FIKSACIJA DUIKA

PROCES VEZIVANJA ATMOSFERSKOG N U SPOJEVE KOJE MOGU KORISTITI BILJKE I MIKROORGANIZMI 2 TIPA FIKSACIJE DUIKA: 1. ABIOTIKA FIKSACIJA DUIKA bez prisustva mikroorganizama a) prirodna oborine, male koliine b) umjetna ind., veliki utroak energije

2. BIOTIKA (BIOLOKA) FIKSACIJA DUIKA proces u kojem posebne skupine mikroorganizama veu inertni atmosferski duik i prevode ga u oblike korisne za vie biljke i mikroorganizme

BIOLOKA FIKSACIJA ATMOSFERSKOG DUIKADEFINICIJA: BIOLOKA FIKSACIJA DUIKA JE PROCES U KOJEM NEKI MIKROORGANIZMI USVAJAJU ELEMENTARNI DUIK IZ ATMOSFERE I PREKO ENZIMA NITROGENAZE GA REDUCIRAJU DO AMONIJAKA KOJI SE KORISTI ZA SINTEZU PROTEINA.

Sposobnost usvajanja elementarnog duika iz zraka je ograniena na samo nekoliko rodova prokariotskih mikroorganizama (bakterije i cijanobakterije) koji ive: slobodno u tlu i vodama (ASIMBIOZNI) na samoj povrini korijena (ASOCIJATIVNI) u zajednici (SIMBIOZNI) sa odreenim eukariotskim organizmima

U procesu bioloke fiksacije duika iskoritava se SUNEVA ENERGIJA (preko fotosinteze obnovljiv izvor energije dostupan na cijeloj povrini zemlje) i to putem: ugljikohidrata tla asimbiozni fiksatori duika eksudata korijena asocijativni fiksatori duika produkata fotosinteze biljke-domaina simbiozni fiksatori

MJESTO BIOLOKE FIKSACIJE U KRUENJU DUIKAOBORINE

GNOJIVA

ETVA

ZNAAJ BIOLOKE FIKSACIJE DUIKANa svjetskoj razini: 1. BIOLOKA FIKSACIJA ATMOSFERSKOG DUIKA: procjena: 175 milijuna tona godinje vie od 70% ukupne koliine fiksiranog N na Zemlji svake godine

2. INDUSTRIJSKA PROIZVODNJA N-GNOJIVA (Haber-Boschovim postupkom) oko 25% ukupne koliine fiksiranog duika godinje 60 milijuna tona

U odnosu na ukupnu koliinu bioloki fiksiranog duika koja dospijeva u tlo, glavni doprinos pripada SIMBIOZNOJ FIKSACIJI DUIKA: 1. RHIZOBIUM / BRADYRHIZOBIUM LEGUMINOZE: za poljoprivrednu proizvodnju najvanija i najrasprostranjenija simbioza za pedosferu najvee koliine bioloki fiksiranog duika: - 50% od ukupno bioloki fiksiranog duika otpada na simbioznu fiksaciju N 80 milijuna tona godinje u kultiviranim tlima najvaniji izvor fiksiranog duika 90% fiksiranog duika dolazi iz kvrica leguminoza zrnate i krmne

Prosjene koliine fiksiranog duika u poljoprivrednim sistemima: -100 kg N/ha/godinje -razina od 200 kg N/ha/godinje moe se postii: adekvatnom selekcijom sojeva odgovarajuom sortom biljke domaina odgovarajuim uvjetima rasta

1. RHIZOBIUM / BRADYRHIZOBIUM LEGUMINOZE

2. ANABENA AZOLLA: naroito kod uzgoja rie

3. ACTINOMYCETES VIE BILJKE: u odreenim umskim sistemima, naroito u umjerenim regijama

SIMBIOZNI FIKSATORI DUIKAMIKROSIMBIONTRHIZOBIUM BRADYRHIZOBIUM

MAKROSIMBIONTLeguminozeCasuarina (tropska) Coriaria, Alnus, Purshia, Myricaceae Cycas, Bowenia (tropsko suptropsko) liajevi, mahovine paprati: Azolla

KAPACITET FIKSACIJE DUIKA100-200 kg N/ha/godinje (neke asocijacije i vie) 40-200 kg/ha/godinje

