Fissazione dell'azoto - Le basi

L'azoto è un nutriente essenziale per la crescita delle piante e la fissazione dell'azoto è uno dei modi in cui le piante lo ottengono per crescere. I batteri azotofissatori presenti nel terreno assorbono l'azoto (N) gassoso e lo trasformano in una forma utilizzabile dalle piante. Queste forme sono di vario tipo, ma la fissazione simbiotica dell'azoto è la più comune. Questo è il rapporto che i legumi hanno con i batteri.

I legumi sono una parte importante della rotazione delle colture e della costruzione del suolo. Grazie alla loro relazione con i batteri azotofissatori, aggiungono azoto per le colture future della rotazione. Se siete curiosi di conoscere la rotazione delle colture, leggete il nostro articolo sull'argomento!

Questo articolo dovrebbe darvi un'idea dell'azoto come nutriente delle piante, informazioni sulla dinamica dell'azoto e una comprensione dei tipi di azoto presenti nel suolo. La comprensione della fissazione biologica dell'azoto aiuta a capire le interazioni tra piante e microbi. Capire come funziona l'azoto fissato aiuta anche i giardinieri a capire come utilizzare determinate piante in una rotazione.

L'azoto come nutriente per le piante

L'azoto è un componente fondamentale per la crescita delle piante. In generale, le piante hanno bisogno di azoto in quantità maggiore rispetto ad altri nutrienti. Nelle piante, l'azoto viene utilizzato per la clorofilla. La clorofilla è ciò che rende le piante verdi. Risiede nei cloroplasti fotosintetici. L'azoto è fondamentale per gli aminoacidi, che sono i mattoni delle proteine.

Perché gli aminoacidi sono così importanti per la fisiologia delle piante? Perché producono la clorofilla, che è direttamente collegata alla fotosintesi. Quando un microrganismo che fissa l'azoto ha un rapporto sano con una pianta, una membrana di origine vegetale chiamata membrana tiloidea facilita l'assorbimento della luce da parte dei cloroplasti. Un migliore assorbimento della luce porta a un migliore assorbimento dell'acqua e del nutrimento della pianta.

Forme di azoto

Nel mondo vegetale esistono diverse forme di azoto. Le due forme utilizzate dalle piante sono il nitrato e l'ammonio. Il nitrato è un composto azotato con carica negativa, composto da un atomo di azoto e tre atomi di ossigeno. Un composto a carica positiva con un atomo di azoto e quattro atomi di idrogeno forma l'ammonio. Se le piante possono scegliere tra nitrato e ammonio, preferiscono il nitrato. Tuttavia, sono entrambe forme accettabili per le piante nell'economia dell'azoto.

Esistono altre importanti forme di azoto coinvolte nelle piante e nel ciclo dell'azoto. L'azoto gassoso costituisce il 78% dell'aria che ci circonda. È costituito da due atomi di azoto legati a triplo filo. Questi legami sono estremamente difficili da rompere. Un altro importante composto gassoso azotato è l'ammoniaca. Un atomo di azoto e tre di idrogeno formano l'ammoniaca. Questo gas tossico fa parte del ciclo dell'azoto e può accumularsi in alcuni ambienti agricoli. Un ultimo importante composto azotato da considerare è l'azoto organico disciolto. Questi composti contenenti carbonio sono acidi organici presenti nel suolo.

Il ciclo dell'azoto

Prima di entrare nel merito della fissazione dell'azoto nel suo complesso, è importante comprendere le basi del ciclo dell'azoto. Il ciclo dell'azoto è composto da diverse parti e noi ci occuperemo di quelle fondamentali per farvi capire come cambia l'azoto in questo processo. I componenti del ciclo comprendono il suolo, l'atmosfera e i tessuti viventi. Il modo più semplice per affrontare questo argomento è esaminare come l'azoto entra ed esce dal suolo.

L'azoto entra nel suolo

L'azoto entra nel terreno attraverso la decomposizione della materia organica. Questo può avvenire quando i giardinieri aggiungono compost, organismi in decomposizione, materiale vegetale in decomposizione, letame e altro ai loro giardini. Un altro modo è la fissazione dell'azoto nel terreno stesso. Questo processo prevede che specifici batteri azotofissatori assorbano l'azoto gassoso e lo trasformino in forme utilizzabili dalle piante. Esistono tre diversi tipi di fissazione dell'azoto: simbiosi azotofissatrice, fissazione eterotrofa e fissazione associativa). Tutti hanno la capacità di rompere il triplo legame dell'azoto gassoso e, nel processo, di depositare azoto nel terreno.

