नाइट्रोजन निर्धारण: जैविक और अजैविक प्रक्रियाएं - जीवविज्ञान - 2025

नाइट्रोजन स्थिरीकरण जैविक और गैर का सेट है - जैविक प्रक्रियाओं जो जीवित चीजों के लिए उपलब्ध नाइट्रोजन की रासायनिक रूपों का उत्पादन। नाइट्रोजन की उपलब्धता एक महत्वपूर्ण तरीके से पारिस्थितिक तंत्र और वैश्विक जैव-रसायन विज्ञान के कार्य को नियंत्रित करती है, क्योंकि नाइट्रोजन एक ऐसा कारक है जो स्थलीय और जलीय पारिस्थितिक तंत्र में शुद्ध प्राथमिक उत्पादकता को सीमित करता है।

जीवित जीवों के ऊतकों में, नाइट्रोजन अमीनो एसिड का हिस्सा है, एंजाइम जैसे संरचनात्मक और कार्यात्मक प्रोटीन की इकाइयां। यह न्यूक्लिक एसिड और क्लोरोफिल के संविधान में एक महत्वपूर्ण रासायनिक तत्व भी है।

इसके अतिरिक्त, कार्बन कमी (प्रकाश संश्लेषण) और कार्बन ऑक्सीकरण (श्वसन) की जैव-रासायनिक प्रतिक्रियाएं, एंजाइमों की मध्यस्थता के माध्यम से होती हैं जिनमें नाइट्रोजन होते हैं, क्योंकि वे प्रोटीन होते हैं।

Biogeochemical नाइट्रोजन चक्र की रासायनिक प्रतिक्रियाओं में, यह तत्व शून्य से इसकी ऑक्सीकरण राज्यों एन में आने वाले बदलाव _2, राष्ट्रीय राजमार्ग में 3 को ₃, 3 + सं में ₂ ^- और एनएच ₄ ⁺, और नहीं में करने के लिए 5 + ₃ ^- ।

कई सूक्ष्मजीव इन नाइट्रोजन ऑक्साइड-कमी प्रतिक्रियाओं में उत्पन्न ऊर्जा का लाभ उठाते हैं और अपनी चयापचय प्रक्रियाओं में इसका उपयोग करते हैं। यह इन माइक्रोबियल प्रतिक्रियाएं हैं जो सामूहिक रूप से वैश्विक नाइट्रोजन चक्र को चलाती हैं।

ग्रह पर नाइट्रोजन का सबसे प्रचुर रासायनिक रूप गैसीय आणविक डायटोमिक नाइट्रोजन एन _{2 है}, जो पृथ्वी के वायुमंडल का 79% हिस्सा है।

ट्रिपल परमाणुओं के दोनों परमाणुओं के साथ जुड़ने के कारण यह सबसे कम प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन रासायनिक प्रजाति है, व्यावहारिक रूप से बहुत स्थिर है। इस कारण से, वायुमंडल में प्रचुर मात्रा में नाइट्रोजन विशाल प्राणियों के लिए उपलब्ध नहीं है।

जीवित प्राणियों के लिए उपलब्ध रासायनिक रूपों में नाइट्रोजन "नाइट्रोजन निर्धारण" के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। नाइट्रोजन निर्धारण दो मुख्य तरीकों के माध्यम से हो सकता है: निर्धारण के अजैविक रूप और निर्धारण के जैविक रूप।

नाइट्रोजन स्थिरीकरण के अजैविक रूप

बिजली के तूफान

चित्रा 2. विद्युत तूफान स्रोत: pixabay.com

बिजली के तूफान के दौरान उत्पन्न बिजली या "बिजली" सिर्फ शोर और प्रकाश नहीं है; वे एक शक्तिशाली रासायनिक रिएक्टर हैं। बिजली की क्रिया के कारण, नाइट्रोजन ऑक्साइड NO और NO ₂ तूफानों के दौरान उत्पन्न होते हैं, जिसे सामान्य रूप से NO _x कहा जाता है ।

ये विद्युत निर्वहन, बिजली की चमक के रूप में मनाया जाता है, उच्च तापमान (30,000 ^ओ सी) और उच्च दबाव की स्थिति उत्पन्न करता है, जो वायुमंडल से ऑक्सीजन ओ ₂ और नाइट्रोजन एन ₂ के रासायनिक संयोजन को बढ़ावा देता है, नाइट्रोजन ऑक्साइड NO _{x का} उत्पादन करता है ।

इस तंत्र में नाइट्रोजन निर्धारण की कुल दर में योगदान की बहुत कम दर है, लेकिन यह अजैविक रूपों में सबसे महत्वपूर्ण है।

