Azot Fiksasyonu
Atmosferde bol miktarda bulunan moleküler azotun amonyum formlarına indirgenerek yarayışlı duruma geçmesine azot fiksasyonu denmektedir. Atmosfer azotunun biyolojik olarak bir yıl içindeki fiksasyonu 175 milyon ton olup, tüm azot fiksasyonunun % 75' ini oluşturmaktadır. Aşağıdaki çizelgede azot fiksasyonu olayları ve düzeyleri görülmektedir.
| N - Fiksasyonu milyon | Ton/Yıl |
| Endüstriyel (Haber-Bosch Makineleri) | 40 |
| Atmosferik (elektrik gerilimleri) | 10 |
| Yanma (endüstriyel, oto) | 20 |
| Ozonlanma | 15 |
| Biyolojik | 175 |
Azot fiksasyonunda moleküler azotun amonyağa çevrimi enerji gereksinir. Ticari azotlu gübre üretiminde,
bu iş Haber-Bosch yöntemi ile yüksek basınç ve sıcaklıkta gerçekleştirilir. Bu amaçla petrol gibi yenilenemeyen fosil yakıtların fazlaca kullanılması gerekmektedir. Oysa biyolojik olarak azot fiksasyonu, bazı mikroorganizmalar tarafından (bakteri ve cyanobacter)
nitrogenaz enzimini kullanarak düşük enerji tüketimi ile gerçekleştirilebilmektedir.
Biyolojik azot fiksasyonu bir çok mikroorganizma tarafından gerçekleştirilir. Bu organizmaların bir kısmı bağımsız olarak bu işlevi gerçekleştirirler. Buna kısaca
serbest azot fiksasyonu denmektedir. Bunun yanında bazı toprak bakterileri, baklagil bitkileri ile simbiyoz durumunda önemli azot fikse edici organizmalar olarak tanınırlar. Ayrıca mavi yeşil algler ve aktinomiset-yüksek bitki ortaklığı şeklinde azot fikse eden formlar da bilinmektedir. (Rhizobium türleri ve Aktinomisetler tarafından gerçekleştirilen Simbiyotik fiksasyonu daha önce yeterince anlatıldığı için burada değinilmeyecektir.)
Serbest yaşayan ve molekül azotu bağlama yeteneğinde olan mikroorganizmalar
bakteriler ve mavi yeşil alglerdir. Algler toprakta olduğu kadar akvatik (su) ortamlarda da azot fiksasyonunu gerçekleştirirler.
Serbest azot fiksasyonu yapan bakteriler
heterotrof veya ototrof gruptan olabilmektedir. Heterotrofik türler arasında aerob ve anaerob aktivite gösteren gruplar vardır.
Aerob bakterilerden
Azotobacter ve Beijerinckia örnek olarak verilebilir. Azotobacter genellikle nötral ve alkali topraklarda bütün dünyada geniş yayılım gösterir. Bu bakterilerden
Azotobacter chroococcum en önemlisidir. Bu bakteri ortam koşullarına bağlı olarak her bir gram toprakta bir kaç yüz veya bin adet olarak bulunabilir. Yıllık azot fiksasyon düzeyleri ortalama 2-3 kg/da 'dır. Azotobacter, büyük (3-6 μm), oval veya küresel mikroorganizmalardır. Hücreler bölünme işleminden sonra çoğunlukla yoğun jelimsi bir kılıf ile çevrilir. Azotobacterin asit koşullara dirençli türleri de vardır. Örneğin
Azotobacter beijerinckia 3 pH' ya kadar asit koşullara dayanabilir ve azot fiksasyonu yapabilir. Buna karşılık A. chroococcum asit koşullarda gelişmez ve azot fiksasyonu yapamaz.
Aerob olarak azot bağlama yeteneğinde olan diğer heterotrof bakteri grupları
Pseudomonas, Bacillus, Klebsiella, Mycobacterium ve Spirillum'dur.
