Verbeterde Voedselproductie (6b): Stikstof binding II - bacterien doen het werk

Het proces van biologische stikstofbinding is van groot belang voor plantengroei op land en in het water, omdat stikstof een noodzakelijke grondstof is voor het bouwen van bijvoorbeeld eiwitten. Stikstof wordt in de natuur gebonden door bacterien. Het meest bekende proces van stikstofbinding is de binding door rhizobia bacterien die in symbiose leven met vlinderbloemigen (zie hiervoor blog 6a over stikstofbinding). Anton Nigten heeft in een interessant artikel op FoodLog zijn hypothese uitgelegd dat stikstofbinding door veel meer planten kan worden uitgevoerd, maar dat deze stikstofbinding vooral door de wijze van landbouw bedrijven bijna niet meer kan plaatsvinden. Ter ondersteuning hiervan een citaat uit het boek "De geheimen van een vruchtbare bodem" van Erhard Hennig (eerste druk in het Duits uit 1994). Op bladzijde 138 van de Nederlandse uitgave van dit boek staat het volgende:

"Rond de eeuwwisseling (rond 1900 dus) vroegen Russische bodemkundigen zich af, waarom de humusrijke bodems in de Oekraine meer dan tachtig jaar lang zulke goede graanoogsten zonder oogstverliezen leverden. Kunstmeststoffen kende men toentertijd nauwelijks. Onderzoek wees uit dat in een gram grond meer dan tachtig miljoen bacterien zaten. Tachtig procent daarvan bestond uit Azotobacter, dus luchtstikstof bindende vrijlevende bacterien. Zulke verhoudingen bestaan thans noch daar noch hier in humusrijke gronden."

Gedurende de eerste decennia van de 20e eeuw is de wortelknolletjes theorie, waarbij de rhizobia bacterien stikstof uit de lucht halen voor de vlinderbloemigen, zodanig dominant geworden dat we lange tijd bijna vergeten zijn dat stikstofbinding door veel meer bacterien kan worden uitgevoerd. Gelukkig is dat langzaam maar zeker aan het veranderen. In deze blog wil ik daarom in de wereld van de stikstofbindende bacterien duiken. Ik kijk hierbij zowel naar verschillende omstandigheden, als naar verschillende locaties rond een plant.

Het proces van de binding van luchtstikstof

Het proces van stikstof binding bestaat uit een aantal stappen (bron):
Stap 1: N₂ wordt omgezet in NH₃ of NH₄⁺.

Door allerlei bacterien wordt stikstof gebonden (waar deze blog over gaat), deze bacterien worden diazotroof genoemd. Hierbij wordt N₂ omgezet in NH₃ of NH₄⁺. Deze omzetting vindt het beste plaats onder zuurstof arme omstandigheden. Bij dit proces wordt gebruik gemaakt van het enzym nitrogenase; twee stoffen moeten in ieder geval in dit enzym aanwezig zijn, ijzer en molybdeen. Bij sommige bacterien is molybdeen vervangen door vanadium.

Stap 2: omzetting in NO₂^-

Vervolgens wordt dit omgezet in NO₂^- in het nitrificatie proces door bacterien van het geslacht Nitrosomonas (bodem en water), Nitrosospira (bodem) en Nitrosococcus (water).

Stap 3: omzetting in NO₃^-

Vervolgens wordt door nitrificerende bacterien van het geslacht Nitrobacter (bodem en water), Nitrospina (water), Nitrococcus (water) en Nitrospira (bodem en water) de NO₂^- omgezet in NO₃^-, wat bruikbaar is voor planten.

Bron: https://nl.wikipedia.org/wiki/Stikstofkringloop#/media/File:Nitrogen_Cycle_Dutch_text.jpg

Is stikstofbinding afhankelijk van de mate van beschikbaarheid van zuurstof?