Actinomycetes Frankia Cyanobacteria Anabena Nostoc

100200 kg N/ha/godinje

SIMBIOZNA FIKSACIJA N2 Rhizobium - leguminozeuzajamna korist ovog simbioznog odnosa temelji se na udruivanju bakterija rodova Rhizobium / Bradyrhizobium sa veinom biljaka iz porodice Leguminosae

udruivanje rezultira stvaranjem novog organa KVRICE (NODULE) uglavnom na korijenju biljaka

u kvricama se odvija proces fiksacije atmosferskog duika

Soja Glycine max

Smiljkita Lotus corniculatus

Bijela djetelina Trifolium repens

I lanovi simbioze

1. KVRINE BAKTERIJE Bakterije koje noduliraju leguminozeKvrine bakterije su bakterije tla koje karakterizira njihova jedinstvena sposobnost inficiranja korijenovih dlaica leguminoza i stvaranja uinkovitih kvrica (nodula) koje veu duik na korijenju.

Simbiozni fiksatori duika su svrstani, prema Bergeys Manual of Systematic Bacteriology u: porodicu Rhizobiaceae (tapiastog oblika, aerobne, gram-negativne asporogene bakterije)

Rhizobium sp.brzo rastui sojevi (generacijsko vrijeme 2 4 sata) relativno velike kolonije (2-4mm) nakon 3-5 dana uzgoja u lab. noduliraju leguminoze umjerenog podruja

Bradyrhizobium sp.sporo rastui sojevi (generacijsko vrijeme preko 6 sati) manje kolonije (1 mm) nakon 7 dana uzgoja u lab. noduliraju tropske leguminoze i neke iz umjerenog podruja

Optimalna temperatura rasta je 26 300C Kvrine bakterije nisu posebno probirljive u ishrani.

MIKROSIMBIONTrod: AZORHIZOBIUM rod: BRADYRHIZOBIUM (sporo rastui) B. japonicum rod: MESORHIZOBIUM (umjereno sporo rastui) M. loti

BILJKA DOMAINSesbania rostrata(stabljika i korijen)

Glycine max

Lupinus, Lotus

MIKROSIMBIONTrod: RHIZOBIUM R. leguminosarum bv. trifolii bv. phaseoli bv. viciae rod: SINORHIZOBIUM S. meliloti

BILJKA DOMAIN

Trifolium Phaseolus Pisum, Vicia, Lens

Medicago, Melilotus

2. LEGUMINOZE:Porodica Leguminosae izrazito raznolika - drvenaste (stabla, grmovi) i zeljaste biljne vrste umjereni i tropsko / suptropski pojas obuhvaa 750 rodova i 20.000 vrsta ukljuuje i kultivirane i divlje vrste - iskoritavanje kultiviranih vrsta: - u ljudskoj prehrani - u ishrani stoke - drvo, esencijalna ulja, guma, alkaloidi nekultivirane vrste znaajna uloga u razliitim ekosustavima

II SimbiozaUzajamna korist ovog simbioznog odnosa temelji se na udruivanju bakterija iz rodova Rhizobium i Bradyrhizobium sa veinom biljaka porodice Leguminosae. U ovom simbioznom odnosu: BAKTERIJE iskoritavaju translocirane produkte fotosinteze biljke domaina kao izvor energije za bioloku fiksaciju duika, a BILJCI DOMAINU predaju reducirani duik Ove asocijacije rezultiraju stvaranjem novog organa KVRICE (NODULA) koji se nalaze na korijenju biljaka.

U KVRICAMA SE ODVIJA PROCES FIKSACIJE DUIKA

NODULACIJA1. INFEKCIJA KORIJENOVIH DLAICA NASTAJANJE KVRICA Stupnjevi infekcije i razvoj kvrice: 1. Kvrine bakterije prodiru u korijen biljke preko KORIJENOVIH DLAICA kada infekcijska Rhizobium stanica doe u kontakt sa korijenovom dlaicom osjetljive leguminoze, poinje se razmnaati i kolonizirati je 2. Korijenova dlaica se zatim uvija, rhizobium ulazi u nju, razmnaa se i stvara INFEKCIJSKU NIT ova nit ulazi u koru korijena , razgranjuje se (iri) izmeu stanica kore korijena, postupno raznosi i oslobaa bakterije u stanice koje formiraju primordijalnu kvricu. 3. Stanice korijena postaju inficirane i pojaava se dijeljenje stanica biljke domaina uzrokujui takoer razmnaanje rhizobia u svakoj stanici keri.

