Fixação de nitrogênio: processos bióticos e abióticos - Ciência - 2023

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oFixação de nitrogênio É o conjunto de processos biológicos e não biológicos que produzem formas químicas de nitrogênio disponíveis para os seres vivos. A disponibilidade de nitrogênio controla de forma importante o funcionamento dos ecossistemas e da biogeoquímica global, uma vez que o nitrogênio é um fator que limita a produtividade primária líquida em ecossistemas terrestres e aquáticos.

Nos tecidos dos organismos vivos, o nitrogênio faz parte dos aminoácidos, unidades de proteínas estruturais e funcionais, como as enzimas. É também um elemento químico importante na constituição de ácidos nucléicos e clorofila.

Além disso, as reações biogeoquímicas de redução do carbono (fotossíntese) e oxidação do carbono (respiração), ocorrem por meio da mediação de enzimas que contêm nitrogênio, por serem proteínas.

Nas reações químicas do ciclo biogeoquímico do nitrogênio, este elemento muda seus estados de oxidação de zero para N_2,um 3- em NH₃, 3+ em NÃO₂^–e NH₄⁺ , e 5+ em NÃO₃^–.

Vários microrganismos aproveitam a energia gerada nessas reações de redução do óxido de nitrogênio e a utilizam em seus processos metabólicos. São essas reações microbianas que impulsionam coletivamente o ciclo global do nitrogênio.

A forma química mais abundante de nitrogênio no planeta é o nitrogênio diatômico molecular gasoso N₂, que constitui 79% da atmosfera da Terra.

É também a espécie química menos reativa do nitrogênio, praticamente inerte, muito estável, devido à tripla ligação que une os dois átomos. Por esse motivo, o nitrogênio abundante na atmosfera não está disponível para a grande maioria dos seres vivos.

O nitrogênio em formas químicas disponíveis para os seres vivos é obtido por meio da "fixação de nitrogênio". A fixação do nitrogênio pode ocorrer de duas maneiras principais: formas abióticas de fixação e formas bióticas de fixação.

Formas abióticas de fixação de nitrogênio

Trovoadas

O relâmpago ou "relâmpago" produzido durante tempestades elétricas não é apenas ruído e luz; eles são um poderoso reator químico. Devido à ação do raio, óxidos de nitrogênio NO e NO são produzidos durante as tempestades₂, genericamente denominado NÃO_x.

Essas descargas elétricas, observadas como raios, geram condições de altas temperaturas (30.000^ouC) e altas pressões, que promovem a combinação química de oxigênio O₂ e nitrogênio N₂ da atmosfera, produzindo óxidos de nitrogênio NO_x.

Este mecanismo tem uma taxa de contribuição muito baixa para a taxa total de fixação de nitrogênio, mas é o mais importante dentro das formas abióticas.

Queima combustíveis fósseis

Existe uma contribuição antropogênica para a produção de óxidos de nitrogênio. Já dissemos que a forte ligação tripla da molécula de nitrogênio N_2,ele só pode quebrar em condições extremas.

A combustão de combustíveis fósseis derivados do petróleo (nas indústrias e nos transportes comerciais e privados, marítimos, aéreos e terrestres), produz enormes quantidades de emissões de NO._x para a atmosfera.

Então₂Ou emitido na queima de combustíveis fósseis, é um poderoso gás de efeito estufa que contribui para o aquecimento global do planeta.

Queima de biomassa

Há também uma contribuição de óxidos de nitrogênio NO_x pela queima de biomassa na área de maior temperatura da chama, por exemplo em incêndios florestais, uso de lenha para aquecimento e cozimento, incineração de resíduos orgânicos e eventual aproveitamento de biomassa como fonte de energia calórica.

Os óxidos de nitrogênio NOx emitidos na atmosfera por rotas antropogênicas causam sérios problemas de poluição ambiental, como a poluição fotoquímica em ambientes urbanos e industriais, e importantes contribuições para a chuva ácida.

Emissões de nitrogênio por erosão do solo e intemperismo de rocha

A erosão do solo e o intemperismo da rocha rica em nitrogênio expõem os minerais aos elementos que podem liberar óxidos de nitrogênio. O intemperismo do alicerce ocorre devido à exposição a fatores ambientais, causados por mecanismos físicos e químicos agindo em conjunto.

Movimentos tectônicos podem expor fisicamente rochas ricas em nitrogênio aos elementos. Posteriormente, por meios químicos, a precipitação da chuva ácida provoca reações químicas que liberam NO_x, tanto deste tipo de rochas quanto do solo.

Há pesquisas recentes que atribuem 26% do nitrogênio biodisponível total do planeta a esses mecanismos de erosão do solo e intemperismo das rochas.

