Ciklus dušika

Značaj N

neophodan za život - najvažniji biološki spojevi

aminokiseline - peptidi i - proteini - glavni sastavni dio svih oblika života

sastojci stanične stijenke mikroorganizama - hitin i peptidoglikan

integralni dio - genetski materijal stanice - nukleinske kiseline

u cijelom svijetu - rast biljaka - često ograničen količinom dostupnog N

- rezultat- opskrba N - više nego opskrba bilo kojim drugim hranjivom u tlu - ograničava biljnu proizvodnju u cijelom svijetu

-posljedica:na globalnoj razini: ogromne količine N-gnojiva se apliciraju -- povećanje produktivnosti različitih poljoprivrednih kultura

• potreba za razumijevanjem ciklusa N -od izuzetnog značaja

• maksimalno iskoristi i N iz gnojiva i prirodne rezerve N u tlu

u poljoprivrednim ekosustavima:

prirodni ekosustavi:

• nema dodatne aplikacije N-gnojiva

• potreba za razumijevanjem N-ciklusa u tlu - vrlo važna• naročito značajno - procijeniti kako će N-ciklus u tim

sustavima - reagirati na poremećaje - uzrokovane djelovanjem čovjeka ili prirodne

• primjer:• jaka deforestacija - može uzrokovati onečišćenje

podzemnih voda - sa nitratima - više ne postoji kontinuirano trošenje od strane drveća

• ekologija - ciklusa N u tlu - ne može se promatrati izolirano

• većina transfromacija N- povezana je sa opskrbom C• dotok N u tlu - usko povezan sa - dotokom C

• procesi uključeni u N-ciklus - izazivaju- promjene u tlu -koje utječu na druge procese i cikluse

• sve reakcije u N-ciklusu - mogu biti povezane sa promjenama pH tla

• - uključuju niz N-oblika sa različitim nabojima - pozitivnim (NH4

+). neutralnim (N2, urea); negativnim (NO2-, NO3

-)

Mineralizacija dušika

• pretvaranje organskog N - u anorganski N

• u tlu - amonijak se obično brzo oksidira u nitrate djelovanjem nitrifikatora

• - čista mineralizacija N u ekosustavu se procjenjuje - određivanjem koncentracije amonijaka i nitrata

• uži termin - amonifikacija - označava konverziju organskog N u amonijak

• mineralizacija N - isključivo proces u tlu - biološki način nastanaka onih oblika N - kojega mogu iskorištavati biljke

biljke, životinje, mikrobna biomasa, lisni pokrov (šumska prostirka -listinac), humusne tvari

minerelizirani - djelovanjem mikrobnih zajednica u tlu

a) svi N-spojevi - sadrže žive stanice - nalaze se u organskoj frakciji tla3 glavne N biološke komponente: proteini, sastojci mikrobne stanične stijenke, nukleinske kiseline

b) humusni N- vezan za humusne i fulvo kiseline - različiti oblici

Izvori organskog N u tlu:

proteini- osnovni sastojak svih oblika životaproteini - tijekom razgradnje- hidroliziraju se na peptideenzimi: proteinaze i peptidaze

proteinaze - klasificiraju se - ovisno o tome da li napadaju peptidne veze između specifičnih aminokiselina

• mineralizacija organskog N- odnosi se na -degradaciju proteina, aminošećera, nukleinskih kiselina -do NH4

+ kao mineralnog oblika

aminokiseline koriste kao:izvori energije ili kao građevne jedinice za proteine -ovisi o složenim serijama povratne kontrole

• ako je dostupan- C iz ugljikohidrata - obično će biti iskorišten - izvor E- prije nego C iz aminokiselina

• na taj način - sačuvati će se C kostur iz aminokiselina -za sintezu proteina

• u fazi dezaminacije - odstranjivanje NH4+ je najčešće

pod utjecajem enzima glutamat dehidrogenaze - koji zahtjeva koenzim NADH kao akceptor reducirajućih ekvivalenata

• da li će NH4+ biti imobiliziran ili akumuliran u tlu - ovisi o

potrebama mikroorganizama na N za njihov rast

• neproteinski izvori N:

• uključuju sastojke stanične stijenke bakterija i gljiva -aminošećeri koji potječu od bakterijske stanične stijenke ili od hitina iz gljiva

• sačinjavaju najveći izvor N tijekom mineralizacije

• uključuje enzim - kao što su hitinaze - oslobađaju acetilglukozamin monomere- koji sačinjavaju ovaj polimer

• glukozamini - degradacija - djelovanjem kinaza -uključuju transfer fosfatne skupine iz ATP-a - nastaje -

• glukozamin -6-fosfat - dezaminacija - NH4+

Degradacija hitina

• nukleinske kiseline - sastojci DNA i RNA• - ciklički N-spojevi povezani sa fosfatnim skupinama

