يُعدّ النيتروجين من العناصر الغذائية الأساسية لنمو الكائنات الحية، إذ يدخل في تركيب الأحماض الأمينية والبروتينات والأحماض النووية (DNA وRNA)، كما يُسهم في تكوين الكلوروفيل بصورة غير مباشرة من خلال دخوله في تركيب الإنزيمات والبروتينات اللازمة لعملية البناء الضوئي. وعلى الرغم من أن غاز النيتروجين (N₂) يشكل نحو 78% من الغلاف الجوي، فإن معظم النباتات لا تستطيع الاستفادة منه مباشرة بسبب الرابطة الثلاثية القوية التي تربط ذرتي النيتروجين في جزيئه. وهنا تظهر أهمية تثبيت النيتروجين حيويًا (Biological Nitrogen Fixation)، وهي عملية تقوم بها كائنات دقيقة متخصصة، تستطيع تحويل النيتروجين الجوي إلى مركبات نيتروجينية قابلة للاستفادة منها في العمليات الحيوية. وتؤدي هذه العملية دورًا مهمًا في المحافظة على خصوبة التربة، ودعم نمو النباتات، وتقليل الاعتماد على الأسمدة النيتروجينية المصنعة، ولا سيما في النظم الزراعية التي تعتمد على البقوليات. أولًا: مفهوم تثبيت النيتروجين حيويًا تثبيت النيتروجين حيويًا هو تحويل غاز النيتروجين الجوي (N₂) إلى الأمونيا (NH₃) بوساطة إنزيم متخصص يُعرف باسم النيتروجيناز (Nitrogenase)، يوجد لدى مجموعات محددة من البكتيريا والعتائق. وتكمن أهمية هذه العملية في أن النيتروجين، رغم وفرته في الهواء، يكون في صورة كيميائية لا تستطيع النباتات العليا استخدامها مباشرة. وبعد تثبيته، يمكن تحويله إلى أيونات الأمونيوم (NH₄⁺) ومركبات عضوية نيتروجينية تدخل في بناء الأنسجة النباتية، كما يمكن أن ينتقل جزء منه إلى التربة عبر تحلل الجذور وبقايا النباتات والمواد العضوية. ويجب التمييز بين تثبيت النيتروجين حيويًا وبين امتصاص النبات للنيتروجين؛ فالتثبيت يحوّل غاز N₂ إلى مركبات نيتروجينية، أما الامتصاص فيتم عندما تأخذ الجذور النيتروجين المتاح في التربة، غالبًا على هيئة نترات (NO₃⁻) أو أمونيوم (NH₄⁺). ثانيًا: الكائنات الدقيقة المسؤولة عن تثبيت النيتروجين توجد مجموعات متعددة من الكائنات الدقيقة القادرة على تثبيت النيتروجين، وتختلف في طريقة معيشتها وعلاقتها بالنباتات والبيئة المحيطة. 1. بكتيريا العقد الجذرية (Rhizobium) تُعد بكتيريا Rhizobium من أشهر الكائنات الدقيقة المرتبطة بتثبيت النيتروجين، إذ تدخل في علاقة تكافلية مع نباتات العائلة البقولية (Fabaceae)، مثل الفاصوليا والبازلاء والعدس والحمص وبعض أنواع البرسيم. تبدأ العلاقة عندما تتعرف البكتيريا على المركبات الكيميائية التي تفرزها جذور النبات، ثم تتفاعل إشارات كيميائية متبادلة بين الطرفين. وتساعد هذه الإشارات على بدء عملية العدوى المنظمة وتكوين العقد الجذرية، وهي تراكيب متخصصة تتطور على الجذور وتوفر بيئة مناسبة لتثبيت النيتروجين. داخل العقد، تتحول بعض الخلايا البكتيرية إلى أشكال متخصصة تُسمى البكتيرويدات (Bacteroids)، وتؤدي وظيفة تثبيت النيتروجين. ويحصل النبات على جزء من النيتروجين المثبت، بينما يزوّد البكتيريا بالكربوهيدرات ومصادر الطاقة الناتجة من عملية البناء الضوئي. 2. بكتيريا أزوتوباكتر (Azotobacter) تضم مجموعة Azotobacter بكتيريا حرة المعيشة توجد في بعض أنواع التربة، وتستطيع تثبيت النيتروجين دون الحاجة إلى تكوين علاقة تكافلية داخل العقد الجذرية. وتحتاج هذه البكتيريا إلى مصادر مناسبة للكربون والطاقة، كما تتأثر فعاليتها بدرجة الحرارة ورطوبة التربة ودرجة الحموضة وتوفر العناصر الغذائية. وتتميز بعض أنواعها بقدرتها على حماية إنزيم النيتروجيناز من التأثير الضار للأكسجين من خلال آليات فسيولوجية متعددة. ومع ذلك، فإن كمية النيتروجين التي تثبتها في التربة تختلف باختلاف الظروف البيئية، ولا تعني إضافة هذه البكتيريا بالضرورة زيادة كبيرة في المحصول في جميع الحالات. 3. بكتيريا كلوستريديوم (Clostridium) تضم مجموعة Clostridium أنواعًا تستطيع تثبيت النيتروجين في ظروف قليلة الأكسجين أو لاهوائية. وتوجد بعض هذه الأنواع في التربة والرسوبيات والبيئات الغنية بالمواد العضوية، حيث تستخدم المركبات العضوية للحصول على الطاقة اللازمة لنشاطها الحيوي. وتوضح هذه المجموعة أن تثبيت النيتروجين لا يقتصر على البكتيريا المرتبطة بجذور النباتات، بل يمكن أن يحدث أيضًا بواسطة كائنات دقيقة حرة المعيشة في بيئات مختلفة. 4. السيانوبكتيريا (Cyanobacteria) تُعرف السيانوبكتيريا، أو البكتيريا الزرقاء، بقدرتها على إجراء البناء الضوئي، كما تستطيع بعض أنواعها تثبيت النيتروجين الجوي. ومن أمثلتها Anabaena وNostoc. تعيش هذه الكائنات في البيئات المائية والتربة الرطبة، وقد تسهم في إثراء بعض النظم البيئية بالنيتروجين. وتمتلك أنواع معينة خلايا متخصصة تُسمى الهيتروسيستات (Heterocysts)، توفر ظروفًا منخفضة الأكسجين تساعد على حماية إنزيم النيتروجيناز، الذي يتأثر بالأكسجين.