Hoe langer water niet in contact kan zijn met de lucht (of door gebrek aan stroming (diep) onder water, of door langdurige stroming door de ondergrond), hoe minder zuurstofgas (O₂) beschikbaar is. Dit kan bijvoorbeeld het geval zijn bij oceanen, maar ook in grondwater of bij moerassen.

Om toch zuurstof te krijgen (voor de meeste bacterien noodzakelijk om in leven te blijven), maken de bacterien gebruik van zuurstofhoudende (geoxideerde) stoffen. Alles wat geoxideerd is wordt gereduceerd, zodat de zuurstof die daarmee vrij wordt gemaakt, kan worden gebruikt door de bacterien.

Hierbij blijkt een bepaalde volgorde te worden aangehouden: als het opgeloste zuurstofgas op is, wordt opgelost nitraat gebruikt, dan mangaanoxide, ijzeroxide, sulfaat en tenslotte koolstofdioxide (zie onderstaande schema).

Al deze stoffen worden omgezet naar een stof waar geen zuurstof meer in zit. Zo kan diep anoxisch water bijvoorbeeld stinken naar rotte eieren, dat komt omdat SO₄^2- is omgezet naar H₂S. Wordt het water nog verder gereduceerd, dan wordt CO₂ uit het water omgezet in CH₄, methaan.

Bron: https://envmicro.ethz.ch/news-and-events/_jcr_content/par/textimage_0/image.imageformat.lightbox.1724619685.jpg en https://www.researchgate.net/profile/Andrew_Roberts16/publication/283819494/figure/fig1/AS:639140391563270@1529394352444/Cartoon-representation-of-the-depth-distribution-of-sedimentary-redox-driven-diagenetic_W640.jpg

Al deze chemische afbraakprocessen zijn processen die door bacterien worden uitgevoerd. Ook deze bacterien hebben stikstof nodig voor het bouwen van eiwitten. En het blijkt dat ook onder verschillende niveaus van deze zogeheten redox-processen stikstofbinding plaats vindt.

Een deel van de stikstofbindende bacterien leven onder een aerobe omstandigheden en zijn in staat om een lage zuurstofspanning te creeren waar stikstofbinding mogelijk is, zoals bijvoorbeeld de Beijerinckia, Azospirillum en Azotobacter bacterien.

Een andere groep bacterien is zogeheten facultatief anaeroob, dat wil zeggen dat ze zowel bij hoge als lage zuurstofconcentraties kunnen leven. Stikstof wordt echter alleen gebonden bij lage (anaerobe) omstandigheden. Een veel onderzochte bacterie in deze groep is de stikstofbindende bacterie Klebsiella pneumoniae. Hier is onder andere ook veel onderzoek naar gedaan vanuit medisch oogpunt: deze bacterie kan namelijk vervelende steeds moeilijker te behandelen infecties veroorzaken. Innoculatie met deze bacterie bij bijvoorbeeld mais kan echter in goede opbrengst vergroting resulteren.

De reductie van ijzer (van Fe³⁺ naar Fe²⁺) wordt onder andere gedaan door de stikstofbindende bacterie Clostridium (bron) en er zijn meer ijzer reducerende bacterien die stikstof kunnen binden (bron). In de zeer anoxische omstandigheid waar sulfaat reductie plaatsvindt, wordt stikstof gebonden door sulfaat reducerende bacterien van het geslacht Desulvibrio en Desulfotomaculum (bron). Ook zijn er bacterien gevonden die CO₂ omzetten in methaan (nog dieper anoxisch) en stikstof binden (het geslacht Methanococcus) (bron). Al deze bacterien kunnen ook alleen onder deze sub- of anoxische omstandigheden leven, indien de omstandigheden oxisch worden sterven ze vaak.

Wat bovenstaande voorbeelden laten zien is dat onder alle verschillende oxische, suboxische en anoxische omstandigheden bacterien leven die stikstof binding kunnen uitvoeren.