• brzo se razgrađuju u tlu

• ova grupa spojeva - jedna od nekoliko sastojaka žive stanice -koje se ne akumuliraju u organskoj tvari tla(SOM- soil organic matter)

• organska tvar tla- sadrži do 40% N u obliku - ne dolazi iz poznatih bioloških izvora

• ovaj N- je vezan za fenolne i druge cikličke spojeve - i teže se mineralizira od onoga koji potječe direktno iz živih organizama

• glavni oblici N u tlu : preko 90% - organski N

• veći dio - povezan sa organskom tvari tla koja je vrlo otporna na razgradnju

• NH4+ - mineraliziran iz svježih unosa organske tvari

• - ne ostaje dugo u tlu u tom obliku

• - brzo se prenosi u druge N-oblike u sustavu tlo/biljka

sudbina mineraliziranog N u tlu

volatilizacijanitrifikacijaasimilacija - biljke

organska tvar NH4+

mikrobna imobilizacijaionska izmjena i vezanje na glinukompleksi sa organskom tvari

sudbina mineraliziranog N u tlu

• NH4+ brojne mogućnosti u tlu:

• 1. ako je prisutan u neadsorbiranom stanju, npr- u vegetaciji koja se razgrađuje, u stajskom gnoju, ili nakon aplikacije uree u prisusutvu ureaze- veće količine - volatilizacija

• stajski gnoj - na površini - gubitak do 50% zbog volatilizacije

• 2. može biti iskorišten kao izvor energije - posebna grupa autotrofa -procesi oksidacije - nirifikacija

• 3. može biti - asimiliran od strane biljaka- često poželjan izvor N u otopini tla

• 4. može biti iskorišten za mikrobni rast• mikrobna imobilizacija• mnoge studije - ukazuju , da amonijev ion (koji je već u

reduciranom obliku - nužan za inkorporaciju u aminokiseline) se preferira u odnosu na NO3

-

• čak niži sadržaj NH4+ - često potiskuje enzime nužne za

redukciju NO3-

• 5. NH4+ - veže se na adsorpcijski kompleks tla - može

biti zamijenjen sa kationima iz otopine tla

• lako ulazi u međulamelarne prostore gline

• može se fiksirati u tom prostoru (sušenjem) • količina fiksiranog NH4

+ u tlu:• 5-13% od ukupnog N- površinski horizonti• do 50% od ukupnog N- podpovršinski horizonti

• vrlo sporo postaje dostupan - u rekacijama izmjene -mikroorganizmima i biljkama

• 6. NH4+ - stupa u reakcije sa organskom tvari tla -

• u većini tala- pozitivan naboj - vodi do adsorpcije na čestice gline i organsku tvar - smanjuje biljnu asimilaciju

Kompeticija za mineralnim N u tlu

• za dostupnim, mineralnim oblicima dušika - NH4+ i NO3

- -u otopini i na adsorpcijskom kompleksu -

• kompeticija- naročito između - korijena biljke i slobodnih mikroorganizama u tlu

• kompeticija - za mineralni N tla - između korijena, mikroba i životinja- zavisi o brojnim faktorima -

• C: N odnos u organskoj tvari koja se razgrađuje -djelovanjem mikrobne biomase

• značajno određuje da li će mineralni N- bilo dodan kao gnojivo ili mineraliziran iz organske tvari - biti imobiliziran u mikrobne stanice ili oslobođen za asimilaciju biljkama jer premašuje mikrobne potrebe

• utjecaj životinja u tlu - u kompeticiji za mineralni N- dešava se na više načina

• najvažnije - uloga - hrane se mikrobima - dovodi do oslobađanja imobiliziranog dušika u oblik dostupan biljkama

• mikrofauna zahtijeva odgovarajuću vlagu - za aktivnost i pokretanje, potencijal tla za vodu - važan faktor za ovaj aspekt dinamike N u tlu

• važan - oblik mineralnog N u tlu• većina biljaka i mikroba - odmah uzima amonijski i nitratni ion-• u nekim slučajevima - enzim nitrat reduktaza - odsutan ili se slabo

inducira-

• kompeticija za mineralnim N- između biljnog korijenja i mikroba -pod utjecajem nivoa nitrifikacije u tlu

Mikrooorganizmi

• amonifikacija - široko rasprostranjen proces u tlu• različite mikrobne zajednice mogu katalizirati ovaj

proces

• N mineraliziraju različite grupe - bakterija, gljiva, aktinomiceta

• ovi organizmi - aerobi, anaerobi, termofili, mezofili, psihrofili,

• metabolički različiti - ovisno o potrebama za energijom

• specifične mikrobne vrste - aktivne u ovome procesu -predstavljaju različite rodove - rastu i reproduciraju se u tlu

