Lecture-14 Nitrogen fixation - Free living and symbiotic nitrogen fixation

Nitrogen fixation - Free living and symbiotic nitrogen fixation (नाइट्रोजन स्थिरीकरण - मुक्त-जीवी और सहजीवी नाइट्रोजन स्थिरीकरण):- Nitrogen fixation is a crucial biological process that converts atmospheric nitrogen (N₂), which is inert and unavailable to most living organisms, into ammonia (NH₃) or related nitrogenous compounds that can be assimilated into organic molecules. This process is essential for the synthesis of amino acids, nucleic acids, and other vital biomolecules. Nitrogen fixation occurs through two primary mechanisms: free-living nitrogen fixation and symbiotic nitrogen fixation.

[नाइट्रोजन स्थिरीकरण एक महत्वपूर्ण जैविक प्रक्रिया है, जिसमें वायुमंडलीय नाइट्रोजन (N₂), जो अधिकांश जीवों के लिए अप्रयुक्त है, को अमोनिया (NH₃) या संबंधित नाइट्रोजन यौगिकों में परिवर्तित किया जाता है। यह प्रक्रिया अमीनो एसिड, न्यूक्लिक एसिड और अन्य महत्वपूर्ण जैविक अणुओं के संश्लेषण के लिए आवश्यक है। नाइट्रोजन स्थिरीकरण मुख्य रूप से दो तरीकों से होता है: मुक्त-जीवी नाइट्रोजन स्थिरीकरण और सहजीवी नाइट्रोजन स्थिरीकरण।]

Overview of Nitrogen Fixation (नाइट्रोजन स्थिरीकरण का परिचय):-

Importance of Nitrogen (नाइट्रोजन का महत्व):- Nitrogen is a fundamental element in amino acids, proteins, nucleic acids (DNA and RNA), and other cellular constituents. Although the atmosphere comprises about 78% nitrogen gas, most organisms cannot utilize it directly.

[नाइट्रोजन अमीनो एसिड, प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड (DNA और RNA) और अन्य कोशिकीय घटकों का एक अनिवार्य तत्व है। यद्यपि वायुमंडल में 78% नाइट्रोजन गैस होती है, अधिकांश जीव सीधे इसका उपयोग नहीं कर सकते।]

Nitrogen Cycle (नाइट्रोजन चक्र):- Nitrogen fixation is the first step in the nitrogen cycle, which also includes nitrification, assimilation, ammonification, and denitrification. This cycle ensures the continual availability of nitrogen in forms usable by living organisms.

(नाइट्रोजन स्थिरीकरण नाइट्रोजन चक्र का पहला चरण है, जिसमें नाइट्रीकरण, आत्मसात, अमोनिफिकेशन और डिनाइट्रीकरण भी शामिल हैं। यह चक्र जीवों द्वारा उपयोग के लिए नाइट्रोजन की निरंतर उपलब्धता सुनिश्चित करता है।)

Enzymatic Basis (एंजाइम आधारित प्रक्रिया):- The enzyme nitrogenase catalyzes the conversion of N₂ to NH₃. Nitrogenase is highly sensitive to oxygen, requiring specific adaptations in organisms that perform nitrogen fixation.

(नाइट्रोजेनेज नामक एंजाइम N₂ को NH₃ में परिवर्तित करता है। नाइट्रोजिनेज ऑक्सीजन के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होता है, जिसके कारण इस प्रक्रिया को अंजाम देने वाले जीवों को विशेष अनुकूलन की आवश्यकता होती है।)

Free-Living Nitrogen Fixation (मुक्त-जीवी नाइट्रोजन स्थिरीकरण):- Free-living nitrogen fixers are organisms that fix atmospheric nitrogen independently, without forming close associations with other organisms.

(मुक्त-जीवी नाइट्रोजन स्थिरक वे जीव हैं, जो स्वतंत्र रूप से, बिना किसी अन्य जीव के साथ निकट संबंध बनाए, वायुमंडलीय नाइट्रोजन को स्थिर करते हैं।)

Key Organisms (मुख्य जीव):-

i. Azotobacter (एज़ोटोबैक्टर):-

Characteristics (विशेषताएँ):- Aerobic, heterotrophic bacteria found in soil.

