Τα μυστικά της δέσμευσης αζώτου στις καλλιέργειες και η λύση των αζωτοβακτηρίων

Των Δρ. Λουκά Τ. Πιστόλη & Ταξιάρχη Λ. Πιστόλη*

Η βιομηχανία, γενικώς, σ’ ένα απολύτως ανταγωνιστικό οικονομικό σύστημα έφερε τα πράγματα στα όριά τους και τώρα ψάχνουμε τα γιατρικά. Η κατάσταση βέβαια ταιριάζει στη λαϊκή ρήση, «να σε κάψω Γιάννη μου να σ’ αλείψω λάδι», όμως αυτή είναι.

Έχουμε οδηγηθεί στην άκρη του γκρεμού. Αυτό είναι κάκιστο αλλά υπό μίαν άποψη και ελπιδοφόρο.

Είναι η στέρεη άποψη του Νίκου Καζαντζάκη: «Αν δεν φτάσει ο άνθρωπος στο χείλος του γκρεμού, δεν βγάνει η ράχη του φτερούγες να πετάξει»! Ελπίζουμε ότι η περιβαλλοντική κρίση θα επιταχύνει την έρευνα πάνω στη βιολογική αζωτοδέσμευση, η πορεία της οποίας είναι ήδη μακρά.

Ένας μελλοντικός στόχος είναι λ.χ. η δημιουργία αζωτοδεσμευτικών δημητριακών, με εργαλείο τη γενετική μηχανική.

Προς την κατεύθυνση αυτή πιο γόνιμη φαίνεται η ενσωμάτωση βακτηριακών γονιδίων στα φυτά. Η ενσωμάτωση γονιδίων ψυχανθών τα οποία θα κωδικοποιούν ιδιότητες σχετικές με την εγκατάσταση της συμβιωτικής σχέσης ρίζας – φυματίου, είναι τουλάχιστον πάρα πολύ δύσκολη. Βέβαια η σχετική έρευνα, στόχος της οποίας είναι, η κατά το δυνατόν μικρότερη χρήση αζωτούχων λιπασμάτων, έχει ένα ευρύ πεδίο και πέραν της γενετικής μηχανικής. Προς το παρόν αρκούμαστε στις όποιες επιτυχίες της και βέβαια στα πλεονεκτήματα της αμειψισποράς με τα ψυχανθή.

Θεωρητικά, η ποσότητα του αζώτου που βρίσκεται στη στήλη του αέρα (στη σύνθεση του αέρα το 80% είναι άζωτο) που υψώνεται πάνω από ένα εκτάριο (72.000 – 80.000 τόνοι αζώτου) είναι αρκετή να καλύψει τις ανάγκες των καλλιεργούμενων σε αυτή φυτών για ένα εκατομμύριο χρόνια, περίπου. Και φαίνεται παράδοξο, ενώ τα φυτά κολυμπούν μέσα στο μοριακό άζωτο (Ν2), να μην μπορούν να το χρησιμοποιήσουν και να προτιμούν μόνο ενώσεις του με οξυγόνο, υδρογόνο ή άνθρακα. Έτσι ξεκινάει ο D. Davidescu και συν. το βιβλίο του «Το άζωτο στη γεωργία» (1976). Η παραδοξότητα αυτή οδήγησε τον σπουδαίο Λίμπιχ (θυμηθείτε το περίφημο βαρέλι του) να λαθέψει στους σχεδιασμούς του, εκτιμώντας ότι τα φυτά μπορούν να παίρνουν άζωτο από τον αέρα και να φτιάξει το δικό του λίπασμα – το βάφτισε κιόλας με το όνομά του -  με φωσφόρο και κάλι, μόνο. Το χωράφι όμως δεν … σεβάστηκε το κύρος του επιστήμονα και το λίπασμα απέτυχε. Ίσως, αν ο Λίμπιχ εκτιμούσε περισσότερο τους ποιητές1, να είχε αποφύγει το λάθος.

Συνεχίζοντας, πρέπει να πούμε ότι οι γνωστές μας βιομηχανίες, αυτή την ανεξάντλητη πηγή αζώτου χρησιμοποιούν, του ατμοσφαιρικού, για την παραγωγή των αζωτούχων λιπασμάτων.