• kvantifikacija u tlu - često ovisi o hranjivoj podlozi za mikrobne populacije amonifikatora

• izvori N supstrata - proteini, hitin, aminošećeri

Utjecaj okoliša na mineralizaciju i imobilizaciju N

• procesi mineralizacije i imobilizacije N- osnovni za mikrobni život

pretpostavka - ovi biološki katalizirani dijelovi N - ciklusa-• dešavaju se pod bilo kojim uvjetima sredine gdje je

mogući mikrobni život

• pojednostavljena definicija - imobilizacija N-inkorporacija mineralnog N u biokemijske spojeve u stanici

• imobilizacija N- sporedni produkt mikrobnog rasta

• nasuprot tome - direktna povezanost mineralizacije N sa mineralizacijom C- osigurava indirektnu vezu između prethodnog procesa i biološkog nastanka energije

• utjecaj okoline na mineralizaciju i imobilizaciju N:• - ne odnosi se na to da li se proces odvija ili ne • - na utjecaj modifikacija fizikalnih i kemijskih svojstava u

tlu - na stupanj ovih N transformacija

• primarna svojstva ekosustava - procjenjuje njihov utjecaj na N imobilizaciju i mineralizaciju:

• koncentracija N• vlaga tla• pH• temperatura

• utjecaj vlage, pH, temperature - sličan kao i za većinu drugih biološki katakliziranih procesa

• postoje granične vrijednosti između kojih biološka aktivnost teži povećanju do maksimuma kod optimalne točke adaptacije- nakon čega biološka aktivnost ponovo pada

Nitrifikacija

definicija nitrifikacije u tlu:

• pojednostavljena:• oksidacija amonijaka -preko nitrita - do nitrata

• proširena:• biološka oksidacija bilo kojeg reduciranog oblika N u

oksidiraniji oblik

• nitrifikacija se odvija u cijelom tlu - često se krivo pretpostavlja - da se ne odvija - zbog odsustva nitrata u tlu

posebno točno za rizosferu - gdje nedostatak nitrifikacije se često pripisuje - alelopatiji

direktno ili indirektno štetno djelovanje jednog organizma na drugi - usljed produkcije kemijskih spojeva- otpuštaju u okolišnajčešće- štetan utjecaj - uzrokovan višim biljem ili njihovim ostacima

• premda se alelopatija može desiti - nitrifikatori se lako izoliraju iz rizosfere kod većine tala - izgleda da nedostatak čiste nitrifikacije često može često biti uzrokovan uzimanjem i imobilizacijom nitrata od strane korijena biljaka i rizosferne heterotrofne mikroflore

• NH4+

• nitrifikacija

• NO3-

rizosferni heterotrofi

asimilacija korjenom

Autotrofna nitrifikacija u tlu

• opće prihvaćeno - dominantni oblik nitrifikacije u većini tala - kemoautotrofan

• pretežno G- bakterije Nitrosomonas i Nitrobacter

• Nitrosomonas

• NH4+ + O2 + H+ + 2e- NH2OH + H2O

• amonium hidroksilamin

• NH2OH + H2O NO2- + 5H+ + 4e-

• hidroksilamin nitrit

• Nitrobacter

• NO2- + H2O H2O . NO2

- NO3- + 2H• nitrit nitrat

• Nitrosomonas:• oksidacijsko stanje N -3 do +3• prinos energije - 65 kcal (ili 8.8 ATP )

• Nitrobacter:• oksidacijsko stanje N +3 do +5• prinos energije - 18 kcal (ili 2.5 ATP)

• niski prinos energije - u usporedbi sa heterotrofnim metabolizmom• mol glukoze - optimalni uvjeti - prinos- aerobni mikrobi - 280 kcal

(38 ATP)

• djelomično objašnjenje - zašto autotrofni nitrifikatori rastu relativno slabo u tlu i čak u laboratoriju (skoro optimalni uvjeti)

• djelomično objašnjenje - zašto autotrofni nitrifikatori rastu relativno slabo u tlu, a čak i u laboratoriju (skoro optimalni uvjeti)

• prirodno generacijsko vrijeme za nitrifikatore -rel. dugo 20 -40 sati

• zajedno sa slabom zastupljenošću u većini tala -

• navodi na vrlo pogrešno mišljenje o njihovom slabom doprinosu ciklusu N i ekologiji tla

Nitrifikacija i pH tla

• nitrifikacija - povezana sa stvaranjem vodikovih iona (H+)• ovi protoni - izvor acidifikacije - naročito u tlima sa slabo puferiranim• tlima

• primjena gnojiva na bazi amonijaka na obradivim površinama -može uzrokovati dovoljno povećanje aciditeta - da je primjena vapna nužna

