Azot fiksasyonu, atmosferde moleküler halde bulunan ve canlıların büyük çoğunluğu tarafından doğrudan kullanılamayan azot gazının ($N_{2}$), amonyum ($NH_{4}^{+}$) gibi bitkilerin ve diğer canlıların kullanabileceği formlara indirgenmesi sürecidir. Azot, protein, nükleik asit, klorofil ve enzimler gibi temel organik bileşiklerin yapısında yer aldığı için tüm canlılar için hayati bir besin elementidir. Atmosferin yaklaşık %78'ini oluşturmasına rağmen, eksikliği en sık görülen besin elementlerinden biridir. Azot fiksasyonu, bu gaz halindeki azotun biyosfere girişini sağlayan temel mekanizmadır. Bu süreç, biyolojik olmayan (atmosferik), endüstriyel ve biyolojik yollarla gerçekleşebilir.

^{Baklagil Köklerindeki Nodüllerle Biyolojik Azot Fiksasyonu (Yapay Zeka İle Oluşturulmuştur)}

Azot Fiksasyonu Yöntemleri

Biyolojik Olmayan Azot Fiksasyonu

Atmosferik azot fiksasyonu olarak da bilinen bu süreç, şimşek ve yıldırım gibi yüksek enerjili doğal hava olayları sırasında meydana gelir. Bu olaylar, atmosferdeki azot gazı molekülleri arasındaki güçlü üçlü bağı kırarak azotun oksijenle birleşip azot oksitleri oluşturmasını sağlar. Bu bileşikler daha sonra yağmur suyu ile toprağa nitrat ($NO_{3}^{-}$​) ve amonyum (​$NH_{4}^{+}$ ) formlarında ulaşır. Bu yolla fikse edilen azot miktarı, diğer fiksasyon türlerine göre daha düşüktür. Yağışlarla toprağa ilave edilen azot miktarının yılda hektar başına 1.8 kg ile 38 kg arasında değiştiği belirtilmektedir.

Endüstriyel Azot Fiksasyonu

Endüstriyel yollarla azot fiksasyonu, genellikle Haber-Bosch süreci olarak bilinen yöntemle sentetik amonyaklı gübrelerin üretimidir. Bu süreç, yüksek sıcaklık (400°C) ve yüksek basınç (200-350 atm) gerektirir. Bu enerji ihtiyacı, büyük ölçüde petrol gibi yenilenemeyen fosil yakıtlardan karşılanır. Yüksek enerji girdisine rağmen bu yöntemle yılda yaklaşık 40 milyon ton azot üretildiği bildirilmektedir.

Biyolojik Azot Fiksasyonu (BNF)

Biyolojik azot fiksasyonu, atmosferdeki moleküler azotun, nitrogenaz enzimine sahip bazı mikroorganizmalar tarafından amonyağa dönüştürülmesi olayıdır. Bu süreç, dünya genelindeki toplam azot fiksasyonunun yaklaşık %75'ini oluşturur ve yılda yaklaşık 175 milyon ton azotun bu yolla tespit edildiği rapor edilmiştir. Biyolojik azot fiksasyonu, fotosentezden sonra gezegendeki en önemli biyokimyasal süreçlerden biri olarak kabul edilir. Bu süreç, simbiyotik ve simbiyotik olmayan olmak üzere iki temel şekilde gerçekleşir.

Simbiyotik Olmayan (Asimbiyotik) Fiksasyon

Bu fiksasyon türü, toprak ve su ekosistemlerinde serbest yaşayan mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilir. Dünya genelinde bu yolla yılda yaklaşık 30 milyon ton azotun fikse edildiği tahmin edilmektedir. Simbiyotik olmayan fiksasyonu gerçekleştiren başlıca mikroorganizma grupları şunlardır:

• Heterotrofik bakteriler: Azotobacter, Clostridium, Bacillus ve Pseudomonas gibi cinsleri içerir. 

Azotobacter türlerinin uygun koşullarda yılda hektar başına 90 kg'a kadar azot fikse edebildiği belirtilmiştir.

• Mavi-yeşil algler (Siyanobakteriler): Özellikle çeltik tarlalarında etkili olan Anabaena, Nostoc ve Calothrixgibi türler bu gruptadır. Bu organizmaların yılda hektar başına 100-300 kg azot bağlayabildiği rapor edilmiştir.

