De syklus av nitrogen det er prosessen med nitrogenbevegelse mellom atmosfæren og biosfæren. Det er en av de mest relevante biogeokjemiske syklusene. Nitrogen (N) er et element av stor betydning, siden det kreves av alle organismer for deres vekst. Det er en del av den kjemiske sammensetningen av nukleinsyrer (DNA og RNA) og proteiner.
Den største mengden nitrogen på planeten finnes i atmosfæren. Atmosfærisk nitrogen (Nto) kan ikke brukes direkte av de fleste levende ting. Det er bakterier som er i stand til å fikse det og innlemme det i jord eller vann på måter som kan brukes av andre organismer..
Deretter blir nitrogen assimilert av autotrofiske organismer. De fleste heterotrofe organismer får det gjennom mat. Deretter frigjør de overdreven i form av urin (pattedyr) eller ekskrementer (fugler).
I en annen fase av prosessen er det bakterier som deltar i transformasjonen av ammoniakk til nitritter og nitrater som er innlemmet i jorden. Og på slutten av syklusen bruker en annen gruppe mikroorganismer oksygenet som er tilgjengelig i nitrogenholdige forbindelser i respirasjon. I denne prosessen frigjør de nitrogen tilbake i atmosfæren.
For tiden produseres den største mengden nitrogen som brukes i jordbruket av mennesker. Dette har resultert i et overskudd av dette elementet i jord og vannkilder, noe som forårsaker ubalanse i denne biogeokjemiske syklusen..
Artikkelindeks
Nitrogen anses å ha sitt utspring ved nukleosyntese (opprettelse av nye atomkjerner). Stjerner med store heliummasser nådde trykket og temperaturen som var nødvendig for at nitrogen skulle dannes.
Da jorden oppsto, var nitrogen i fast tilstand. Senere, med vulkansk aktivitet, ble dette elementet en gassform og ble innlemmet i planetens atmosfære..
Nitrogen var i form av Nto. Sannsynligvis de kjemiske formene som brukes av levende ting (ammoniakk NH3) dukket opp av nitrogensykluser mellom havet og vulkanene. På denne måten NH3 det ville ha blitt innlemmet i atmosfæren og sammen med andre elementer gitt organiske molekyler.
Nitrogen forekommer i forskjellige kjemiske former, og refererer til forskjellige oksidasjonstilstander (tap av elektroner) av dette elementet. Disse forskjellige formene varierer både i egenskaper og i oppførsel. Nitrogengass (Nto) er ikke rusten.
Oksyderte former er klassifisert i organiske og uorganiske. De organiske formene forekommer hovedsakelig i aminosyrer og proteiner. De uorganiske tilstandene er ammoniakk (NH3), ammoniumionet (NH4), nitritter (NOto) og nitrater (NO3), blant andre.
Nitrogen ble oppdaget i 1770 av tre forskere uavhengig (Scheele, Rutherford og Lavosier). I 1790 kalte den franske Chaptal gassen som nitrogen.
I andre halvdel av 1800-tallet ble det funnet å være en viktig komponent i vevene til levende organismer og i veksten av planter. På samme måte ble det påvist at det var en konstant flyt mellom organiske og uorganiske former..
Nitrogenkilder ble opprinnelig ansett for å være lyn og atmosfærisk avsetning. I 1838 bestemte Boussingault den biologiske fikseringen av dette elementet i belgfrukter. I 1888 ble det oppdaget at mikroorganismer knyttet til røtter av belgfrukter var ansvarlige for fiksering av Nto.
En annen viktig oppdagelse var eksistensen av bakterier som var i stand til å oksidere ammoniakk til nitritter. I tillegg til andre grupper som transformerte nitritter til nitrater.
Allerede i 1885 bestemte Gayon at en annen gruppe mikroorganismer hadde evnen til å transformere nitrater til Nto. På en slik måte at nitrogensyklusen på planeten kunne forstås.
Alle levende ting krever nitrogen for sine vitale prosesser, men ikke alle bruker det på samme måte. Noen bakterier er i stand til å bruke atmosfærisk nitrogen direkte. Andre bruker nitrogenforbindelser som en oksygenkilde.
Autotrofiske organismer krever tilførsel i form av nitrater. På den annen side kan mange heterotrofer bare bruke den i form av aminogrupper som de får fra maten.
