La fissazione dell’azoto si riferisce alla conversione del gas azoto atmosferico (N 2 ) in una forma utilizzabile dalle piante e da altri organismi. La fissazione dell’azoto è condotta da una varietà di batteri, sia come organismi liberi che in associazione simbiotica con le piante. Poiché è la fonte principale dell’azoto nel suolo, azoto di cui le piante hanno bisogno per crescere, la fissazione dell’azoto è uno dei processi biochimici più importanti sulla Terra. Anche i moderni sistemi agricoli dipendono dalla fissazione dell’azoto da parte di erba medica, trifoglio e altre leguminose per integrare i fertilizzanti chimici a base di azoto.
Gli organismi viventi hanno bisogno di azoto perché fa parte degli amminoacidi che compongono le proteine e degli acidi nucleici che compongono il DNA (acido desossiribonucleico) e l’RNA (acido ribonucleico). L’azoto negli organismi viventi viene infine decomposto e convertito in azoto atmosferico (N 2 ). Questa forma, tuttavia, è altamente stabile e non reattiva chimicamente, e quindi non è disponibile per l’uso da parte della maggior parte degli organismi. Alcune specie di batteri, però, possono convertire N 2 in NH 3 (ammoniaca) o altre forme utilizzabili di azoto. Questi batteri fissatori di azoto includono specie dei generi Rhizobium, Anabaena, Azotobacter e Clostridium, così come altri.
Ognuno dei batteri azotofissatori utilizza lo stesso enzima, la nitrogenasi. L’enzima nitrogenasi ha la forma di una farfalla e contiene un atomo di molibdeno nel suo nucleo che è cruciale per la reazione. I terreni carenti di molibdeno non possono sostenere un’efficace fissazione dell’azoto, e il monitoraggio del suolo per questo elemento è importante per garantire la massima fissazione nei campi o nei pascoli gestiti.
La nitrogenasi richiede una grande quantità di energia per convertire N 2 in NH 3 . I batteri che vivono liberi devono procurarsi da soli i nutrienti per fornire questa energia. Altri batteri hanno sviluppato associazioni simbiotiche con le piante per fornire loro zuccheri, fornendo sia una fonte di energia che una fonte di carbonio per le reazioni sintetiche del batterio stesso. I batteri, a loro volta, forniscono alla pianta parte dell’azoto fissato. Per esempio, l’Anabaena che fissa l’azoto vive in simbiosi con una felce acquatica, l’Azolla. L’Azolla viene coltivata nelle risaie all’inizio della stagione. Quando il riso cresce sopra la superficie dell’acqua, fa ombra alla felce, che muore, rilasciando l’azoto immagazzinato. In questo modo, la risaia viene fertilizzata senza l’applicazione di fertilizzanti chimici.
I generi batterici Rhizobium e Bradyrhizobium hanno sviluppato un gran numero di simbiosi con i membri della famiglia delle Fabaceae (legumi). Le Fabaceae includono erba medica, trifoglio, fagioli e piselli di tutti i tipi, mesquite, acacie e decine di altre specie sia domestiche che selvatiche. Le radici della pianta ospite si infettano con i batteri come piantine, e rispondono circondando i batteri con i peli delle radici. La relazione tra una particolare specie ospite e un particolare batterio è altamente specifica,
ed è regolato da una serie di eventi di riconoscimento che impediscono alla specie sbagliata di batterio di prendere la residenza nella pianta sbagliata.
La pianta alla fine sviluppa una struttura specializzata nota come nodulo, mentre i batteri all’interno crescono in forme ingrandite note come batteroidi. La concentrazione di ossigeno all’interno del nodulo deve essere strettamente regolata, poiché l’ossigeno inibisce la nitrogenasi. Questa regolazione è aiutata dalla presenza di legemoglobina, una proteina che lega l’ossigeno simile all’emoglobina. La parte eme (che lega l’ossigeno) è prodotta dal batterio, mentre la parte globina (proteina) è prodotta dalla pianta ospite, illustrando ancora una volta la vicinanza della relazione simbiotica.