जीवाश्म ईंधन जलाता है

नाइट्रोजन ऑक्साइड के उत्पादन में मानवजनित योगदान है। हमने पहले ही कहा है कि नाइट्रोजन अणु एन ₂ के मजबूत ट्रिपल बंधन केवल चरम स्थितियों के तहत ही टूट सकते हैं।

पेट्रोलियम (उद्योगों और वाणिज्यिक और निजी परिवहन, समुद्र, वायु और भूमि में) से प्राप्त जीवाश्म ईंधन का दहन, वातावरण में भारी मात्रा में _{एक्स एक्स} उत्सर्जन का उत्पादन करता है।

जीवाश्म ईंधन के दहन में उत्सर्जित एन ₂ ओ एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है जो ग्रह के ग्लोबल वार्मिंग में योगदान देता है।

बायोमास जलना

ज्योति के उच्चतम तापमान के साथ क्षेत्र में बायोमास को जलाने से नाइट्रोजन ऑक्साइड NO _x का भी योगदान है, उदाहरण के लिए जंगल की आग में, हीटिंग और खाना पकाने के लिए जलाऊ लकड़ी का उपयोग, जैविक कचरे का संचय और बायोमास के किसी भी स्रोत के रूप में उपयोग कैलोरी ऊर्जा।

एंथ्रोपोजेनिक मार्गों द्वारा वायुमंडल में उत्सर्जित नाइट्रोजन ऑक्साइड NOx गंभीर पर्यावरणीय प्रदूषण की समस्या पैदा करते हैं, जैसे कि शहरी और औद्योगिक वातावरण में फोटोकैमिकल स्मॉग, और एसिड वर्षा में महत्वपूर्ण योगदान।

मृदा अपरदन और रॉक अपक्षय से नाइट्रोजन का उत्सर्जन

मृदा अपरदन और नाइट्रोजन युक्त बेडरुम अपक्षय खनिजों को उन तत्वों को उजागर करते हैं जो नाइट्रोजन आक्साइड को छोड़ सकते हैं। बेडरॉक अपक्षय पर्यावरणीय कारकों के संपर्क में आने के कारण होता है, जो एक साथ काम करने वाले भौतिक और रासायनिक तंत्र के कारण होता है।

टेक्टोनिक मूवमेंट्स तत्वों से नाइट्रोजन युक्त चट्टानों को शारीरिक रूप से बाहर निकाल सकते हैं। इसके बाद, रासायनिक साधनों से, अम्लीय वर्षा के कारण रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं जो NO _x, इस प्रकार की चट्टानों और मिट्टी से दोनों को मुक्त करती हैं।

हाल के शोध में बताया गया है कि मिट्टी के कटाव और रॉक अपक्षय के इन तंत्रों के लिए ग्रह के कुल जैवउपलब्ध नाइट्रोजन का 26% प्रदान करता है।

नाइट्रोजन स्थिरीकरण के जैविक रूप

कुछ जीवाणु सूक्ष्मजीवों में एन ₂ के ट्रिपल बंधन को तोड़ने और अमोनिया एनएच _{3 का} उत्पादन करने में सक्षम तंत्र हैं, जो आसानी से अमोनियम आयन, चयापचय योग्य एनएच ₄ ⁺ में बदल जाता है ।

मुक्त-जीवित या सहजीवी सूक्ष्मजीव

सूक्ष्मजीवों द्वारा नाइट्रोजन स्थिरीकरण के रूप मुक्त जीवों या जीवों के माध्यम से हो सकते हैं जो पौधों के साथ सहजीवी संघों में रहते हैं।

यद्यपि नाइट्रोजन-फिक्सिंग सूक्ष्मजीवों के बीच महान रूपात्मक और शारीरिक अंतर हैं, इन सभी द्वारा उपयोग किए जाने वाले निर्धारण प्रक्रिया और नाइट्रोजनस एंजाइम प्रणाली बहुत समान हैं।

मात्रात्मक रूप से, इन दो तंत्रों (मुक्त जीवन और सहजीवन) के माध्यम से बायोटिक नाइट्रोजन निर्धारण विश्व स्तर पर सबसे महत्वपूर्ण है।

तंत्र नाइट्रोजन प्रणाली को सक्रिय रखने के लिए

नाइट्रोजन-फिक्सिंग सूक्ष्मजीवों में अपने नाइट्रोजनजन एंजाइमेटिक सिस्टम को सक्रिय रखने के लिए रणनीतिक तंत्र होते हैं।