• Fotosentetik bakteriler: Chlorobium ve Rhodomicrobium gibi türleri içerir.

• Kemoototrofik bakteriler: Methanobacillus cinsi örnek verilebilir.

Simbiyotik Fiksasyon

Simbiyotik azot fiksasyonu, bir mikroorganizma ile bir konukçu bitki arasında karşılıklı faydaya dayalı bir ilişki sonucunda gerçekleşir. Bu süreç, biyolojik olarak fikse edilen toplam azotun yaklaşık yarısını oluşturur. En bilinen simbiyotik ilişki, Rhizobium cinsi bakteriler ile baklagil (Leguminosae) familyasına ait bitkiler arasında kurulur. Bu ilişkide bakteri, konukçu bitkiden karbonhidrat formunda enerji alırken, bitkiye atmosferden bağladığı azotu sunar. Bakteriler, bitki köklerinde "nodül" adı verilen özel yapılar oluşturarak azot fiksasyonunu bu nodüllerin içinde gerçekleştirirler.

Bu ortak yaşam oldukça seçicidir; her Rhizobium türü, belirli bir baklagil grubu ile etkileşime girer. Örnek olarak:

• Rhizobium leguminosarum: Bezelye, fiğ, mercimek.
• Rhizobium trifolii: Üçgül.
• Rhizobium meliloti: Yonca.
• Bradyrhizobium japonicum: Soya fasulyesi.
• Rhizobium cicer: Nohut.

Baklagil-Rhizobium ortak yaşamı ile bir hektar alanda yılda 200-300 kg arasında, bazen 600 kg'a varan düzeylerde, bitkiye yarayışlı azot sağlanabilmektedir. Yonca, en yüksek azot fiksasyon kapasitesine sahip bitkilerden biri olarak bilinir ve yılda hektar başına 125-335 kg azot fikse edebilir.

Nodül Oluşum Süreci (Nodülasyon)

Simbiyotik fiksasyonun gerçekleştiği nodüllerin oluşumu üç temel aşamada meydana gelir:

1. Enfeksiyon Öncesi Dönem: Bitki kökleri, bakterileri kendine çeken kimyasal maddeler salgılar. Kök tüylerine tutunan bakteriler, indol asetik asit (IAA) gibi hormonlar salgılayarak kök tüylerinin özel bir şekil almasını sağlar ve poligalatunaz (PG) enzimi ile kök hücre duvarını esnek hale getirerek giriş için hazırlar.
2. Enfeksiyon Şeridinin Oluşması: Kök hücresine giren bakteriler, korteks hücrelerine doğru uzanan "enfeksiyon şeridi" veya "iplikçiği" adı verilen boru benzeri bir yapı oluşturur. Bakteriler bu şerit içinde çoğalarak kortekse taşınır.
3. Nodül Oluşumu: Enfeksiyon şeridi korteks hücrelerine ulaştığında, bu hücreler ve komşu hücreler hızla bölünmeye başlar. Bakteriler, bu hücrelerin içinde klasik çubuk şeklini kaybederek "bakteroid" adı verilen, fiksasyon yapabilen düzensiz formlara dönüşür.

Azot fiksasyonu, enfeksiyondan yaklaşık 10-21 gün sonra başlar. Aktif ve azot bağlayan bir nodül, kesildiğinde içinde bulunan leghemoglobin pigmenti nedeniyle kırmızımsı veya pembemsi canlı bir renge sahiptir. Yeşilimsi veya kahverengi bir iç renk, nodülün aktif olmadığını gösterir.

Bakteri Aşılaması

Bir alanda belirli bir baklagil bitkisi ilk kez yetiştirilecekse, toprağın o bitkiye özgü etkin Rhizobium bakterilerini yeterli sayıda içermemesi olasıdır. Bu durumda, azot fiksasyonunun etkin bir şekilde gerçekleşmesi için "bakteri aşılaması" yapılması gerekir. Aşılama, tohum yatağını veya tohumun kendisini, azot bağlama yeteneği yüksek olan bakteri kültürü ile bulaştırma işlemidir.

Toprağa Aşılama

Daha önce ilgili baklagilin yetiştirildiği bir tarladan alınan toprağın yeni tarlaya serilmesiyle yapılır. Ancak bu yöntem, dekara 400 kg gibi yüksek miktarda toprak gerektirmesi, maliyetli olması ve taşınan toprakla hastalık, zararlı ve yabancı ot tohumlarının yayılma riski taşıması nedeniyle daha az tercih edilir.