Οι Regnault (1840), Haber (1909) και Bosch (1913)… ευθύνονται γι’ αυτό. Ο πρώτος έδειξε τη δυνατότητα (η μέθοδος του ήταν πολύπλοκη και μόνο εργαστηριακή), ο δεύτερος απλοποίησε την πολύπλοκη δυνατότητα κι ο τρίτος πραγματοποίησε τη δυνατότητα βιομηχανικής παραγωγής αμμωνίας από τον αέρα. Οι δύο τελευταίοι, τιμήθηκαν, για το σπουδαίο τους επίτευγμα, με Nobel2.

Η λυτρωτική εξίσωση της εργασίας τους έχει ως εξής:

Αέρας + φυσικό αέριο + νερό = αμμωνία + διοξείδιο του άνθρακα.

Η αμμωνία αυτή αποτελεί τη βάση γιά την παραγωγή άλλων αζωτούχων λιπασμάτων, όπως η ουρία και η θειική αμμωνία.

H αμμωνία χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή νιτρικού οξέος, το οποίο με τη σειρά του θα χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή λιπασμάτων με νιτρικό άζωτο, όπως λ.χ. η νιτρική αμμωνία, το νιτρικό ασβέστιο, αλλά και το συνθετικό νιτρικό κάλι.

Στα βακτήρια τώρα και πρώτα στις συμβιώσεις, γενικά.

Μεγάλη υπόθεση οι συμβιώσεις! Πόσο μεγάλη; Αρκεί να θυμηθούμε την Αμερικανίδα βιολόγο Lynn Margulis που υποστήριξε πειστικά (1970) ότι τόσο τα μιτοχόνδρια, (η έδρα της κυτταρικής αναπνοής) όσο και οι χλωροπλάστες (η έδρα της φωτοσύνθεσης), που στην αρχή ήταν ενδοκυτταρικά παράσιτα (βακτήρια βαθιά κόκκινα και κυανοβακτήρια, αντίστοιχα), στην πορεία εξελίχθηκαν σε συμβιώτες!

Η φύση λοιπόν «τοποθέτησε» στον άνετο ενδοκυτταρικό χώρο τα «εργαλεία» για την διαιώνιση της ζωής.

 Τα συμβιωτικά αζωτοβακτήρια

Το ειδύλλιο

Φτάσαμε έτσι, με λίγη υπομονή και στα συμβιωτικά αζωτοβακτήρια (από τα γένη Rhizobium και Bradyrhizobium).

Υπάρχει μία μεγάλη κατηγορία φυτών που ωφελείται από την ανεξάντλητη δεξαμενή του ατμοσφαιρικού αζώτου (Ν2), τα ψυχανθή και η ικανότητά τους οφείλεται στη συμβίωσή τους με τα αζωτοβακτήρια.

Οι προκαρυωτικοί αυτοί οργανισμοί διαθέτουν τον ενζυματικό εξοπλισμό να δεσμεύουν το Ν2, να το ανάγουν σε αμμωνία και να το δίνουν στο φυτό, παίρνοντας ως αντάλλαγμα τα προϊόντα της φωτοσύνθεσης.

Κάποια ογκίδια που σχηματίζονται στις ρίζες των φυτών, γνωστά ως φυμάτια, πιστοποιούν την εν λόγω συμβίωση.

Πώς ξεκινά το «ειδύλλιο», τώρα.

Όπως μας είναι ήδη γνωστό, τα ριζίδια εκκρίνουν διάφορες ουσίες από τις οποίες επωφελούνται οι μικροοργανισμοί της ριζόσφαιρας.

Μεταξύ αυτών των ουσιών είναι και το αμινοξύ τρυπτοφάνη (στα ψυχανθή οι εκκρίσεις αμινοξέων είναι αυξημένες), την οποία τα βακτήρια είναι ικανά να την μετατρέψουν σε αυξίνη (ΙΑΑ).

Θα την συναντήσουμε και παρακάτω. Συνεχίζουμε.