इन तंत्रों में श्वसन सुरक्षा, रासायनिक रासायनिक संरक्षण, एंजाइम गतिविधि का प्रतिवर्ती अवरोध, वैनेडियम के साथ एक वैकल्पिक नाइट्रोजन के अतिरिक्त संश्लेषण और कोफ़ेक्टर्स के रूप में लोहा, ऑक्सीजन के लिए प्रसार अवरोधों का निर्माण, और स्थानिक पृथक्करण शामिल हैं। nitrogenase।

कुछ में माइक्रोएरोफिलिया होता है, जैसे कि जेनो एज़ोस्पिरिलियम, एक्वास्पिरिलम, एजोटोबैक्टीरिया, बेजेरिंकिया, अज़ोमोनस, डेरेक्सिया, क्रायनेबैक्टीरियम, राइज़ोबैक्टीरियम, थायरोबैसिलस, जेनेरोप्लेयियम के थियोकोबैसिलस और जेनोवा गेलोफेक्टा की उत्पत्ति के फोटोकॉपी।

अन्य लोग फेशियलेटिव एनारोबिओसिस प्रस्तुत करते हैं, जैसे कि केमोट्रोफिक जनन: क्लेबसिएला, सिट्रोबैक्टर, एरविनिया, बैसिलस, प्रोपियोनिबैक्टीरियम और रोडोस्पिरिलम, रोडोपसोइडमोनस जनर की फोटोट्रोफ।

मुक्त रहने वाले सूक्ष्मजीवों द्वारा जैविक नाइट्रोजन निर्धारण

नाइट्रोजन-फिक्सिंग सूक्ष्मजीव जो मिट्टी में एक मुक्त (एसिंबायोटिक) रूप में रहते हैं वे मूल रूप से आर्किया और बैक्टीरिया होते हैं।

कई प्रकार के बैक्टीरिया और साइनोबैक्टीरिया हैं जो वायुमंडलीय नाइट्रोजन, एन _2, को अमोनिया, एनएच _{3 में बदल सकते हैं} । रासायनिक प्रतिक्रिया के अनुसार:

एन ₂ + 8 एच ⁺ + 8 ई ^- +16 एटीपी → 2 एनएच ₃ + एच ₂ +16 एडीपी + 16 पीपीआई

इस प्रतिक्रिया के लिए नाइट्रोजन एंजाइम प्रणाली और एक कोफ़ेक्टर, विटामिन बी ₁₂ की मध्यस्थता की आवश्यकता होती है । इसके अतिरिक्त, इस नाइट्रोजन निर्धारण तंत्र में बहुत अधिक ऊर्जा की खपत होती है, यह एंडोथर्मिक है और इसके लिए एन _{2 के} 226 किलो कैलोरी / मोल की आवश्यकता होती है; दूसरे शब्दों में, यह एक उच्च चयापचय लागत वहन करती है, यही कारण है कि इसे ऊर्जा पैदा करने वाली प्रणाली के साथ जोड़ा जाना चाहिए।

एन-फिक्सेशन प्रतिक्रिया के दौरान आवश्यक ऊर्जा

इस प्रक्रिया के लिए ऊर्जा एटीपी से प्राप्त होती है, जो इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्ट चेन (जो अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में ऑक्सीजन का उपयोग करता है) से मिलकर ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण से आता है।

आणविक नाइट्रोजन को अमोनिया में कम करने की प्रक्रिया प्रोटॉन रूप H ⁺ में हाइड्रोजन को आणविक हाइड्रोजन H ₂ में भी कम करती है _।

कई नाइट्रोजनोजेन्स सिस्टम ने हाइड्रोजन के एंजाइम द्वारा मध्यस्थता वाली हाइड्रोजन रीसाइक्लिंग प्रणाली को युग्मित किया है। नाइट्रोजन स्थिरीकरण के लिए नाइट्रोजन-फिक्सिंग साइनोबैक्टीरिया युगल प्रकाश संश्लेषण।

एंजाइम जटिल नाइट्रोजन और ऑक्सीजन

नाइट्रोजेज़ एंजाइम कॉम्प्लेक्स में दो घटक होते हैं, घटक I, मोलिब्डेनम के साथ डाइनट्रोजेनेस और कोफ़ेक्टर्स (जिसे हम Mo-Fe-protein कहेंगे), और घटक II, citactor (Fe-protein) के साथ लोहे के साथ डिनिट्रोजेनेस रिडक्टेज़।

प्रतिक्रिया में शामिल इलेक्ट्रॉनों को पहले घटक II और बाद में घटक I को दान किया जाता है, जहां नाइट्रोजन की कमी होती है।