• u nekim tlima - gdje se vapno ne koristi za popravak pH nakon produžene nitrifikacije amonijaka - može doći do smanjenja produktivnosti zbog kiselosti tla

• može biti i uzrokom nestanaka organizama koji su osjetljivi na kiselost (gujavice) koje su važne za održavanje plodnosti tla

Posljedice nitrifikacije za okoliš

• ekološki značaj nitrifikacije - dalekosežan

• nije samo proces koji opskrbljuje biljke N u dostupnom obliku

• nego - stvara N-pool - naročito osjetljiv za gubitak iz tla- ispiranje, denitrifikacija- može često posredovati ozbiljnim i štetnim onečišćenjima u okolišu - kao i odnošenje vrijednog elementa iz tla

nitrat - konačni produkti nitrifikacije - visoko mobilan anion u tlu - lako se ispire kroz profil tla

u drenažne vode

ispiranje nitrata - godišnje - i do 100 kg/ha iz obradivihpovršina

ozbiljan ekonomski gubitak i problem u okolišu

• štetna posljedica za okoliš- jako ispiranje nitrata

• eutrofikacija - proces u kojemu se jezera i rijeke obogaćuju hranjivima (obično P i N) što dovodi do pojačanog rasta vodenog bilja (alge), smanjenog sadržaja otopljenog kisika, i promjena u sastavu zajednica- može se dešavati i prirodnim putem, ali ubrzana je i ljudskom djelatnošću koja povećava sadržaj hranjiva u vodi

• smatra se da su nitrati štetni za ljudsko zdravlje - ako su prisutni u visokim koncentracijama u vodi za piće

• potencijalna opasnost od nitrifikacije - nitriti mogu reagirati sa sekundarnim aminima u tlu - nastaju nitrosamini - koje biljka može asimilirati - smatra se da su povezani sa pojavom karcinoma kod ljudi

• sekundarni amin + nitrit nitrosamin

• R R• NH + NO2

- N-NO + OH-

• R R

• nitrifikacija - u osnovi uključena: • i u biljnu produktivnost• i onečišćenje okoliša

• povećani napori se ulažu u kontrolu i upravljanje nivoa nitrifikacije na obradivim površinama

• u cilju - povezivanja nivoa nitrifikacije sa potrebama usjeva , a sprečavanja gubitaka nitrata iz tla

• djelomično rješenje -• razvoj KEMIJSKIH INHIBITORA NITRIFIKACIJE - kao

što su N-serve (Nitrapyrin) i didin (Dicyandiamide)

• ograničavaju aktivnost Nitrosomonasa prije nego Nitrobactera

• omogućuju nakupljanje amonijaka prije nego fitotoksičnog nitrita u tlu

Ekologija nitrifikacije u tlu i uloga heterotrofa

• novije vrijeme - razumijevanje ekologije nitrifikacije u tlu -se promijenilo

• 2 nova aspekta:• 1. nitrifikacija nije ograničena pH u tlu - tradicionalno• prihvaćeno• a) teorija "mikrostaništa" - stanice nitrifikatora zaštićene• od nepovoljnog pH• b) neki nitrifikatori - adaptirani na niske vrijednosti

• 2. upitno - uključene u proces nitrifikacije • isključivo kemoautotrofne bakterije u svim tipovima tala

• neke gljive i heterotrofne bakterije - uloga u nitrifikaciji-pogotovo u kiselim šumskim tlima

• značaj heterotrofne nitrifikacije - kontroverzan

• drugi ekološki faktori - utječu na nivo i prirodu nitrifikacije

• kapacitet tla za vodu i temperatura

• autotrofni nitrifikatori - mikrobi tla - vrlo osjetljivi na vodeni stres

• niske temperature - ograničavaju nitrifikaciju• adaptacija na niske temperature

kratki štapićitlo, vodaNitrobacter agilis

kratki štapićitloNitrobacter winogradski

kratki štapićimoreNitrobacter gracilis

okrugaomoreNitrococcus mobilis

nitratne bakterije

oblik zarezatloNitrosovibrio tenuis

oblik rese, pleomorfnitloNitrosolobus multiformis

okrugaomore/tloNitrosococcus nitrosus

okrugaomoreNitrosococcus mobilis

okrugaomoreNitrosococcus oceanus

spiralnitloNitrsospira briensis

elipsoidni, kratki štapićitlo, voda, muljNitrosomonas europea

nitritne bakterije

morfologijaizvorbakt. vrsta

Denitrifikacija

Definicija

• proces- u mikrobnim respiracijama u tlu-• nitrati služe kao akceptor elektrona- umjesto kisika

• asimilatorna redukcija nitrata - drugi proces- nitrati se imobiliziraju u stanicama i reduciraju u cilju sinteze staničnih konstituenata