Formas bióticas de fixação de nitrogênio

Alguns microrganismos bacterianos possuem mecanismos capazes de quebrar a ligação tripla do N₂ e produzir amônia NH₃, que é facilmente transformado em íon amônio, NH₄⁺metabolizável.

Microrganismos de vida livre ou simbióticos

As formas de fixação de nitrogênio por microrganismos podem ocorrer por meio de organismos de vida livre ou de organismos que vivem em associações simbióticas com plantas.

Embora existam grandes diferenças morfológicas e fisiológicas entre os microrganismos fixadores de nitrogênio, o processo de fixação e o sistema enzimático nitrogenase usado por todos eles são muito semelhantes.

Quantitativamente, a fixação biótica de nitrogênio por meio desses dois mecanismos (vida livre e simbiose) é o mais importante globalmente.

Mecanismos para manter o sistema nitrogenase ativo

Os microrganismos fixadores de nitrogênio possuem mecanismos estratégicos para manter ativo seu sistema enzimático nitrogenase.

Esses mecanismos incluem proteção respiratória, proteção química conformacional, inibição reversível da atividade enzimática, síntese adicional de uma nitrogenase alternativa com vanádio e ferro como cofatores, criação de barreiras de difusão para o oxigênio e separação espacial de nitrogenase.

Alguns têm microaerofilia, como as bactérias quimiotróficas dos gênerosAzospirilium, Aquaspirillum, Azotobacter, Beijerinkia, Azomonas, Derxia, Crynebacterium, Rhizobium, Agrobacterium, Thiobacillus e fototróficos dos gêneros Gleocapsa, Anabaena, Spirulina, Nostoc, Oscillatoria, Calothrix, Lingbya.

Outros apresentam anaerobiose facultativa, como os gêneros quimiotróficos: Klebsiella, Citrobacter, Erwinia, Bacillus, Propionibacterium e fototróficos dos gêneros Rhodospirillum, Rhodopsuedomonas.

Fixação biótica de nitrogênio por microrganismos de vida livre

Microrganismos fixadores de nitrogênio que vivem no solo em uma forma livre (assimbiótica) são basicamente arqueobactérias e bactérias.

Existem vários tipos de bactérias e cianobactérias que podem converter o nitrogênio atmosférico, N_2, na amônia, NH₃. De acordo com a reação química:

N₂+ 8H⁺+ 8e^–+16 ATP → 2 NH₃+ H₂+16 ADP + 16Pi

Esta reação requer a mediação do sistema enzimático nitrogenase e um cofator, a vitamina B₁₂. Além disso, este mecanismo de fixação de nitrogênio consome muita energia, é endotérmico e requer 226 Kcal / mol de N₂; ou seja, tem um alto custo metabólico, por isso deve ser acoplado a um sistema que produza energia.

Energia necessária durante a reação de fixação de N₂

A energia para esse processo é obtida do ATP, que vem da fosforilação oxidativa acoplada à cadeia de transporte de elétrons (que usa o oxigênio como aceptor final de elétrons).

O processo de redução do nitrogênio molecular a amônia também reduz o hidrogênio na forma de próton H⁺para hidrogênio molecular H_2.

Muitos sistemas de nitrogenase têm acoplado um sistema de reciclagem de hidrogênio mediado pela enzima hidrogenase. As cianobactérias fixadoras de nitrogênio acoplam a fotossíntese à fixação de nitrogênio.

O complexo enzimático nitrogenase e oxigênio

O complexo enzimático nitrogenase possui dois componentes, componente I, dinitrogenase com molibdênio e ferro como cofatores (que chamaremos de Mo-Fe-proteína), e o componente II, dinitrogenase redutase com ferro como cofator (Fe-proteína).

Os elétrons envolvidos na reação são doados primeiro para o componente II e depois para o componente I, onde ocorre a redução do nitrogênio.

Para que ocorra a transferência de elétrons de II para I, a proteína Fe é necessária para se ligar a um Mg-ATP em dois sítios ativos. Esta união gera uma mudança conformacional na Fe-proteína. Um excesso de oxigênio pode produzir outra mudança conformacional desfavorável na proteína Fe, uma vez que cancela sua capacidade de aceitar elétrons.

É por isso que o complexo da enzima nitrogenase é muito suscetível à presença de oxigênio acima de concentrações toleráveis e que algumas bactérias desenvolvem formas de vida microaerofílicas ou anaerobiose facultativa.

Entre as bactérias fixadoras de nitrogênio de vida livre, pode-se mencionar os quimiotróficos pertencentes aos gênerosClostridium, Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Methanosarcina,e os fototróficos dos gênerosCromatium, Thiopedia, Ectothiordospira, entre outras.