2. VRSTE I RASPORED KVRICAEFIKASNE KVRICE uglavnom velike i sakupljene na primarnom i gornjem lateralnom korijenju.

Maksimalan razvoj kvrice normalno dostiu krajem cvatnje

NEEFIKASNE KVRICE male i esto rasporeene po cijelom korijenovom sustavu.

3. BOJA KVRICA Uinkovitost simbiozne zajednice: - rasijecanjem kvrica za vrijeme cvatnje i promatranjem presjeka EFIKASNE kvrice: velike i iznutra su crvene boje - crveni pigment, LEGHEMOGLOBIN je povezan sa aktivnim vezanjem duika u kvricama leguminoza - nije sastavni dio nitrogenaze, enzima koji vee duik, kontrolira koliinu kisika koja je potrebna za aktivaciju ovog enzima - crveni leghemoglobin se u efikasnim kvricama, starenjem razgrauje u zeleni LEGKOLEGLOBIN - pojedina efikasna kvrica na izvjesnim leguminozama moe istovremeno pokazivati bijela, crvena i zelena podruja za vrijeme bilo kojeg stupnja razvoja. NEEFIKASNE kvrice su iznutra BIJELE do BLIJEDOZELENE, starenjem ne mijenjaju boju boje

Kvrice djeteline (Trifolium sp.)

Efikasne

Neefikasne

Efikasne kvrice na arenom graku (Coronilla varia)

Presjek kvrica soje (Glycine max). Od vrha prema dnu efikasne prema neefikasnim kvricama.

2. SOJEVI KVRINIH BAKTERIJAleguminoze - specifina reakcija domaina rast je pojaan samo kada su kvrice proizveli odreeni sojevi kvrinih bakterija. uskladiti simbionte (soj bakterija - sortu biljke domaina) MAKSIMALNO VEZANJE DUIKA

SOJEVI KVRINIH BAKTERIJA SE MEUSOBNO ZNATNO RAZLIKUJU PO SVOJOJ UINKOVITOSTI Za proizvodnju preparata za bakterizaciju leguminoza je vrlo znaajno izabrati odgovarajui uinkoviti soj.

N2 + 16 MgATP + 8e- + 8 H+ 2 NH3 + 16MgADP + 16Pi + H2

CJEPIVA I INOKULACIJA

PREDSJETVENA BAKTERIZACIJA SJEMENA ekonomski znaajnih leguminoza redovita agrotehnika mjera u polj. proizvodnji

ENERGETSKI znaaj

EKOLOKI znaaj

EKONOMSKI znaaj

obnovljiv izvor energije suneva energija asimilati biljke - domaina visoke doze min. N mobilnost ispiranje kontaminacija podzemnih voda

smanjena primjena min. N povrine pod legumin. cijena min. gnojiva

Kvrine bakterije se nalaze u mnogim tlima.

KADA SE PRIMJENJUJE BAKTERIZACIJA?nisu zastupljene u dovoljnom broju ili Nisu zadovoljavajuih karakteristika (uinkovitost, kompatibilnost) za dobru nodulaciju leguminoznih usjeva U ovakvim uvjetima potrebno je inokulirati sjeme ili tlo visoko uinkovitim sojevima kvrinih bakterija

PROIZVODNJA CJEPIVA:laboratorijski uvjeti uzgoj selekcioniranih i testiranih sojeva kvrinih bakterija iste kulture nanose se na odgovarajui materijal koji slui kao nosa (treset)

Proces primjene cjepiva na sjeme ili u tlo zove se INOKULACIJA (bakterizacija)

KARAKTERISTIKE DOBROG CJEPIVA: sadri samo kvrine bakterije - noduliraju i veu velike koliine duika na odreenoj biljci domainu sadri odreeni leguminozu broj vijabilnih bakterija specifinih za

ne smije biti izloeno temperaturama viim od 30-350C za vrijeme transporta i skladitenja nosa cjepiva mora tititi kvrine bakterije pri pakiranju i rukovanju sjemenom nakon inokulacije pakirano - kvrine bakterije zatiene - do primjene