Anaerob azot fiksasyonu yapan bakteriler içinde en iyi bilineni
Clostridium türüdür. Bu organizma da Azotobacter gibi uygun enerji kaynaklarını gereksinir ve ortamda düşük miktarlarda amonyum veya nitrat iyonları bulunduğu durumda bile, azot fiksasyon kapasitesi azalır. Anaerob olmalarına karşın
Clostridiumlar toprakta Azotobacterlerden daha fazla bulunur. Özellikle bitki kök aktivitesinin yoğun olduğu rizosfer bölgesi, solunumdan oluşan karbondioksit derişiminin yüksekliği nedeniyle uygun bir anaerobik ortam sağladığından clostridiumların gelişmesini olumlu etkiler. Bu tür organizmaların azot fiksasyon düzeyleri 0.5-3 kg/da/yıl kadardır.
Azot bağlama yeteneğinde olan bazı fakültatif anaerob bakterilerde vardır.
Bacillus, Klebsiella, Pseudomonas ve Arthrobacter bunlara örneklerdir.
Bu organizmaların azot bağlama güçleri fazla değildir.
Topraklarda ayrıca azot bağlama yeteneği gösteren bazı ototrofik bakteri türleri arasında kemoototrofik gruplar yanında fotoototrofik türler de bilinmektedir.
Örneğin kemoototrofik Methanobacterium omelianski ve fototrofik yeşil ve mor kükürt bakterileri tanımlanabilir.
Fotoheterotrof kükürtsüz purpur bakterileri de dahil olmak üzere bütün fotosentetik bakterilerin azot bağlama yeteneğinde oldukları bilinmektedir. Bunlardan bazılarının karanlık koşullarda da kemoheterotrof gelişerek azot fiksasyonu yaptıkları saptanmıştır. Bütün bu organizmaların belirli ekosistemlerde lokal etkileri olmakla birlikte, azotun jeobiyokimyasal döngüsü içinde az bir yer tuttukları belirtilebilir.
Mavi-Yeşil Algler (Cyanophyceae)
Azot fikse eden
mavi-yeşil algler ışık enerjisini kullanarak fotosentetik mekanizma yolu yardımı ile enerji sağlayan ve bunun bir kısmını azot fiksasyonu mekanizmasında kullanan organizmalardır.
Bu organizmalar toprak ekosistemindeki yüksek bitkilere benzer fotosentez yolu ile oksijen üreten ve karbon dioksit fiksasyonu yapan ve azot fikse eden tek organizmadır. Alglerin azot bağladığı ilk kez Frank (1889) tarafından ileri sürülmüş, 1928'de Drewes saf kültürde mavi-yeşil alglerden
Nostoc ve Anabaena türlerinin azot bağladığını göstermiştir.
Mavi yeşil alglerin özellikle çeltik tarlalarında önemli ekonomik rolleri bulunmaktadır. Yağmurlu dönemlerde nemli pirinç tarlalarında azot miktarının 15-50 kg/ha düzeyleri arasında değiştiği belirtilmektedir. Ayrıca arid bölgelerde ve çöl alanlarda gelişen alg türleri azot kazancı bakımından önemlidir. Bu tür bölgelerde mavi-yeşil algler tarafından bağlanan atmosfer azotu
3 kg/ha/yıl düzeyindedir.
Antartika'da yaygın olan Nostoc algal-peat olarak tanımlanan organik toprak nitelikli bir oluşumun temel bileşenidir. Mavi-yeşil alglerin fotosentetik canlılar olması azot fiksasyonu bakımından güneş ışıma şiddeti, diğer bir deyimle fotosentez koşullarına bağlı olmalarına neden olmaktadır. Kış koşullarında sıcaklık ve fotosentez koşulları yeterli olmadığından azot fiksasyonu çok önemsiz düzeyde gerçekleşmektedir.
Bahar aylarında oluşan fiksasyonun 8 kg/ha /yıl düzeyine ulaştığı belirlenmiştir.