Fixação biótica de nitrogênio por microrganismos de vida simbiótica com plantas

Existem outros microrganismos fixadores de nitrogênio que são capazes de estabelecer associações simbióticas com plantas, particularmente com leguminosas e gramíneas, seja na forma de ectossimbiose (onde o microrganismo está localizado fora da planta), ou endossimbiose (onde o microrganismo vive dentro das células ou nos espaços intercelulares da planta).

A maior parte do nitrogênio fixado nos ecossistemas terrestres vem de associações simbióticas de bactérias dos gêneros Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium, Allorhizoium Y Mesorhizobium, com plantas leguminosas.

Existem três tipos interessantes de simbioses fixadoras de nitrogênio: rizocenoses associativas, sistemas com cianobactérias como simbiontes e endorizobioses mutualísticas.

Rizocenose

Em simbioses semelhantes à rizocenose associativa, nenhuma estrutura especializada é formada nas raízes das plantas.

Exemplos deste tipo de simbiose são estabelecidos entre plantas de milho (Milho Zea) e cana-de-açúcar (Saccharum officinarum) com Gluconacetobacter, Azoarcus, Azospirillum Y Herbaspirillum.

Na rizocenose, a bactéria fixadora de nitrogênio usa o exsudato da raiz da planta como meio nutritivo e coloniza os espaços intercelulares do córtex da raiz.

Cianobactérias simbióticas

Em sistemas onde participam cianobactérias, esses microrganismos desenvolveram mecanismos especiais para a coexistência da fixação de nitrogênio anóxico e sua fotossíntese oxigenada.

Por exemplo em Gleothece Y Synechococcus, estão temporariamente separados: realizam fotossíntese diurna e fixação noturna de nitrogênio.

Em outros casos, há separação espacial de ambos os processos: o nitrogênio é fixado em grupos de células diferenciadas (heterocistos), onde não ocorre a fotossíntese.

Associações simbióticas fixadoras de nitrogênio de cianobactérias do gênero Nostoc com plantas não vasculares (antóceras), como nas cavidades de Nothocerus endiviaefolius,com hepáticas Gakstroemiamagellanica e Quiloscifo obvolutus em Ectossimbiose separadamente, com briófitas (formando líquenes em rizóides de musgo), e com plantas angiospermas superiores, por exemplo com as 65 ervas perenes do gênero Gunnnera.

Por exemplo, a associação simbiótica de fixação de nitrogênio de cianobactérias foi observada Anabaena com uma planta não vascular de briófita, nas folhas da pequena samambaia Azolla anabaenae.

Endorrizobiose

Como exemplos de endorrizobiose, podemos citar a associação chamada actinorrhiza que se estabelece entre Frankia e algumas plantas lenhosas como casuarina (Casuarina Cunninghamiana) Y amieiroAlnus glutinosa), e a associação Rhizobium–Leguminoso.

A maioria das espécies da família Leguminosae, formar associações simbióticas com bactérias Rhizobium e este microorganismo Possui especialização evolutiva em dar nitrogênio à planta.

Nas raízes das plantas associadas com Rhizobium, aparecem os chamados nódulos radicais, local onde ocorre a fixação do nitrogênio.

Em leguminosas Sesbania Y Aechynomene, além disso, nódulos são formados nas hastes.

Sinais químicos

Há uma troca de sinais químicos entre o simbionte e o hospedeiro. Verificou-se que as plantas exalam certos tipos de flavonóides que induzem a expressão de genes nod em Rhizobium, que produzem fatores de nodulação.

Os fatores de nodulação geram modificações nos pelos da raiz, formação de um canal de infecção e divisão celular no córtex da raiz, que promovem a formação do nódulo.

Alguns exemplos de simbiose de fixação de nitrogênio entre plantas superiores e microorganismos são mostrados na tabela a seguir.

Micorrizobiose

Além disso, na maioria dos ecossistemas, existem fungos micorrízicos fixadores de nitrogênio, pertencentes aos filos Glomeromycota, Basidiomycota e Ascomycota.

Os fungos micorrízicos podem viver em ectossimbiose, formando uma bainha de hifas ao redor das raízes finas de algumas plantas e espalhando hifas adicionais por todo o solo. Também em muitas áreas tropicais, as plantas hospedam micorrizas em endossimbiose, cujas hifas penetram nas células das raízes.

É possível que um fungo forme micorrizas com várias plantas simultaneamente, caso em que se estabelecem inter-relações entre elas; ou que o fungo micorrízico está parasitado por uma planta que não faz fotossíntese, micoheterotrófica, como as do gênero Monótropo. Além disso, vários fungos podem estabelecer simbiose com uma única planta simultaneamente.

Referências

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