(मिट्टी में पाए जाने वाले वायवीय, विषमपोषी बैक्टीरिया।)

Mechanism (क्रियाविधि):- Azotobacter possesses a high respiratory rate to protect nitrogenase from oxygen damage. It forms a protective layer of polysaccharides to maintain a low-oxygen environment internally.

(एज़ोटोबैक्टर उच्च श्वसन दर का उपयोग करता है ताकि नाइट्रोजेनेज को ऑक्सीजन से होने वाले नुकसान से बचाया जा सके। यह एक बहुशर्करा परत बनाता है जो आंतरिक रूप से कम ऑक्सीजन वातावरण बनाए रखता है।)

Benefits (लाभ):- Contributes significantly to soil fertility by increasing available nitrogen.

(मिट्टी की उर्वरता को बढ़ाकर उपलब्ध नाइट्रोजन की मात्रा में योगदान देता है।)

ii. Clostridium (क्लोस्ट्रीडियम):-

Characteristics (विशेषताएँ):- Anaerobic, heterotrophic bacteria found in waterlogged soils and sediments.

(जलभराव वाली मिट्टी और तलछट में पाए जाने वाले अवायवीय, विषमपोषी बैक्टीरिया।)

Mechanism (क्रियाविधि):- Thrives in oxygen-free environments where nitrogenase is not inactivated.

(यह ऑक्सीजन-रहित वातावरण में पनपता है, जहाँ नाइट्रोजेनेज निष्क्रिय नहीं होता।)

Benefits (लाभ):- Plays a role in decomposing organic matter while fixing nitrogen.

(जैविक पदार्थों को तोड़ते हुए नाइट्रोजन स्थिरीकरण में योगदान देता है।)

iii. Cyanobacteria (e.g., Anabaena, Nostoc) [सायनोबैक्टीरिया (जैसे, एनाबीना, नॉस्टोक)]:-

Characteristics (विशेषताएँ):- Photosynthetic, often forming colonies; some can fix nitrogen even in the presence of oxygen.

(प्रकाश-संश्लेषण करने वाले, अक्सर कॉलोनियां बनाते हैं; कुछ ऑक्सीजन की उपस्थिति में भी नाइट्रोजन स्थिर कर सकते हैं।)

Mechanism (क्रियाविधि):- Some cyanobacteria have specialized cells called heterocysts that provide a microoxic environment necessary for nitrogenase activity.

(कुछ सायनोबैक्टीरिया में हिटरोसिस्ट नामक विशिष्ट कोशिकाएँ होती हैं, जो नाइट्रोजिनेज क्रिया के लिए आवश्यक माइक्रोऑक्सिक वातावरण प्रदान करती हैं।)

Benefits (लाभ):- Contribute to nitrogen fixation in aquatic ecosystems and some terrestrial habitats.

(जलीय पारिस्थितिक तंत्र और कुछ स्थलीय आवासों में नाइट्रोजन स्थिरीकरण में योगदान।)

Environmental Conditions (पर्यावरणीय परिस्थितियाँ):-

Oxygen Regulation (ऑक्सीजन नियंत्रण):- Free-living nitrogen fixers must manage oxygen levels to protect nitrogenase. Strategies include high respiration rates, specialized cell structures, or temporal separation of photosynthesis and nitrogen fixation.

(मुक्त-जीवी नाइट्रोजन स्थिरकों को नाइट्रोजिनेज की सुरक्षा के लिए ऑक्सीजन स्तर प्रबंधित करना होता है। इसके लिए उच्च श्वसन दर, विशेष कोशिका संरचनाएँ, या प्रकाश-संश्लेषण और नाइट्रोजन स्थिरीकरण का समयानुसार पृथक्करण उपयोग किया जाता है।)

Energy Requirements (ऊर्जा आवश्यकताएँ):- Nitrogen fixation is energy-intensive, requiring ATP. Free-living organisms often derive this energy from organic carbon sources.