L'azoto lascia il suolo

Denitrificazione, volatilizzazione dell'ammoniaca e lisciviazione o ruscellamento sono i principali modi in cui l'azoto lascia il suolo. La denitrificazione è il processo attraverso il quale il nitrato presente nel suolo viene trasformato in gas da batteri anaerobi. Le basse concentrazioni di ossigeno creano condizioni anaerobiche. Per la denitrificazione sono necessari anche materia organica decomponibile, nitrati e temperature calde. In questo processo, l'azoto gassoso e il monossido di azoto vengono rilasciati nell'aria come azoto atmosferico.

Il monossido di dinitrogeno (composto da due atomi di azoto e uno di ossigeno) è un gas a effetto serra rilasciato in una concentrazione molto inferiore rispetto al gas dinitrogeno, che non è un gas a effetto serra. I fattori che influenzano la quantità di monossido di dinitrogeno rilasciato sono il pH e la temperatura del suolo.

Un'altra forma di perdita di azoto avviene attraverso la sua volatilizzazione in ammoniaca gassosa. Questo accade quando i terreni sono asciutti, caldi e hanno una bassa capacità di scambio cationico, ovvero la capacità del terreno di trattenere gli ioni a carica positiva. Il risultato di queste condizioni è l'applicazione di ammonio alla superficie del suolo.

Un esempio del processo di volatilizzazione è rappresentato dall'urea. L'urea è una forma organica di fertilizzante N comunemente utilizzata in tutto il mondo ed è un sottoprodotto dell'urina di esseri umani o altri animali. Quando le condizioni sono favorevoli, può spesso portare alla volatilizzazione di gas ammoniaca. Quando l'ammoniaca vaporizza e sale nell'atmosfera, lascia il terreno privo dei composti azotati a base di ammoniaca che erano stati aggiunti tramite l'urea. È come se si trattasse di una mongolfiera che porta l'azoto fuori dal terreno, dove è giusto che sia!

La lisciviazione e il ruscellamento sono altri due modi in cui l'azoto lascia il suolo, soprattutto quando si tratta di sistemi di coltivazione che ricevono regolarmente fertilizzanti chimici. Spesso l'azoto non viene sequestrato bene nel terreno, soprattutto sotto forma di nitrato. Si muove facilmente attraverso il profilo del suolo e finisce nelle acque sotterranee, che scorrono nel sottosuolo. L'azoto finisce quindi in fiumi, torrenti e altri corpi idrici.

L'inquinamento da nutrienti causa l'eutrofizzazione, ovvero l'accumulo di concentrazione di nutrienti nelle zone umide e nei corsi d'acqua. Così come i fertilizzanti azotati favoriscono la crescita delle colture, il loro deflusso provoca una crescita eccessiva delle piante in queste aree, con conseguente limitazione della quantità di ossigeno disponibile per gli altri organismi.

Le zone morte sono un'altra conseguenza del dilavamento, in quanto si sviluppano fioriture di alghe che sottraggono ossigeno alla fauna selvatica negli oceani.

Immobilizzazione dell'azoto

Un altro aspetto importante da considerare è l'immobilizzazione dell'azoto, ovvero l'azoto che non è disponibile per le piante, soprattutto perché si trova nei tessuti dei batteri liberi del terreno. L'immobilizzazione può verificarsi soprattutto quando il compost e gli emendamenti aggiungono troppo carbonio prontamente disponibile. Il carbonio serve come energia per i microrganismi del suolo. Questi organismi utilizzano l'azoto presente nel terreno per produrre tessuti e proteine. Considerate questo aspetto quando aggiungete paglia e pacciame di legno in un giardino. Poiché si tratta per lo più di carbonio con poco azoto, possono portare all'immobilizzazione.

I giardinieri devono aggiungere più fertilizzanti e piante fissatrici di N nel giardino per contrastare il ciclo di immobilizzazione. Anche il compost può portare all'immobilizzazione quando non ha il giusto rapporto combinato tra azoto e carbonio. Un eccesso di azoto sotto forma di nitrato è segnalato dagli odori emessi da un cumulo di compost. Per riequilibrare il rapporto e favorire una migliore assimilazione dell'ammoniaca, aggiungere carbonio.