Tohuma Aşılama

En yaygın ve pratik yöntemdir. Bu yöntemde, bakteri kültürü (genellikle peat taşıyıcı içinde) hafifçe nemlendirilmiş tohuma yapıştırılır. Bakterilerin tohuma daha iyi yapışması için şekerli su gibi yapıştırıcı bir ajan kullanılabilir. Aşılanmış tohumlar, bakterilerin canlılığını kaybetmemesi için güneş ışığından korunmalı ve en geç birkaç saat içinde ekilmelidir.

Yapılan araştırmalar, tohum yatağına pulverize aşılama gibi alternatif yöntemlerin de geleneksel tohuma aşılamadan daha etkin olabildiğini göstermiştir. Aşılama yapılan tohumlar, kireç veya inorganik gübrelerle doğrudan temas ettirilmemelidir.

Azot Fiksasyonuna Etki Eden Faktörler

Biyolojik azot fiksasyonunun verimliliği, bir dizi genetik ve çevresel faktörden etkilenir.

Bakteri Türü ve Konukçu Uyumu

Fiksasyonun gerçekleşmesi için konukçu bitki ile Rhizobium suşu arasında genetik bir uyum olması zorunludur. Farklı bakteri suşlarının aynı bitki üzerindeki fiksasyon etkinliği değişebilir.

Besin Elementleri

• Azot (N): Topraktaki yüksek düzeyde mineral azot (özellikle nitrat), nodül oluşumunu ve nitrogenaz enziminin aktivitesini engeller. Düşük miktarda başlangıç azotu ise bitkinin ilk gelişimini destekleyerek nodülasyonu teşvik edebilir.

• Fosfor (P) ve Potasyum (K): Fosfor, kök gelişimini ve bakterilerin aktivitesini artırarak erken nodül oluşumunu destekler. Potasyumun da nodülasyon ve fiksasyon üzerinde olumlu etkileri bulunmaktadır.

Sıcaklık

Hem düşük hem de yüksek sıcaklıklar fiksasyonu olumsuz etkiler. Düşük sıcaklıklar kök enfeksiyonunu geciktirir ve nitrogenaz aktivitesini engeller. Genel olarak 30°C'nin üzerindeki sıcaklıklar, nodül oluşumunu ve aktivitesini azaltır.

Toprak Nemi (Kuraklık ve Su Fazlalığı)

Simbiyotik azot fiksasyonu kuraklığa karşı oldukça hassastır. Su stresi, nodül sayısını ve çapını azaltır, fotosentez ürünlerinin nodüllere taşınımını sınırlar ve nitrogenaz aktivitesini düşürür. Topraktaki aşırı su ise kök bölgesindeki oksijen seviyesini düşürerek nodül oluşumunu ve aktivitesini olumsuz etkiler.

Toprak pH'sı

Rhizobium bakterileri genellikle nötre yakın (pH 6.8) koşullarda en iyi gelişimi gösterir. Düşük pH (asitli topraklar), bakterilerin gelişimini engeller, kök enfeksiyonunu zorlaştırır ve Alüminyum (Al) ile Mangan (Mn) gibi elementlerin toksik seviyelere ulaşmasına neden olabilir.

Tuzluluk

Topraktaki yüksek tuz konsantrasyonu, osmotik strese (fizyolojik kuraklık) ve iyon toksisitesine neden olarak hem konukçu bitkiyi hem de bakteriyi olumsuz etkiler. Tuzluluk, kök tüyü enfeksiyonunu, nodül sayısını, nodül solunumunu ve leghemoglobin içeriğini azaltır.

Atmosferik Karbondioksit (CO₂​) Artışı

Yükselen atmosferik CO₂ konsantrasyonları, bitkilerde fotosentez oranını artırır. Bu durum, köklere ve nodüllere daha fazla karbonhidrat (enerji) taşınmasını sağlayarak nodül gelişimini, nodül sayısını, boyutunu ve nitrogenaz aktivitesini teşvik eder. Dolayısıyla, artan CO₂​ koşullarının biyolojik azot fiksasyonu üzerinde genellikle olumlu bir etkisi vardır.