Verschillende locaties waar stikstofbindende bacterien leven

Er kan op vele manier onderscheid gemaakt worden in waar de stikstofbinders leven. Gerelateerd aan planten die in de bodem wortelen wordt er in de literatuur onderscheid gemaakt in drie typen/locaties:

1. Symbiose middels wortelknolletjes
   Dit zijn de bekende wortelknolletjes die bij vlinderbloemigen worden gevormd door Rhizobia bacterien, maar ook de Frankia bacterien bij een grote groep planten, de zogeheten actinozorale planten. Ook zijn er cyanobacterien die in symbiose leven met bepaalde kroosvarens en bepaalde korstmossen en de stikstof binden.
   
2. Associatief
   Dit zijn de bacterien die in of in de omgeving van de plant leven en daar stikstof binden.
   Hierbij wordt onderscheid gemaakt in endofyten (bacterien die (een deel van hun leven) in de plant leven), in de rhizoplane (net buiten de wortel, op de "wortelhuid") en bacterien die leven in de rhizosfeer (een dunne zone buiten de wortel). 
   
   

   

   Bron: https://bsapubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.3732/ajb.1200572
   

   
   De endofyten kunnen overal in de plant leven, zo kan bijvoorbeeld de strikstofbinder Gluconacetobacter diazotrophicus worden teruggevonden in het blad, de stam, of de wortel. Een andere is burkholderia vietnamiensis die in zoete aardappel leeft. Het merendeel van de stikstofbindende endofyten leeft echter in de wortels. De endofyten worden door de planten voorzien van de benodigde energie.
   Een ander deel van de stikstofbindende bacterien leeft op en rond de plantenwortels (in de rhizosfeer). Voorbeelden van deze bacterien zijn Azospirillum, Beijerinckia, Clostridium en Klebsiella. Deze bacterien zijn heterotroof, dat wil zeggen dat ze voor hun energievoorziening afhankelijk zijn van andere bronnen (de plant levert), of ander materiaal verteren om daar hun energie uit te halen.
   
   
3. Vrij levend
   Dit zijn bacterien die in de bodem leven, en daar afhankelijk zijn van bijvoorbeeld beschikbaar organisch materiaal voor de benodigde energie, hier valt bijvoorbeeld de in de inleiding genoemde Azotobacter onder.
   

Deze categorie indeling is gemaakt in het hoofd van wetenschappers, om het systeem begrijpbaar te maken. Bacterien houden zich echter minder aan deze indeling. Sommige bacterien blijken in meerdere categorien te vallen. Twee voorbeelden:

• Onderzoek in Egypte heeft laten zien dat de bacterie Rhizobia leguminosarum biovar trifolii zowel in symbiose leeft met klaverplanten (middels wortelknolletjes) als een endofyt is bij rijst; beide gewassen werden na elkaar geplant.
• De vrijlevende stikstofbinder Azotobacter vinelandii blijkt ook in de rhizosfeer van Switchgrass te leven (bron).
  
• In een eerdere blog ben ik ingegaan op het lokken door wortels van bacterien met zogeheten flavonoiden. Hiermee worden de bacterien gelokt die de benodidge nutrienten en mineralen kunnen leveren, waaronder de bacterien die stikstof aan de plant kunnen leveren. Vervolgens komen de bacterien (endofyten die dus ook vrij in de bodem leven) met de gewenste stof naar de wortel toe en dringen dringen de plantenwortel binnen. In een bijzonder proces, wat rhizophagy wordt genoemd (zie voor het rhizophagy proces een andere blog), worden de microben in de wortel blootgesteld aan zogeheten reactieve zuurstofcomponenten, die worden geproduceerd door enzymen (NADPH oxidase) in de plant. Deze reactieve zuurstofcomponenten maken dat de voedingsstoffen uit de microben worden geextraheerd. Daarna worden de bacterien weer vrijgelaten en begint het feest weer opnieuw.
  