Come i batteri fissano l'azoto

Il gas N viene "fissato" nel terreno dai batteri rizobi, ma come? I tripli legami dell'azoto sono incredibilmente forti e difficili da spezzare. Questi organismi che fissano l'azoto utilizzano un enzima, la nitrogenasi, per rompere questo legame. L'enzima nitrogenasi si trova nei batteri rizobi e nei cianobatteri azotofissatori. Il complesso della nitrogenasi trasforma l'azoto in ammoniaca, poi le reazioni la trasformano in forme utilizzabili per le piante coltivate.

L'uomo ha scoperto come rompere questo triplo legame all'inizio del XX secolo attraverso il processo Haber Bosch. Questo metodo industrializzato di assorbimento dell'azoto gassoso atmosferico e di trasformazione in forme utilizzabili dalle piante ha alleggerito la fatica di procurarsi fertilizzanti azotati. Pertanto, i fertilizzanti ottenuti da questo processo sono composti inorganici e non possono essere utilizzati nelle aziende agricole biologiche certificate.

Fissazione simbiotica dell'azoto

La forma più comune di fissazione è la fissazione simbiotica dell'azoto. Si tratta della relazione che legumi e piante attinorriziche hanno con i batteri azotofissatori presenti nel terreno. Le colture che supportano i batteri azotofissatori sono fagioli, piselli, arachidi, trifoglio, veccia, erba medica e lupini. Altre specie sono leguminose, ma comprendono anche alcuni alberi e arbusti.

La maggior parte delle piante terrestri non ha questa simbiosi con i batteri. Queste piante ospiti formano noduli radicali che contengono microrganismi che fissano l'azoto, tra cui rizobatteri promotori della crescita delle piante. Le relazioni simbiotiche sono vantaggiose per entrambe le parti: le specie di rizobi ricevono zuccheri, mentre la pianta ottiene composti azotati utilizzabili. Quando si applica un fertilizzante N, questi noduli non si formano perché le piante non hanno bisogno dell'aiuto dei batteri azotofissatori per fornire azoto ai mitocondri delle piante.

Ogni specie di legume differisce nel livello di nodulazione e di efficienza. I fagioli comuni, come i fagiolini, non sono così efficaci come le leguminose da granella come le arachidi, i piselli e la soia. Le piante perenni sono ancora più brave ad apportare azoto. Queste colture comprendono i trifogli e l'erba medica. Esistono molte opzioni per queste piante che apportano azoto.

Formazione di noduli

Colture diverse hanno noduli di forma diversa. Il processo di formazione dei noduli è in realtà un'infezione di batteri che fissano l'azoto. Le colture annuali hanno noduli della dimensione di un pisello, mentre le piante perenni hanno noduli più allungati. Ma come si formano questi noduli? In primo luogo, i batteri associati alla pianta invadono l'ospite. I batteri presenti nel terreno entrano nelle cellule della pianta, risiedendo all'interno della corteccia radicale. I batteri rimangono nella regione intracellulare dei tessuti vegetali, formando alla fine i noduli che si vedono.

Consiglio ai giardinieri di andare in giardino e tirare su una pianta azotofissatrice matura. Vedrete questi noduli. Apritene uno per vedere l'interno. I noduli attivi appaiono rossi all'interno grazie a un composto simile all'emoglobina del sangue umano.

Fissazione eterotrofa dell'azoto

I batteri eterotrofi che fissano l'azoto sono diversi da quelli simbiotici. Non hanno una relazione con le piante per ottenere il carbonio e gli altri composti di cui hanno bisogno. Invece, supportano la fissazione dell'azoto in modo passivo, consumando la materia in decomposizione nel suolo.

Lo studio condotto da Eckford e da un gruppo di ricercatori ha identificato diversi batteri eterotrofi all'interno di terreni antartici contenenti idrocarburi. Lo studio sottolinea anche che la fissazione dell'azoto avviene nei suoli di tutto il mondo.

Questi batteri ottengono energia consumando altri composti presenti nel suolo, il che li rende eterotrofi. Gli esseri umani sono eterotrofi perché devono produrre e consumare cibo per sopravvivere. Le piante, le alghe e altri organismi fotosintetici o chemiosintetici sono autotrofi perché sono in grado di produrre al loro interno il cibo necessario alla sopravvivenza.

Fissazione associativa dell'azoto

La fissazione associativa è simile alle altre tipologie, nel senso che l'azoto gassoso viene fissato nel terreno, ma in un rapporto casuale con le piante. Mentre la simbiosi coinvolge i batteri che vivono all'interno dei tessuti vegetali, l'associazione si riferisce ai batteri del microbioma vegetale. Si tratta di batteri del suolo che vivono liberamente e che non dipendono dalle piante per svolgere il loro lavoro.