• denitrifikaciju provode - fakultativni anaerobi - pretežno heterotrofne bakterije - najčešće vrste unutar roda Pseudomonas i Alcaligenes

Odvijanje denitrifikacije u tlu

• do denitrifikacije dolazi - kada nivo kisika u tlu je nedovoljan za potrebe mikrobne respiracije

• naročito - kada je tlo zasićeno vodom (ili je blizu toga stanja) - i difuzija kisika je vrlo slaba

• ili kada skori dodatak dostupnog ugljika (unošenje biljnih ostataka u tlo)

• stimulira heterotrofnu mikrobnu aktivnost

• denitrifikacija - na mikrostaništima u aeriranim tlima -toliko dugo dok postoje agregati zasićeni vodom -dovoljno veliki - da ograničavaju dovoljnu opskrbu kisikom

• pod takvim okolnostima - i kada su nitrati prisutni u tlu- (kao rezultat nitrifikacije)

• nitrati će nadomjestiti slobodan kisik - kao dominantan akceptor elektrona

• zalihe nitrata u tlu - će se reducirati

• denitrifikacija:

• NO3 NO2 NO N2O N2

• rezultat denitrifikacije - N se uglavnom gubi iz tla -kao N2O i N2

• u većini tala - N2 - dominantni plinoviti oblik • oslobađanje N2O postaje sve značajnije u kiselijim tlima

- crnogorične šume

Denitrifikatori u tlu - anaerobna i aerobna denitrifikacija

• većina denitrifikatora u tlu - heterotrofne bakterije -zahtijevaju organski C - kao izvor energije

• dio denitrifikatora - autotrofi ( kemoautotrofi i fotoautotrofi)

• različiti izvori energije i• različiti oblici organske tvari koje mogu iskorištavati

• denitrifikatori - doprinose složenosti ekologijedenitrifikacije u tlu

• svi denitrifikatori - provode denitrifikaciju pod anaerobnim uvjetima

• opće prihvaćeno - jedini mogući način za odvijanje procesa denitrifikacije

• dokazano - Thiosphera pantotropha - može heterotrofno nitrificirati i denitrificirati - istovremeno

• dokaz za aerobnu denitrifikaciju - ukazuje - da denitrifikacija ne mora biti samo ograničena na anaerobna mikrostaništa u aerobnim tlima -

• premda ekološki značaj aerobne denitrifikacije u tlu je nepoznat

sunčeva EfotoautotrofanRhodopseudomonas sphaeroides

reducirani SkemoautotrofanThiobacillus denitrificans

H2kemoautotrofanAlcaligenes eutrophus

H2kemoautotrofanParacoccus denitrificans

organska tvar tlaheterotrofanBacillus licheniformis

organska tvar tlaheterotrofanAlcaligenes denitrificans

organska tvar tlaheterotrofanPsudomonas fluorescens

organska tvar tlaheterotrofanPseudomonas aeruginosa

izvor energijemetabolizamdenitrifikatori

Denitrifikacija i pH tla

• nasuprot nitrifikaciji - izvor acidifikacije u tlu -denitrifikacija uzrokuje povećanje pH u tlu

• gubitak N u obliku N2, N2O ili NO - reakcije za nastanak baza - zbog stvaranja OH- iona - ekvivalentnih količini nitrata koji se denitrificiraju

• optimalni pH za denitrifikaciju - malo preko neutralnog -premda će se proces nastaviti i pod kiselim uvjetima, ali sporije

Denitrifikacija u rizosferi

• denitrificirajuće bakterije - općenito su kompetitivnije kao aerobni heterotrofi u tlu - nego kao denitrifikatori

• mjesta intenzivne heterotrofne aktivnosti u tlu - imaju i visok potencijal za denitrifikaciju

• rizosfera - premda rijetko reducirajući uvjeti- kao prirodna zona umnažanja heterotrofa - broj denitrifikatora je veći u rizosferi nego u okolnom tlu

• kada anaerobni uvjeti prevladaju u tlu - može doći do intenzivnije denitrifikacije i u rizosferi - uz pretpostavku da postoji odgovarajuća koncentracija nitrata u otopini tla

• denitrifikacija - u agregatima tla u rizosferi - kada je sustav dobro aeriran - ako su pore agregata napunjene vodom i difuzija kisika ograničena

Značaj denitrifikacije u tlu

• uz sva ograničenja različitih tehnika mjerenja denitrifikacije u tlu -• ipak ukazuju na mogući značaj procesa denitrifikacije

• 5-10% dodanih gnojiva - može biti izgubljeno u procesu denitrifkacije (na ilovastim i glinovitim tlima - travnjaci)

• intenzivna denitrifikacija - 1 kg N / ha/ dan - može se desiti pod određenim okolnostima:

• visoke koncentracije nitrata u tlu• više temperature• visok sadržaj vode u tlu• reducirana koncentracija kisika zbog mikrobne respiracije

• značajan odnos: između denitrifikacije i obilnih kiša

• - u cilju smanjenja gubitka gnojiva - i zbog denitrifikacije i i zbog ispiranja - važno:

• pouzdana vremenska prognoza prije primjene gnojiva

• dobra drenaža tla

Okoliš i denitrifikacija

• kao i nitrifikacija - i denitrifikacija može utjecati na onečišćenje okoliša

• 1. N2O didušikov oksid (dušikov -I-oksid) - nastaje u procesu denitrifikacije -naročito pod kiselim uvjetima

• oksidira se u stratosferi - u dušikov monoksid- smatrase da razara ozon- (kontroverzan status NO -obično nije

detektiran kao slobodan intermedijaran produkt)

• N2O + O 2NO (O- nastaje fotodisocijacoija ozona)-slijedi:

• NO + O3 NO2 + O2

• 2. mogući štetni efekt denitrifikacije -• kada se fitotoksični nitrit - brzo akumulira u tlu

• zbog potencijalnog značaja denitrifikacije:

• ekonomski gubitak i onečišćenje okoliša

• potrebne su bolje procjene značaja ovoga procesa • za ekosustav i globalnu razinu

• nisu sve posljedice nitrifikacije - štetne

• ukoliko ne dođe do denitrifikacije - tada u anerobnim uvjetima- dolazi do nastanka produkata kao što su H2S i metan - mogu uzrokovati čak i veće agronomske i ekološke probleme nego produkti denitrifikacije

• denitrifikacija - "sigurnosni ventil" - otpuštanjem dušika iz tla - kada su tla teško onečišćena dušikom - kisele kiše

Disimilatorna redukcija nitrata u amonijak

• osim denitrificirajućih bakterija - koriste nitrat kao alternativni akceptor elektrona i reduciraju ga ili do N2O ili do N2 -

• postoji grupa bakterija u tlu - provode- disimilatornu redukciju nitrata do amonijaka

• relativni značaj - ovoga procesa i denitrifikacije - u tlu -još uvijek nesiguran

• denitrifikacija - može biti dominantan proces u okolišu bogatom nitratima, a siromašnom na C

• dimilatorna redukcija - ima tendenciju domacije u okolišu bogatom na C- u kojem prevladava ova skupina bakterija

• samo daljnja istraživanja i eksperimenti - sa bakterijama tla - će utvrditi ekološki značaj disimilatorne redukcije nitrata do amonijaka

Volatilizacija amonijaka• gubitak amonijaka iz tla u plinovitom obliku - pod

određenim okolnostima - predstavlja značajan gubitak N iz sustava tlo/biljka

• ako amonijak nije adsorbiran - npr. razgradnja stajskog gnoja, hidroliza uree ( gnojivo) - može doći do volatilizacije sa površine tla

• CO(NH2)2 + H2O 2NH3 + CO2

ureaza volatilizacija

• stajski gnoj - na oranicama - gubitak preko 50% Nzbog volatilizacije amonijaka

• razvoj inhibitora enzima ureaze u tlu - može reducirati gubitak volatilizacije amonijaka iz stajskog gnoja i mineralnih gnojiva na bazi uree

Utjecaj faktora u tlu na volatilizaciju amonijaka

najveća volatilizacija: suhi uvjeti u tlu, visoke temperature, vjetrovito vrijeme, pH tla alkalna - jaki utjecaj pH vrijednosti na volatilizaciju

• zbog toga - gubitak NH3 iz tla - veći u obradivim površinama nego u šumskim tlima

Depozicija N iz atmosfere

• u nekim područjima Europe- atmosferska depozicija N-onečišćenja - i do 40 kg N/ha /godinu

• suha i mokra depozicija • N- većinom u obliku N2O i amonijaka- suha depozicija• N- u obliku nitrata i NH4

+ - mokra depozicija

• u onečišćenim područjima-• potencijalno značajan doprinos - atmosferska depozicija

• kiselost i drugi fitotoksični agensi - udruženi sa atmosferskim onečišćenjem - mogu spriječiti potencijalno koristi od ovih dodatnih N- unosa

Biološka fiksacija dušika

• poznato - unos N u tlo - fiksacija N - abiotička -• N-oksidi dospijavju u tlo - električna pražnjenja u atmosferi -

• najveće količine atmosferskog N u tlo:

• BIOLOŠKA FIKSACIJA DUŠIKA• PROCES U KOJEM NEKI MIKROORGANIZMI USVAJAJU

ELEMENTARNI, DUŠIK IZ ATMOSFERE I PREKO ENZIMA NITROGENAZE GA REDUCIRAJU DO AMONIJAKA

• GLOBALNO: različiti podaci• oko 140 X 106 t/godinu (175 x 106 t/ha)

simbiozna

aktinomicete--više biljke

rizobije --leguminoze

cijanobakterije-lišejevi, paprati

asimbioznaasocijativna

Podjela bioloPodjela biološške fiksacije duke fiksacije duššikaika

aerobnaanaerobna

fakult. anaer.