Onderzoek naar stikstofbindende bacterien (anders dan de Rhizobia en Frankia bacterien) focust sterk op eetbare planten (in verband met verminderd energiegebruik, minder afhankelijkheid van externe inputs, hogere productie etc). De meeste informatie over waar stikstofbindende bacterien zijn gevonden is dan ook in onderzoek gericht op eetbare gewassen: bijvoorbeeld verschillende granen, mais, rijst, soja, suikerriet, aardappels en zoete aardappelen.

Beschikbare databases (voor de geinteresseerden)

Het al dan niet kunnen vastleggen van stikstof uit de lucht blijkt in de genen van bacterien vast te liggen (vooral het NIFh gen). Door genetisch onderzoek naar deze stikstofbinding genen in bacterien zijn grote stappen gezet in veel meer gefocust onderzoek naar nitraatbinding bij bacterien. Hierdoor is in de laatste decennia een veel beter inzicht verkregen in bacterien, die op basis van de samenstelling van de genen aan stikstofbinding (zouden kunnen) doen. De enorme hoeveelheid informatie op het vlak van stikstofbinding door bacterien heeft inmiddels geleid tot drie (linux) databases (bron):

1. de eerste database is de FunGene database van Michigan State University
2. de tweede database is van de Zehr research groep van de University of California Santa Cruz
3. de derde database is het Buckley lab van Cornell university
   

Hoe belangrijk zijn de verschillende groepen?

De stikstofbinding die plaats vindt in wortel knolletjes is de meest bekende methode van stikstofbinding. Onderzoek laat zien dat de wortelknolletjes stikstofbinding op dit moment ook de methode waar de meeste stikstof door gebonden wordt (zie onderstaande figuur).

Bron: https://europepmc.org/article/med/31796086

De vraag is echter of deze beperkte bijdrage van vrij levende en associatieve bacterien altijd zo is geweest, of dat ze vroeger veel meer voorkwamen en dus een grotere rol bij stikstofvoorziening kan leveren. Het citaat waar de blog mee begon laat zien dat de samenstelling van het bodemleven er vroeger (in ieder geval op sommige plekken) heel anders uitzag.

Als gevolg van ploegen worden schimmeldraden continu doorgesneden, en liggen bacterien ineens op 40 cm diepte, dan wel ineens in de volle zon. Bacterien en schimmels leggen het loodje door pesticiden, of door antibiotica(resten) in de mest. Leefomstandigheden voor bacterien veranderen door toepassing van kunstmest en door gebruik van rottende mest in plaats van gerijpte mest. Bodemkoolstof is op vele plaatsen verminderd. En door grotere percelen met dus minder meters randen per akker en dus ook minder permanente gewassen per m² akker, is de samenstelling van het bodemleven ook verder beinvloed.

Al deze gevolgen van grootschalige landbouw hebben naar mijn idee geleid tot een enorme verandering van de leefomgeving van de stikstofbindende bacterien en deze steeds ongunstiger gemaakt.

Als je naar de oceanen kijkt (waar ook veel stikstof wordt gebonden), is het veel lastiger om te bepalen hoe de situatie daar is veranderd, aangezien daar zeer weinig gegevens zijn over de stikstofbinding 100 jaar geleden. Volgens deze link gaat de verzuring van de oceanen echter wel leiden tot een verminderde functionaliteit van de stikstofbindende bacterien, bijvoorbeeld van de cyanobacterie Nodularia Spumigena.

Conclusie

Stikstof is een noodzakelijk element voor ons bestaan: zonder stikstof, geen eiwitten, en zonder eiwitten geen leven. De natuur is heel goed in staat om stikstof te binden. Dit wordt gedaan door zeer veel verschillende bacterien, niet alleen de rhizobia bacterien in samenwerking met de vlinderbloemigen, maar ook vele andere bacterie soorten. Een groot deel van de stikstofbindende bacterien werkt echter niet samen met planten (voor de energievoorziening), maar leeft onder andere van de vertering van organisch materiaal in de bodem (bijvoorbeeld de azotobacter).

Het proces van stikstofbinding moet plaatsvinden onder zuurstofarme omstandigheden. Opvallend genoeg zijn er bij alle verschillende vormen van zuurstofbeschikbaarheid (van zuurstofrijk tot bijna zuurstofloos) altijd bacterien in staat om stikstof te binden.