(नाइट्रोजन स्थिरीकरण ऊर्जा-गहन प्रक्रिया है, जिसके लिए ATP की आवश्यकता होती है। मुक्त-जीवी जीव आमतौर पर यह ऊर्जा कार्बनिक स्रोतों से प्राप्त करते हैं।)

Ecological Role and Applications (पारिस्थितिक भूमिका और अनुप्रयोग):-

Soil Fertility (मिट्टी की उर्वरता):- Enhance soil nitrogen levels, reducing the need for synthetic fertilizers.

(मिट्टी में नाइट्रोजन का स्तर बढ़ाकर, रासायनिक उर्वरकों की आवश्यकता को कम करता है।)

Aquatic Systems (जलीय प्रणालियाँ):- Support primary productivity in nutrient-poor waters.

(पोषक-तत्व-गरीब जल में प्राथमिक उत्पादकता को बनाए रखता है।)

Biotechnology (जैव प्रौद्योगिकी):- Potential use in sustainable agriculture and biofertilizer production.

(स्थायी कृषि और जैव उर्वरक उत्पादन में संभावित उपयोग।)

Symbiotic Nitrogen Fixation (सहजीवी नाइट्रोजन स्थिरीकरण):- Symbiotic nitrogen fixation involves a mutually beneficial relationship between nitrogen-fixing bacteria and host plants. This association typically results in enhanced nitrogen availability for the plant and a protected environment for the bacteria.

(सहजीवी नाइट्रोजन स्थिरीकरण में नाइट्रोजन स्थिर करने वाले बैक्टीरिया और मेज़बान पौधों के बीच पारस्परिक लाभकारी संबंध शामिल होते हैं। यह संबंध आमतौर पर पौधे के लिए नाइट्रोजन उपलब्धता बढ़ाता है और बैक्टीरिया के लिए संरक्षित वातावरण प्रदान करता है।)

Key Symbiotic Relationships (मुख्य सहजीवी संबंध):-

i. Legume-Rhizobium Symbiosis (लेग्यूम-राइज़ोबियम सहजीविता):-

Host Plants (परपोषी पौधे):- Legumes (e.g., beans, peas, clover).

[दालें (जैसे, बीन्स, मटर, क्लोवर)]

Bacteria (बैक्टीरिया):- Rhizobium species (e.g., Rhizobium leguminosarum).

[राइज़ोबियम प्रजातियाँ (जैसे, राइज़ोबियम लेग्युमिनोसारम)।]

Mechanism (क्रियाविधि):-

Infection Process (संक्रमण प्रक्रिया):- Rhizobium bacteria recognize flavonoids released by legume roots, initiating the formation of root nodules.

(राइज़ोबियम बैक्टीरिया लेग्युम पौधों की जड़ों द्वारा छोड़े गए फ्लेवोनॉइड्स को पहचानते हैं, जिससे जड़ ग्रंथियों का निर्माण शुरू होता है।)

Nodule Formation (ग्रंथि निर्माण):- The plant forms specialized structures called nodules where bacteria reside.

(पौधा विशेष संरचनाएँ बनाता है, जिन्हें ग्रंथियाँ कहते हैं, जहाँ बैक्टीरिया निवास करते हैं।)

Nitrogen Fixation (नाइट्रोजन स्थिरीकरण):- Inside nodules, bacteria convert N₂ to NH₃, which the plant assimilates. In return, the plant supplies carbohydrates and a protective, low-oxygen environment.

(ग्रंथियों के अंदर, बैक्टीरिया N₂ को NH₃ में परिवर्तित करते हैं, जिसे पौधा आत्मसात कर लेता है। बदले में, पौधा कार्बोहाइड्रेट और ऑक्सीजन-नियंत्रित वातावरण प्रदान करता है।)

ii. Actinorhizal Symbiosis (ऐक्टिनोराइजल सहजीविता):-

Host Plants (परपोषी पौधे):- Non-leguminous plants, often woody species like alder (Alnus spp.), bayberry, and some species of Casuarina.