Fiksatori N u tlu

• 6 glavnih skupina fiksatora N u tlu:

• 1. bakterije- por. Rhizobiaceae - fiksiraju N uglavnom u kvržicama na korjenju leguminoza

• 2. aktinomicete - rod Frankia - fiksiraju N u kvržicama na korjenju ne-leguminoznih biljaka (Alnus glutinosa - joha)

• 3. cijanobakterije - Nostoc i Anabaena- fiksiraju N-

• 4. asimbiozni fiksatori - fiksiraju N - aerobni uvjeti - bakterije- rodovi Azotobacter, Azomonas

• 5. asimbiozni fiksatori - fiksiraju N anaerobni uvjeti -• Bacillus i Klebsiella - fakultativno ananerobi• Clostridium - anaerobni

• 6. asocijativni fiksatori N - povezani uz korijen određenih biljaka -Azotobacter, Beijerinckia i Azospirillum

Značaj BNF

• održiva poljoprivredna proizvodnja • učinkovito gospodarenje N u okolišu• iskorištavanje biološki vezanog N

• zašto N - iz BNF?

• biljke direktno iskorištavaju N• manje osjeljivi na gubitke:

- volatilizacijom- denitrifikacijom- ispiranjem

Unos biološki vezanog N u tlo

• unos N u tlo - jako varira između pojedinih ekosustava

• tropske leguminoze- lucerna -mogu pod povoljnim uvjetima fiksirati preko 400 kg N/ha/godina

• gorski pašnjaci u UK - asimbiozni (npr. Azotobacter) i simbiozni (djetelina) - unos N 5-30 kg N/ha/godina

• najveće količine biološki vezanog N u umjerenom pojasu- u poljoprivrednim tlima - simbiozni odnosi sa zrnatim i krmnim leguminozama

Unos biološki vezanog N u tlo

• u pojedinim državama - veći unos N putem mineralnih gnojiva (UK)

• globalno - zbog mnogih prirodnih ekosustava (nema primjene mineralnih gnojiva) - BNF osigurava veći unos N u tlo - nego mineralna gnojiva

Nitrogen fixingcapacity in

agricultural systemsdepends on:

HOST PLANT

rhizobial strain enviromentalconditions

Ekologija BNF

• ekologija biološke fiksacije N - kompleksna

• 1. jedan od vrlo značajnih faktora koji utječe na oblik i nivo BNF

pH tla• mnogi fiksatori N- osjeljtivi na kiseli pH

• R. leg. bv. trifolii - ne može preživjeti kod pH 4.3 i niže -zbog osjetljivosti na mobilizirani Al - bez obzira što korijen djeteline-nije osjetljiv na pH

• Azotobacter - još osjetljiviji na kiselost- općenito se ne nalazi u tlima - kiselost veća od pH 6.0

• Beijerinckia - tolerantnija nego Rhizobium ili Azotobacter- premda uglavnom ograničena na tropska tla

• 2. opskrba dostupnim izvorima C- asimbiozni fiksatori N- heterotrofi

• obično u tlu - nivo asimbiozne fiksacije dušika -ograničen dostupnim C

• velika potreba na C- za sustav nitrogenaze- polovina tijeka elektrona prenosi na N2, ostatak se gubi na otpuštanje H2

• zbog visokih zahtjeva na C - rizosfera glavna zona u tlu za aerobnu asimbioznu fiksaciju dušika- potrebne velike količine C

• kompeticija za C- sa drugim heterotrofima u rizosferi -

• iskorištavanje asimbiozne fiksacije - u agronomske svrhe - značajno - ako poljoprivredne kulture otpuštaju veće količine C u rizosferu

• 3. značajan faktor u oklišu - za fiksaciju N u tlu - kisik -• neki asimbiozni fiksatori dušika - rod Clostridium -

anaerobi - aktivni u ekološkim nišama - vlažna tla -dovoljno ugljikohidrata

• rod Azotobacter - aerobni uvjeti, aerirana tla

• 4. faktor okoliša- jako utječe na fiksaciju dušika -količina dostupnog N

• u tlu - sa visokim sadržajem dostupnog dušika -• neće biti omogućena intenzivnija fiksacija N - ni

simbiozna ni asimbiozna

• energetski zahtjevi za fiksaciju N - visoki - dostupni N u tlu - se više preferira u odnosu na atmosferski N - i korjenje leguminoza i stanice Azotobactera