De grootschalige landbouw heeft de samenstelling van het bodemleven zodanig aangepast dat daardoor de samenstelling van de huidige bodems zeer anders is dan de bodems van rond 1900. Hierdoor wordt er veel minder stikstof gebonden (ik denk daarom dat de hypothese die de WUR heeft gepubliceerd de verkeerde insteek is). Willen we minder afhankelijk worden van de kunstmest, dan zullen we dus het begrip van de bodem moeten verbeteren en de omstandigheden zodanig maken en houden, dat deze weer gunstig zijn voor de stikstofbindende bacterien. Dus goed zorgen voor de bodem!

Bronnen:

- https://aem.asm.org/content/aem/85/6/e02546-18.full.pdf
- https://journals.asm.org/doi/full/10.1128/MRA.00820-18
- https://www.biologydiscussion.com/nitrogen-fixation/types-nitrogen-fixation/nitrogen-fixation-types-physical-and-biological-nitrogen-fixation-with-diagram/14969

- https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12934-016-0500-0

- https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-019-0710-0

- https://blogs.cornell.edu/buckley/nifh-sequence-database/
- https://compostboerderij.blogspot.com/2018/06/alle-planten-binden-stikstof-uit-de.html
- https://envmicro.ethz.ch/news-and-events/_jcr_content/par/textimage_0/image.imageformat.lightbox.1724619685.jpg
- https://europepmc.org/article/med/31796086
- http://www.fao.org/documents/card/en/c/cb1928en
- https://www.foodlog.nl/artikel/ook-moderne-gewassen-kunnen-zelf-kunstmest-uit-de-lucht-halen/
- https://books.google.nl/books?hl=en&lr=&id=TR3yCQAAQBAJ&oi=fnd&pg=PA209&dq=.+2015.+Assessment+of+nitrogenase+diversity+in+the+environment,+p+209%E2%80%93216.+In+Frans+J.+de+Bruijn+(ed),+Biological+nitrogen+fixation.+John+Wiley+%26+Sons,+Inc,+Hoboken,+NJ.&ots=E8AMaRQaq_&sig=1HrpdeIlHFp6cftpmPD43tUnhxs&redir_esc=y#v=onepage&q=database&f=false
- http://fungene.cme.msu.edu/
- http://gjournals.org/GJAS/Publication/2013/February/HTML/010313354%20Jha%20et%20al.htm
- https://www.jzehrlab.com/nifh

- https://www.mdpi.com/1422-0067/21/5/1792/htm

- http://www.mulderagro.nl/leesvoer/2013-04-06-08-53-08/erhard-hennig
- https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/biological-nitrogen-fixation-23570419/

- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3631332/pdf/mct048.pdf
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5877335/
- https://www.rabobank.com/en/raboworld/articles/anton-nigten-we-need-to-fertilize-differently.html
- https://www.researchgate.net/profile/Andrew_Roberts16/publication/283819494/figure/fig1/AS:639140391563270@1529394352444/Cartoon-representation-of-the-depth-distribution-of-sedimentary-redox-driven-diagenetic_W640.jpg

- www.i-sis.org.uk/Nitrogen_fixing_for_all_crops_not_the_answer.php

- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720305660
- https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF00345718
- https://media.springernature.com/full/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs12915-019-0710-0/MediaObjects/12915_2019_710_Fig1_HTML.png?as=webp
- https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrifying_bacteria
- https://en.wikipedia.org/wiki/Diazotroph
- https://bsapubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.3732/ajb.1200572
- https://artsexperiments.withgoogle.com/diving-into-an-acidifying-ocean/

- https://resource.wur.nl/nl/wetenschap/show/Dogma-doorbroken-veel-planten-zijn-stikstofbinding-kwijtgeraakt.htm

Verbeterde voedselproductie 6a            Verbeterde voedselproductie 7