[गैर-लेग्युम पौधे, जैसे एल्डर (अल्नस प्रजातियाँ), बेबेरी, और कुछ कैजुराइना प्रजातियाँ।

बैक्टीरिया: ]

Bacteria (बैक्टीरिया):- Frankia species. (फ्रैंकिया प्रजातियाँ।)

Mechanism (क्रियाविधि):-

> Similar to legume-Rhizobium interactions, Frankia induces nodule formation in host plant roots.

(राइज़ोबियम-लेग्युम जैसे ही, फ्रैंकिया परपोषी जड़ों में ग्रंथियों का निर्माण कराता है।)

> Facilitates nitrogen fixation with reciprocal exchange of nutrients.

(नाइट्रोजन स्थिरीकरण और पोषक तत्वों का आदान-प्रदान को बढ़ाते हैं।)

iii. Mycorrhizal Associations (माइकोराइज़ल संघ):-

Host Plants (परपोषी पौधे):- Various, including many non-leguminous plants.

(विभिन्न प्रकार, जिनमें कई गैर-लेग्युम पौधे शामिल हैं।)

Fungi (कवक):- Mycorrhizal fungi may facilitate associations with nitrogen-fixing bacteria.

(माइकोराइज़ल कवक नाइट्रोजन स्थिर करने वाले बैक्टीरिया के साथ जुड़ सकते हैं।)

Mechanism (क्रियाविधि):- While not direct nitrogen fixers, mycorrhizal fungi enhance nutrient uptake, indirectly supporting symbiotic nitrogen fixation.

(यद्यपि माइकोराइज़ल कवक सीधे नाइट्रोजन स्थिर नहीं करते, वे पोषक तत्वों के अवशोषण को बढ़ाकर सहजीवी नाइट्रोजन स्थिरीकरण को अप्रत्यक्ष रूप से समर्थन देते हैं।)

Biological Nitrogen Fixation in Symbiosis (सहजीवी जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण):-

Nitrogenase Activity (नाइट्रोजिनेज क्रिया):- Protected within nodules to prevent oxygen inhibition. Legumes use leghemoglobin, an oxygen-binding protein, to regulate oxygen levels.

(ग्रंथियों के अंदर संरक्षित, ऑक्सीजन निषेध को रोकने के लिए। लेग्युम पौधे लेगहीमोग्लोबिन नामक ऑक्सीजन-बाध्यकारी प्रोटीन का उपयोग करते हैं।)

Host Benefits (परपोषी के लाभ):-

> Enhanced growth and productivity due to increased nitrogen availability.

(अधिक नाइट्रोजन उपलब्धता के कारण बढ़ी हुई वृद्धि और उत्पादकता।)

> Ability to thrive in nitrogen-poor soils.

(नाइट्रोजन-गरीब मिट्टी में पनपने की क्षमता।)

Bacterial Benefits (बैक्टीरिया के लाभ):-

> Supply of carbohydrates and a stable environment.

(कार्बोहाइड्रेट की आपूर्ति और स्थिर वातावरण।)

> Protection from environmental stresses.

(पर्यावरणीय तनावों से सुरक्षा।)

Agricultural Importance (कृषि में महत्व):-

Crop Rotation (फसल चक्रण):- Incorporating legumes in crop rotations improves soil nitrogen content naturally, reducing reliance on chemical fertilizers.

(फसल चक्रण में दालों का समावेश मिट्टी के नाइट्रोजन स्तर को स्वाभाविक रूप से बढ़ाता है।)

Green Manure (हरी खाद):- Leguminous plants are used as green manure to enrich soil nitrogen levels.

(मिट्टी में नाइट्रोजन को समृद्ध करने के लिए दालों का उपयोग।)

Biological Nitrogen Fixation (जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण):- An eco-friendly alternative to synthetic nitrogen fertilizers, promoting sustainable agriculture.

(संश्लेषित नाइट्रोजन उर्वरकों का पर्यावरण-अनुकूल विकल्प।)