In questo studio, Roley e altri hanno esaminato la potenziale relazione tra i batteri e l'erba da taglio. Hanno scoperto che l'erba perenne spesso non risponde ai fertilizzanti azotati. Hanno esaminato il terreno circostante le radici per vedere l'attività dei batteri. Hanno scoperto che questa coltura trae vantaggio dall'associazione dei batteri del suolo con la pianta per fornire azoto e ricevere carbonio dall'ambiente circostante.

Come utilizzare le colture azotofissatrici in rotazione

Il modo migliore per utilizzare le piante azotofissatrici è inserirle in una rotazione. Le colture alimentari utilizzano quantità variabili di azoto. La maggior parte di esse si nutre molto di azoto, come il mais dolce, le zucche, le zucche e i peperoni. La maggior parte delle piante nell'orto e nell'azienda agricola trae beneficio dalla rotazione delle piante azotofissatrici. La fissazione dell'azoto avviene quando i giardinieri piantano specie di piante che fissano l'azoto prima di piantare piante che si nutrono pesantemente. Questo tipo di impianto, affiancato alle colture annuali, può essere vantaggioso anche per il terreno delle piante.

L'interpianta di leguminose con altre colture può giovare a entrambe le piante. È importante notare che le piante azotofissatrici forniscono una quantità di azoto alle altre piante solo quando sono vive. È comunque vantaggioso piantarle insieme, ma i noduli delle leguminose potrebbero non essere in grado di fornire tutto l'azoto a un'altra coltura come peperoni o pomodori.

Quando si utilizzano i fissatori di azoto prima delle piante che si nutrono pesantemente, ricordate che le radici delle piante (e i tessuti fuori terra) devono rimanere nell'orto. Rimuovendo le piante, infatti, si sottrae l'azoto fissato dai batteri. Pertanto, tagliare e abbandonare o abbattere un fissatore di azoto alla fine della sua vita sarà più vantaggioso che tirarlo su per le radici.

Considerate la possibilità di scegliere colture in grado di fornire più azoto fissato. I fagioli comuni forniscono una fissazione dell'azoto meno adeguata rispetto a soia o arachidi. Sebbene i cereali azotofissatori come la soia non siano tipicamente utilizzati nell'orto, l'inclusione di edamame, fave o arachidi potrebbe giovare al terreno. Anche le colture di cereali e in generale le piante prive di geni per la fissazione dell'azoto nella rotazione possono contribuire alla formazione di materia organica e a favorire l'orto.

Domande frequenti

D: Cosa sono le piante azotofissatrici?

R: Le piante azotofissatrici sono quelle che fungono da pianta ospite per specifici tipi di batteri. Non è la pianta ospite a fissare l'azoto. I batteri hanno piuttosto una relazione simbiotica con la specie vegetale.

D: Quali alberi fissano l'azoto?

R: Sono molte le specie arboree note per fissare l'azoto. Alcune di esse sono l'olivo autunnale, la robinia, il prugnolo orientale e l'ontano.

D: Quali verdure sono azotofissatrici?

R: I fagioli comuni fissano l'azoto (anche se non con la stessa efficacia di altri). Tra le piante più comuni ci sono i fagiolini, i fagioli neri e i fagioli pinto. Oltre ai piselli, come i piselli da zucchero e i piselli da neve. Anche in questo caso, se si desidera aggiungere quantità adeguate di azoto al terreno, si possono includere colture migliori come le arachidi o l'edamame. L'edamame è simile alla soia da granella e svolge un lavoro migliore di apporto di azoto rispetto ai comuni fagioli. La maggior parte degli altri ortaggi, come pomodori, peperoni, mais, melanzane e zucche, non sono fissatori di azoto.

D: Quali fiori fissano l'azoto?

R: Il lupino è il fiore più importante che fissa l'azoto. I fagioli giacinti sono legumi che producono bellissimi fiori. Sono spesso utilizzati come piante ornamentali.

D: Quali sono le piante che fissano più azoto?

R: Le leguminose perenni come l'erba medica e il trifoglio hanno il potenziale per fissare la maggior parte dell'azoto. Tuttavia, anche le leguminose da granella come le arachidi, le fave, la soia e i piselli da mucca sono in grado di fissare l'azoto. I fagioli comuni, come i fagiolini e i fagioli secchi, non sono altrettanto in grado di fissare l'azoto.