द्वितीय से I तक होने वाले इलेक्ट्रॉनों के हस्तांतरण के लिए, Fe- प्रोटीन को कई सक्रिय साइटों पर एक Mg-ATP से बांधने की आवश्यकता होती है। यह संघ Fe-प्रोटीन में एक परिवर्तनकारी परिवर्तन उत्पन्न करता है। ऑक्सीजन की अधिकता Fe-प्रोटीन में एक और प्रतिकूल परिवर्तनकारी परिवर्तन पैदा कर सकती है, क्योंकि यह अपनी इलेक्ट्रॉन-ग्रहण क्षमता को रद्द कर देता है।

यही कारण है कि नाइट्रोजन सांद्रता जटिल ऑक्सीजन को सहन करने योग्य सांद्रता से ऊपर ऑक्सीजन की उपस्थिति के लिए अतिसंवेदनशील है और कुछ बैक्टीरिया माइक्रोएरोफिलिक जीवन रूपों या फैकल्टेटिव एनारोबायोसिस विकसित करते हैं।

मुक्त रहने वाले नाइट्रोजन-फिक्सिंग बैक्टीरिया में, जेनेरो क्लोस्ट्रीडियम, डेसल्फोविब्रियो, डेसल्फोटोमाकुलम, मेथनोसारसीना, और अन्य लोगों के बीच जेनेरा क्रोमेटियम, थियोपीडिया, एक्टोथियोर्डोस्पाइरा की फोटोट्रोफ से संबंधित केमोट्रॉफ का उल्लेख किया जा सकता है।

पौधों के साथ सहजीवी जीवन के सूक्ष्मजीवों द्वारा जैविक नाइट्रोजन निर्धारण

अन्य नाइट्रोजन-फिक्सिंग सूक्ष्मजीव हैं, जो पौधों के साथ सहजीवी संघों को स्थापित करने में सक्षम हैं, विशेष रूप से फलियां और घास के साथ, या तो एक्टोसिम्बियोसिस (जहां सूक्ष्मजीव संयंत्र के बाहर स्थित है), या एंडोसाइम्बीओसिस (जहां सूक्ष्मजीववाद के रूप में) कोशिकाओं के भीतर या पौधे के अंतरकोशिकीय स्थानों पर रहता है)।

स्थलीय पारिस्थितिक तंत्रों में तय अधिकांश नाइट्रोजन, लेगेसी पौधों के साथ, जेने राइजोबियम, ब्रैडिरिहिज़ोबियम, सिन्होरिज़ोबियम, अज़ोरहिज़ोबियम, अल्लोरिज़ोबियम और मेसोरिज़ोबियम के जीवाणुओं के सहजीवी संघों से आता है।

नाइट्रोजन-फिक्सिंग सिम्बायोसिस के तीन दिलचस्प प्रकार हैं: साहचर्य rhizocenoses, साइबोबैक्टीरिया के साथ सिम्बियन और आपसी एंडोरिज़ोबिओस के रूप में सिस्टम।

Rhizocenosis

सहक्रियात्मक प्रकंद-जैसे सहजीवन में, पौधों की जड़ों में विशेष संरचनाएं नहीं बनती हैं।

इस प्रकार के सहजीवन के उदाहरण मकई (ज़ीया मइज़) और गन्ना (सेक्रमम ऑफ़िकिनारम) पौधों के बीच ग्लूकोनेसेटोबेक्टर, अज़ोरेकस, एज़ोस्पिरिलम और हर्बेरिलम के साथ स्थापित किए जाते हैं।

राइज़ोकेनोसिस में, नाइट्रोजन-फिक्सिंग बैक्टीरिया पौधे के रूट एक्सयूडेट को पोषक माध्यम के रूप में उपयोग करता है और रूट कॉर्टेक्स के इंटरसेलुलर स्पेस को उपनिवेशित करता है।

सिम्बायोटिक साइनोबैक्टीरिया

उन प्रणालियों में जहां साइनोबैक्टीरिया भाग लेते हैं, इन सूक्ष्मजीवों ने एनोक्सिक नाइट्रोजन निर्धारण और उनके ऑक्सीजनयुक्त प्रकाश संश्लेषण के सह-अस्तित्व के लिए विशेष तंत्र विकसित किए हैं।

उदाहरण के लिए, ग्लीथेसे और सिनोटोकॉकस में, वे अस्थायी रूप से अलग होते हैं: वे दिन में प्रकाश संश्लेषण और रात में नाइट्रोजन निर्धारण करते हैं।

अन्य मामलों में, दोनों प्रक्रियाओं का स्थानिक पृथक्करण है: नाइट्रोजन को विभेदित कोशिकाओं (हेटेरोकिस्ट्स) के समूहों में तय किया जाता है, जहां प्रकाश संश्लेषण नहीं किया जाता है।

