Nitrifizierende Bakterien

Bei der Stickstoff-Fixierung wird gasförmiger Stickstoff ${\text{(N}}_{\text{2}}\text{)}$aus der Luft zu Ammonium-Ionen ${\text{(NH}}_{\text{4}}{}^{\text{+}})$ reduziert und in den Stickstoffkreislauf eingeschleust. Zu dieser Fixierung sind nur bestimmte Bakterien in der Lage. Würde es diese Bakterien nicht geben, käme der Stickstoffkreislauf zum Erliegen. Das Leben auf der Erde würde zugrunde gehen. Alle Lebewesen hängen von diesen Bakterien genau so ab, wie von der Fotosynthese. Es existieren zwei Formen dieser Bakterien, eine davon lebt im Boden (Azobacter). Diese Bakterien sind in der Lage, molekularen Stickstoff zu assimilieren. Sterben sie ab, wird dieser Stickstoff als Ammoniak ${\text{(NH}}_{\text{3}})$ dem Boden zugeführt.

Unter den im Boden lebenden Stickstoff-Fixierern gibt es die Knöllchenbakterien Rhizobium und Bradyrhizobium. Es sind gramnegative stäbchenförmige, begeißelte Bakterien mit später unregelmäßigen Formen. Sie leben in Symbiose mit Schmetterlingsblütengewächsen (Leguminosen) und benötigen Sauerstoff für ihren Atemstoffwechsel. Die Symbiose der Knöllchenbakterien stellt das wichtigste System der Stickstoff-Fixierung dar. Durchschnittlich können sie jährlich 100 kg Luftstickstoff pro Hektar (unter guten Bedingungen 250 - 600 kg) binden. Ihr Vorkommen reicht von der subarktischen über die gemäßigte bis zur tropischen Klimazone.
Zieht man nach der Ernte z. B. eine Wurzel einer Erbsenpflanze oder vom Klee, sieht man knollenförmige Verdickungen.
In diesen Wurzelknöllchen befinden sich die Bakterien. Zunächst dringen die Stäbchen über die Wurzelhaare ein und bilden einen Infektionsschlauch. Durch Vermehrung und Vergrößerung entstehen Wucherungen, die das Wurzelgewebe infizieren.

Im ausgewachsenen Zustand verschwindet die Stäbchenform, unregelmäßig geformte Zellen (Bakteroide) liegen im Zytoplasma der Wurzelrinde. Die Symbiose zwischen Pflanze und Knöllchenbakterien besteht im Stofftausch. Die Pflanze liefert organische Stoffe wie Zucker, Aminosäuren und andere organische Säuren. Die Bakteroide bilden aus Stickstoff Ammoniak, der den Pflanzen als Nährstoff dient.
Da die Bakteroide sich im Cytoplasma der Wirtszellen befinden, stellen diese aus Ammoniak das Glutamin und Asparagin her, das in dieser Form in den Stoffwechsel gelangt.