Bakterizirano sjeme soje

Nebakterizirano sjeme soje

VRSTE CJEPIVA1. CJEPIVO U PRAHU 2. GRANULIRANO CJEPIVO 3. TEKUE CJEPIVO 4. PREINOKULIRANO SJEME 5. LIOFILIZIRANI PREPARATI

TEHNIKE INOKULACIJE

1.INOKULACIJA SJEMENA izravna inokulacija na sjeme, uinkovita u normalnim uvjetima

2. INOKULACIJA TLA indirektna inokulacija u tlo mikrogranule, tekui inokulum

UVANJE I PRIMJENA CJEPIVA cjepivo - BIOLOKI PROIZVOD : uvati na hladnom, zasjenjenom upotrebe (40C, ne vie od 300C) mjestu prije

inokulaciju obaviti na hladnom, zasjenjenom mjestu neposredno prije sjetve rok trajanja cjepiva uvati od isuivanja, visokih temperatura i kontakta sa kemijskim produktima

ASOCIJATIVNA FIKSACIJA DUIKA

PREDSTAVLJA PRIJELAZ IZMEU SIMBIOZNE I SLOBODNE (ASIMBIOZNE) FIKSACIJE DUIKA ASOCIJATIVNI FIKSATORI DUIKA SU AKTIVNI NA POVRINI KORIJENA FORMIRAJU FINU I TANKU OVOJNICU (tanki sluzavi sloj) NA POVRINI KORIJENA NE FORMIRAJU VIDLJIVE, POSEBNE TVOREVINE KAO KOD SIMBIOZNE FIKSACIJE

FIKSIRA SE VEA KOLIINA DUIKA nego kod slobodnih asimbioznih fiksatora (do 130 kg N/ha) KOLIINA FIKSIRANOG DUIKA ovisi o biljci, ekolokim uvjetima i vrsti bakterije (tropski predjeli do 200 kg N/ha; umjerene klime 20-100 kg N/ha) NA BROJNOST I AKTIVNOST asocijativnih fiksatora duika u zoni korijena IZRAVNO UTJEE BILJKA svojim eksudatima stupanj SPECIFINOSTI ovih mikroorganizama u odnosu na odreenu biljnu vrstu je vrlo visok sorta x soj IZVOR ENERGIJE iz KORIJENSKIH EKSUDATA ili izravno iz biljke biljku snabdijevaju amonijskim duikom nastalim u procesu fiksacije

Najvaniji asocijativni fiksatori duikaAZOSPIRILLUM AZOTOBACTER BEIJERINCKIA DERXIA KLEBSIELLA

ASIMBIOZNA FIKSACIJA DUIKASLOBODNI FIKSATORI DUIKA IVE U TLU I VODI SPOSOBNI SU FIKSIRATI ELEMENTARNI DUIK BEZ IZRAVNOG UTJECAJA BILJKE ILI DRUGIH MIKROORGANIZAMA ENERGIJU ZA FIKSACIJU DUIKA DOBIVAJU IZ ORGANSKE TVARI TLA UGLJIKOHIDRATI (POSEBNO MONOSAHARIDI) UTJEU NA BROJNOST SLOBODNIH FIKSATORA DUIKA ENERGETSKI IZVOR DUIK VEZAN OVIM FIKSATORIMA NA RASPOLAGANJU JE SVIM BILJKAMA

ASIMBIOZNI FIKSATORI DUIKA SU RASPROSTRANJENI U NAIM TLIMA ZASTUPLJENOST OVISI O: - tipu tla i njegovim fizikalno kemijskim karakteristikama NA BROJNOST I FAKTORA: - pH AKTIVNOST UTJEE NIZ EKOLOKIH

- temperatura - koliina kisika - sadraj vode - sadraj organske tvari - mineralni oblici duika - mikroelementi

UTJECAJ REAKCIJE SREDINE (pH): Azotobacter je osjetljiv na visoke koncentracije H+ iona najvea aktivnost pri neutralnoj reakciji sredine - brojnost i aktivnost se znaajno smanjuje pri pH