Η αναγνώριση των δύο εταίρων, φυτού και βακτηρίου, γίνεται με τη βοήθεια ειδικών πρωτεϊνών και ειδικών σακχάρων. Τις πρωτεΐνες αυτές, που ονομάζονται λεκτίνες3, τις συνθέτει το φυτό ενώ τα σάκχαρα (πολυσακχαρίτες) τις συνθέτει το βακτήριο με την «προτροπή» του φυτού.

Οι λεκτίνες αναγνωρίζουν τους πολυσακχαρίτες κι έτσι οι δύο εταίροι συνδέονται πλέον μεταξύ τους.

Τα βακτήρια αποικίζουν τα ριζικά τριχίδια στο άκρο τους, το οποίο με τον αποικισμό συστρέφεται σαν αγκίστρι, δημιουργώντας ένα χώρο όπου αυτά πολλαπλασιάζονται και από εκεί εισέρχονται στο κύτταρο. Τα εργαλεία τους για τη συστροφή και την είσοδό τους στο κύτταρο είναι ορμόνες και ένζυμα. Πιθανόν οι αυξίνες που προαναφέραμε μαζί με ένζυμα όπως λ.χ. η «διαβρωτική» πολυγαλακτουρονιδάση.

Στα κύτταρα του ριζικού τριχιδίου τα βακτήρια εισέρχονται υπό κάλυψη, δηλαδή καλυμμένα σε μια κυτταρινικής φύσης μεμβράνη, μια σωληνοειδή ίνα, που όλο και προχωράει μέχρι να φτάσει στο φλοιό, σε ένα χώρο που το φυτό έχει μεριμνήσει να προετοιμάσει, παίρνοντας ερεθίσματα από τα βακτήρια, πριν καν αυτά εισέλθουν στα κύτταρα της ρίζας. Πρόκειται για έναν ιστό που δημιουργείται κατόπιν επανειλημμένων κυτταροδιαιρέσεων και συνιστά το πρωτογενές μερίστωμα του φυματίου. Εκεί η ίνα διακλαδίζεται, σπάει και απελευθερώνει τα βακτήρια, όχι όμως τελείως. Τα κομμάτια της μεμβράνης γίνονται πλέον κάλυμμα για κάθε βακτήριο ή για ομάδες βακτηρίων, γιατί η απόλυτη απελευθέρωσή τους θα τα έβλαπτε. Εκεί μέσα τα βακτήρια πολλαπλασιάζονται.

Τι θα τα έβλαπτε; Θα το έβλαπτε το οξυγόνο. Το βακτηριακό ένζυμο που δεσμεύει το ατμοσφαιρικό άζωτο και το μετατρέπει σε αμμωνία (ΝΗ3)4, η νιτρογενάση, είναι ευαίσθητη, λειτουργεί πλημμελώς ή και καθόλου παρουσία οξυγόνου. Αυτό είναι φυσικό αφού πρόκειται για διαδικασία αναγωγής, κι ως εκ τούτου χρειάζονται αναγωγικές συνθήκες.

Και δεν τελειώνει εδώ η προστασία των βακτηρίων από το επιβλαβές οξυγόνο. Το ίδιο το φυτό «παρασκευάζει» στο φυμάτιο, μια κόκκινη χρωστική, την ψυχανθαιμοσφαιρίνη (leghaemoglobin) η οποία – διαθέτοντας αίμη ως προσθετική ομάδα – δεσμεύει το οξυγόνο (όπως η αιμοσφαιρίνη του ζωικού αίματος δεσμεύει το οξυγόνο του αέρα στους πνεύμονες) και το διαθέτει στα σημεία όπου επιτελείται η αναπνοή. Δηλαδή η οξείδωση των σακχάρων της φωτοσύνθεσης, που δέχονται τα φυμάτια – όντας συνδεδεμένα με το αγωγό σύστημα του φυτού – προς απόκτηση ενέργειας, ώστε να συνεχίσουν απρόσκοπτα τη δουλειά τους, τη δέσμευση του ατμοσφαιρικού αζώτου και την παραγωγή αμμωνίας.

Όταν τα φυμάτια γίνονται γκριζωπά, από κόκκινα, σημαίνει μειωμένη ψυχανθαιμοσφαιρίνη και ασθενή λειτουργία των φυματίων.

