La fixation de l’azote fait référence à la conversion de l’azote gazeux atmosphérique (N 2 ) en une forme utilisable par les plantes et autres organismes. La fixation de l’azote est effectuée par une variété de bactéries, à la fois comme organismes libres et en association symbiotique avec les plantes. Parce qu’elle est la principale source d’azote dans le sol, azote dont les plantes ont besoin pour se développer, la fixation de l’azote est l’un des processus biochimiques les plus importants sur Terre. Même les systèmes agricoles modernes dépendent de la fixation de l’azote par la luzerne, le trèfle et d’autres légumineuses pour compléter les engrais azotés chimiques.
Les organismes vivants ont besoin d’azote car il fait partie des acides aminés qui composent les protéines , et des acides nucléiques qui composent l’ADN (acide désoxyribonucléique) et l’ARN (acide ribonucléique). L’azote présent dans les organismes vivants est finalement décomposé et converti en azote atmosphérique (N 2 ). Cette forme est toutefois très stable et non réactive chimiquement, et n’est donc pas utilisable par la plupart des organismes. Certaines espèces de bactéries peuvent toutefois convertir le N 2 en NH 3 (ammoniac) ou en d’autres formes d’azote utilisables. Ces bactéries fixatrices d’azote comprennent des espèces des genres Rhizobium, Anabaena, Azotobacter et Clostridium, ainsi que d’autres.
Chacune des bactéries fixatrices d’azote emploie la même enzyme , la nitrogénase. L’enzyme nitrogénase a la forme de quelque chose comme un papillon, et contient en son cœur un atome de molybdène qui est crucial pour la réaction. Les sols déficients en molybdène ne peuvent pas soutenir une fixation efficace de l’azote, et la surveillance du sol pour cet élément est importante pour assurer une fixation maximale dans les champs gérés ou les pâturages.
La nitrogénase nécessite une grande quantité d’énergie pour convertir N 2 en NH 3 . Les bactéries libres doivent obtenir elles-mêmes les nutriments permettant de fournir cette énergie. D’autres bactéries ont développé des associations symbiotiques avec des plantes pour leur fournir des sucres, fournissant à la fois une source d’énergie et une source de carbone pour les propres réactions de synthèse de la bactérie. Les bactéries, à leur tour, fournissent à la plante une partie de l’azote fixé. Par exemple, l’Anabaena, qui fixe l’azote, vit en symbiose avec une fougère aquatique, l’Azolla. L’azolla est cultivée dans les rizières au début de la saison. Lorsque le riz pousse au-dessus de la surface de l’eau, il fait de l’ombre à la fougère, qui meurt, libérant ainsi l’azote stocké. De cette manière, le paddy est fertilisé sans application d’engrais chimiques.
Les genres bactériens Rhizobium et Bradyrhizobium ont développé un grand nombre de symbioses avec les membres de la famille des Fabaceae (légumineuses). Les Fabaceae comprennent la luzerne, le trèfle, les haricots et les pois de toutes sortes, les mesquites, les acacias, et des dizaines d’autres espèces domestiquées ou sauvages. Les racines de la plante hôte sont infectées par la bactérie au stade de plantule et réagissent en entourant la bactérie de poils racinaires. La relation entre une espèce hôte particulière et une bactérie particulière est très spécifique,
et est régulée par une série d’événements de reconnaissance qui empêchent la mauvaise espèce de bactérie de s’installer dans la mauvaise plante.
La plante finit par développer une structure spécialisée connue sous le nom de nodule, tandis que les bactéries à l’intérieur se développent en formes hypertrophiées connues sous le nom de bactéroïdes. La concentration d’oxygène à l’intérieur du nodule doit être étroitement régulée, car l’oxygène inhibe la nitrogénase. Cette régulation est facilitée par la présence de la leghemoglobine, une protéine de liaison à l’oxygène similaire à l’hémoglobine . La partie hème (liant l’oxygène) est produite par la bactérie, tandis que la partie globine (protéine) est produite par la plante hôte, illustrant à nouveau l’étroitesse de la relation symbiotique.