जीनस नोस्टॉक के सियानोबैक्टीरिया के नाइट्रोजन-फिक्सिंग सहजीवी संघों का अध्ययन गैर-संवहनी पौधों (एंटोसिरेसस) के साथ किया गया है, जैसा कि नथोकेरस एंडिवियाफोलियस के गुहाओं में, एक्टोसियोसिमिया में एक्टोसियोसिमोबोसिस में लिवरवार्ट्स गॅक्ट्रोस्टेमिया मैगेलनिका और चाइलोस्किफस ओब्लास्टस के साथ।, और उच्च एंजियोस्पर्म पौधों के साथ, उदाहरण के लिए जीनस ग्ननर के 65 बारहमासी जड़ी बूटियों के साथ।

उदाहरण के लिए, सियानोबैक्टीरिया अनाबेना के सहजीवी नाइट्रोजन-फिक्सिंग संघ एक ब्रायोफाइट, एक गैर-संवहनी पौधे के साथ, छोटे फर्न अज़ोले अनाबाने की पत्तियों में देखा गया है।

Endorhizobiosis

एंडोरहिज़ोबायोसिस के उदाहरण के रूप में, हम एक्टिनोरिज़ा नामक एसोसिएशन का हवाला दे सकते हैं जो फ्रेंकिया और कुछ वुडी पौधों जैसे कैसुरिना (कैसुरिना कनिंघमियाना) और एलडर (अलनीन ग्लूटिनोसा), और राइज़ोबियम-कल्लुमिनस एसोसिएशन के बीच स्थापित है।

लेगुमिनोसे परिवार की अधिकांश प्रजातियां राइजोबियम बैक्टीरिया के साथ सहजीवी संघ बनाती हैं और इस सूक्ष्मजीव में नाइट्रोजन को संयंत्र में स्थानांतरित करने में विकासवादी विशेषज्ञता होती है।

राइजोबियम से जुड़े पौधों की जड़ों में, तथाकथित कट्टरपंथी नोड्यूल दिखाई देते हैं, जहां नाइट्रोजन निर्धारण होता है।

सेसबानिया और एचिओनोमीन फलियों में, तनों पर अतिरिक्त पिंड बनते हैं।

• रासायनिक संकेत

सीबम और मेजबान के बीच रासायनिक संकेतों का आदान-प्रदान होता है। पौधों को कुछ प्रकार के फ्लेवोनोइड्स से बाहर निकलने के लिए पाया गया है जो राइज़ोबियम में नोड जीन की अभिव्यक्ति को प्रेरित करते हैं, जो नोड्यूलेशन कारकों का उत्पादन करते हैं।

नोड्यूलेशन कारक रूट कर्ल में संशोधन उत्पन्न करते हैं, रूट कॉर्टेक्स में एक संक्रमण चैनल और कोशिका विभाजन का गठन करते हैं, जो नोड्यूल के गठन को बढ़ावा देते हैं।

उच्चतर पौधों और सूक्ष्मजीवों के बीच नाइट्रोजन-फिक्सिंग सहजीवन के कुछ उदाहरण निम्नलिखित तालिका में दिखाए गए हैं।

Mycorrhizobiosis

इसके अतिरिक्त, अधिकांश पारिस्थितिक तंत्रों में, नाइट्रोजन-फिक्सिंग माइकोरिज़ल कवक होते हैं, जो फ़ाइला ग्लोमेरोमाइकोटा, बासिडिओमाइकोटा और एसकॉमाइकोटा से संबंधित हैं।

Mycorrhizal कवक ectosymbiosis में रह सकते हैं, कुछ पौधों की ठीक जड़ों के चारों ओर एक हाइपल म्यान का निर्माण करते हैं और पूरे मिट्टी में अतिरिक्त हाइप फैलाते हैं। कई उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में भी, पौधे एंडोसिंबियोसिस में माइकोहाईजैसे की मेजबानी करते हैं, जिनमें से हाइपहाइट जड़ कोशिकाओं में प्रवेश करते हैं।

यह संभव है कि एक कवक एक साथ कई पौधों के साथ माइकोराइजा बनाता है, जिसके बीच उनके बीच परस्पर संबंध स्थापित होते हैं; या कि माइकोरिज़ल कवक एक पौधे द्वारा परजीवीकरण किया जाता है जो कि प्रकाश संश्लेषण नहीं करता है, जैसे कि माइनोट्रोपा, जैसे कि माइकोहेटरोट्रोफ़िक। इसके अलावा कई कवक एक ही पौधे के साथ सहजीवन स्थापित कर सकते हैं।

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