Η αμμωνία που παράγουν τα βακτήρια με τον εξοπλισμό τους, την νιτρογενάση, συνδέεται με το γλουταμινικό οξύ – μεσολαβούντος του φυτικού ενζύμου γλουταμινική συνθετάση – δίνοντας γλουταμίνη, ένα αμινοξύ που λειτουργεί σαν εφεδρεία αμινοομάδων για τη σύνθεση των αζωτούχων ενώσεων (αμινοξέα, πρωτεΐνες κ.λ.π.).

*Γεωπόνοι

** Το παρόν κείμενο είναι προδημοσίευση από το βιβλίο: «Γεωπονείον- Το ριζικό σύστημα των φυτών & οι παράγοντες που επηρεάζουν τη διαθεσιμότητα των θρεπτικών στοιχείων του εδάφους», που θα εκδοθεί συντομα.

Λύση τα αζωτοβακτήρια

1. Πενήντα χρόνια πριν, στην εκπνοή του 18ου αιώνα, ο παππούς του Καρόλου ∆αρβίνου, Έρασµος ∆αρβίνος, περισσότερο ποιητής και λιγότερο επιστήµονας, υποστήριξε στο βιβλίο του: «Η φιλοσοφία της γεωργίας και της κηπουρικής» (1799), την πρωτοποριακή για την εποχή του άποψη ότι το άζωτο και ο φωσφόρος είναι απαραίτητα συστατικά των φυτών και συνεπώς το έδαφος πρέπει να εµπλουτίζεται µε αυτά τα στοιχεία. Φυσικά όχι µε χηµικά λιπάσµατα, αφού δεν υπήρχαν τότε, αλλά µε κοπριά και οστεάλευρο.
2. Τα Nobel δεν δίνονται πάντα µε πολιτικές σκοπιµότητες.
3. Οι λεκτίνες είναι πρωτεΐνες εξειδικευµένες να αναγνωρίζουν και να συνδέονται επιλεκτικά (το όνοµά τους προέρχεται από το λατινικό legere που σηµαίνει επιλέγω) µε άλλες πρωτεΐνες που φέρουν σάκχαρα, τις γλυκοπρωτεΐνες. Η διάδοσή τους στα φυτά αποδίδεται στο ότι τα προστατεύουν από προσβολές µυκήτων και βακτηρίων, δεσµεύοντας επιλεκτικά γλυκοπρωτεΐνες των κυτταρικών µεµβρανών.

Λεκτίνες υπάρχουν και στις τροφές (κυρίως σε φιστίκια, όσπρια, δηµητριακά, γάλα, αυγά κ.ά.).

Κάποιες δίαιτες έχουν στη βάση τους µια θεωρία σύµφωνα µε την οποία οι λεκτίνες των τροφών αντιδρούν διαφορετικά σε άτοµα µε διαφορετικές οµάδες αίµατος. Λεκτίνες υπάρχουν επίσης στην επιφάνεια των κυτταρικών µεµβρανών των βακτηρίων. Το µητρικό γάλα περιέχει κάποια σπάνια σάκχαρα όπου προσκολλώνται οι λεκτίνες των βακτηρίων αποτρέποντας έτσι τις µολύνσεις στα νεογέννητα. Από τα κακά που προκαλούν οι λεκτίνες, τα πιο γνωστά είναι οι πεπτικές διαταραχές (δυσπεψία) και τα αλλεργικά φαινόµενα. Άτοµα µε δυσανεξία σε κάποια λεκτίνη παρουσιάζουν αλλεργίες σε τροφές. Η γλουτένη των σιτηρών είναι µια σύνθετη πρωτεΐνη, µέρος της οποίας είναι λεκτίνη, από όπου προκαλείται και η γνωστή µας δυσανεξία στη γλουτένη.

4. Κόβει τους δεσµούς µεταξύ των δύο ατόµων που Ν2 (ΝΞΝ) και ενώνει το κάθε άτοµο µε τρία άτοµα υδρογόνου, δηµιουργώντας δύο άτοµα αµµωνίας (2 x ΝΗ3).