• dodatak N-gnojiva inhibira proces biološke fiksacije N-više nego i jedan drugi faktor u tlu

• u prirodnim ekosustavima - input N- ostataka u tlo (biljnih i životinjskih) mogu isto biti inhibitorni - u znatno manjoj mjeri

• visoko učinkovitim sojevima kvržičnih bakterija

• redukcija mineralne gnojidbe N

• PREDNOSTI - EKOLOŠKE I EKONOMSKE

INOKULACJA LEGUMINOZA

Bradyrhizobium japonicum - SOJA (Glycine max)

Kvržice na korjenu -rezultat simbioznog odnosaBradyrhizobium japonicum sa biljkom domaćinom - soja.Sredina: Presjek kroz kvržicu.Crvena boja - leghemoglobin. Desno: B. japonicum bakteroidi u kvržicama na korjenu soje.

soja (Glycine max)

Lucerna jedna od najznačajnijih leguminoza u poljoprivredi

"kraljica" krmnih kultura

-visoka hranjiva vrijednost-visoki prinosi bogati proteinima

Lucerna jedna od najznačajnijih leguminoza u poljoprivredi

"kraljica" krmnih kultura

-visoka hranjiva vrijednost-visoki prinosi bogati proteinima

S. meliloti-mikrosimbiont lucerne

S. meliloti-mikrosimbiont lucerne

Sinorhizobim meliloti - LUCERNA (Medicago sativa L.)

inokulacija lucerne -nije široko rasprostranjena u uzgoju lucerne u Hrvatskoj

inokulacija lucerne -nije široko rasprostranjena u uzgoju lucerne u Hrvatskoj

selekcija najprikladnijihsojeva kvržičnih bakterija

glavna pretpostavka - za uspješnu inokulaciju:

sojevi rizobija-različita simbiozna svojstva

učinkovitost kompatibilnost infektivnost kompetitivnost adaptacija

autohtone populacije kvržičnih bakterija (rizobija)

• prisusutvo adaptiranih i visoko kompetitivnih autohtonih sojeva rizobija utlu

• može smanjiti učinak inokulacije

• sastav i karakteristike prirodnih populacija rizobija u tlu-veliki značaj u uzgoju leguminoza

• osim toga,

prirodna raznolikost rizobija

• mogućnost - sačuvati i iskoristiti neke autohtone sojeve sa skrivenim simbioznim ili ekološkim potencijalom-naročito pod nepovoljnim uvjetima

u cilju poboljšanja pozitivnog djelovanja inokulacije:

• karakterizirati autohtone sojeve • informacija o stavrnom sastavu prirodne populacije

rizobija u tlu

povećanje učinkovitosti fiksacije N

• bolje razumijevanje ekologije rizobija

• selekcija visoko učinkovitih sojeva

• njihova ciljana primjena -uvjeti sredine u određenim proizvodnim područjima

Indigenous strain isolation and identificationIndigenous strain isolation and identification

Symbiotic efficiencyand compatibility

(field trials)

Symbiotic efficiencyand compatibility

(field trials)

Symbiotic efficiency(pot experiment)

Symbiotic efficiency(pot experiment)

Istra- uzorci tla za izolaciju autohtonih sojeva

Izolacija autohtonih sojeva

• sjetva površinski steriliziranog sjemena direktno u uzorke tla sakupljeni sa različitih lokaliteta

pokus u stakleniku

puna cvatnja - sojevi izolirani iz kvržica.

kvržice na korjenu lucerne - tlo: Istra - crvenica

identifikacija sojeva

• PCR-RFLP analiza 16S rDNA

• RAPD-PCR fingerprinting• ERIC-PCR fingerprinting

16S rDNA PCR-RFLP

Representativni profili PCR-amplificirane regije16S rDNA - digestija sa RsaI

TS1 11/6 TS2 9/4 9/3 M 9/2 8/3

TS1- S. meliloti T

TS2- S. medicae T

M-MWM 1 kb ladder (Invitrogen)

Identifikacija S. meliloti sojeva

1kb Is8/1 Is11/1 Is12/1 Is10/1 Is14/2 Is8/2 Is 3/1 Is2/1 Is14/1 1kb Is11/2 Is4/1 Is10/2 Is2/2 Is9 Is4/2 Is13 Is6 1kb

RAPD otisci - polimorfizam između izolata

Dendrogram of S. meliloti izolata -potječe iz RAPD otisaka dobivenih primjenom tri različita 10-merna primera

procjena simbiozne učinkovitosti i kompatibilnosti

pokus u stakleniku

Poljski pokus sa različitim autohtonim i referentnim sojevima B. japonicum