênio de vida livre vivem independentemente no meio ambiente. Estes incluem anaeróbios, anaeróbios facultativos e aeróbios, bem como algumas cianobactérias fotossintéticas.

  • Anaeróbios : bactérias fixadoras de nitrogênio que não toleram a presença de oxigênio. Eles vivem em habitats com pouco ou nenhum oxigênio, como solos e cobertores grossos de matéria de plantas mortas. Por exemplo, Clostridium (solo), Desulfovibrio (fundo do oceano) ou arquéias metanogênicas.
  • Anaeróbios facultativos : podem viver com ou sem oxigênio, embora só fixem nitrogênio em condições anaeróbias. Freqüentemente, consomem oxigênio assim que ele está disponível, fazendo com que mantenham ambientes com baixo teor de oxigênio. Exemplos: Klebsiella , Bacillus .
  • Aeróbios : são bactérias fixadoras de nitrogênio que precisam de oxigênio para viver. A nitrogenase é muito sensível ao oxigênio, então esses organismos tiveram que desenvolver mecanismos para proteger a nitrogenase para que ela pudesse funcionar em condições aeróbias. Uma das bactérias aeróbias fixadoras de nitrogênio mais estudadas é a Azotobacter vinelandii .
  • Fotossintéticos : As cianobactérias são bactérias que realizam a fotossíntese oxigenada e geram oxigênio molecular. Ainda assim, certas cianobactérias são capazes de fixar nitrogênio. Alguns, como o gênero Pletonema , só fixam nitrogênio em condições de baixa luminosidade e baixa concentração de oxigênio. Outros, como Anabaena cylindrica ou Nostoc commune , formam colônias nas quais existem indivíduos especializados em fixação de nitrogênio ( heterocistos ); esses indivíduos não realizam as etapas da fotossíntese que produzem oxigênio.