Den største naturlige kilden til nitrogen er atmosfæren, hvor 78% av dette elementet finnes i gassform (Nto), med noen spor av lystgass og nitrogenmonoksid.
Sedimentære bergarter inneholder omtrent 21% som frigjøres veldig sakte. De resterende 1% er inneholdt i organisk materiale og havene i form av organisk nitrogen, nitrater og ammoniakk.
Det er tre typer mikroorganismer som deltar i nitrogensyklusen. Dette er fikseringsmidler, nitrifieringsmidler og denitrifieringsmidler.
De koder for et kompleks av nitrogenaseenzymer som er involvert i fikseringsprosessen. De fleste av disse mikroorganismene koloniserer rhizosfæren til planter og utvikler seg i vevet..
Den vanligste slekten til å fikse bakterier er Rhizobium, som er assosiert med belgfrukterøtter. Det er andre sjangre som Frankia, Nostoc Y Rosin som lager symbiose med røtter fra andre grupper av planter.
Cyanobakterier i fri form kan fikse atmosfærisk nitrogen i vannmiljøer
Det er tre typer mikroorganismer involvert i nitrifiseringsprosessen. Disse bakteriene er i stand til å oksidere ammoniakk eller ammoniumion som er tilstede i jorden. De er kjemolyttrofiske organismer (i stand til å oksidere uorganiske materialer som energikilde).
Bakterier av forskjellige slekter griper inn i prosessen sekvensielt. Nitrosoma og Nitrocystis de oksyderer NH3 og NH4 til nitritter. Seinere Nitrobacter Y Nitrosococcus oksyder denne forbindelsen til nitrater.
I 2015 ble en annen gruppe bakterier som griper inn i denne prosessen oppdaget. De er i stand til å oksidere ammoniakk direkte til nitrater og ligger i slekten Nitrospira. Noen sopper er også i stand til å nitrifisere ammoniakk.
Det har blitt antydet at mer enn 50 forskjellige bakterieslag kan redusere nitrater til Nto. Dette skjer under anaerobe forhold (fravær av oksygen).
De vanligste denitrifiserende slektene er Alcaligenes, Parakokk, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus Y Thiosphaera. De fleste av disse gruppene er heterotrofer.
I 2006 ble en bakterie (Methylomirabilis oxyfera) som er aerob. Det er metanotroft (det henter karbon og energi fra metan) og er i stand til å skaffe oksygen fra denitrifiseringsprosessen..
Nitrogensyklusen går gjennom flere stadier i mobilisering over hele planeten. Disse fasene er:
Det er omdannelsen av atmosfærisk nitrogen til former som anses som reaktive (som kan brukes av levende vesener). Brudd på de tre bindingene som N-molekylet inneholderto krever mye energi og kan forekomme på to måter: abiotisk eller biotisk.
Nitrater oppnås ved feste med høy energi i atmosfæren. Det er fra den elektriske energien fra lyn og kosmisk stråling.
Deretterto kombineres med oksygen for å danne oksyderte former for nitrogen som NO (nitrogendioksid) og NOto (nitrogenoksid). Deretter blir disse forbindelsene ført til jordoverflaten av regn som salpetersyre (HNO)3).
Høyenergifiksering inneholder ca. 10% av nitratene som er tilstede i nitrogensyklusen.
Det utføres av mikroorganismer i jorden. Disse bakteriene er vanligvis forbundet med plantens røtter. Årlig fiksering av biotisk nitrogen anslås til å være omtrent 200 millioner tonn per år.
Atmosfærisk nitrogen transformeres til ammoniakk. I en første fase av reaksjonen, Nto er redusert til NH3 (ammoniakk). I denne formen er den innlemmet i aminosyrer.
I denne prosessen er et enzymatisk kompleks med forskjellige oksidasjonsreduksjonssentre involvert. Dette nitrogenasekomplekset består av en reduktase (tilveiebringer elektroner) og en nitrogenase. Sistnevnte bruker elektroner for å redusere Nto til NH3. En stor mengde ATP forbrukes i prosessen.
Nitrogenasekomplekset inhiberes irreversibelt i nærvær av høye konsentrasjoner av Oto. I radikale knuter er det et protein (leghemoglobin) som holder O-innholdet veldig lavt.to. Dette proteinet produseres av samspillet mellom røttene og bakteriene.
Planter som ikke har en symbiotisk tilknytning til N-fikserende bakterierto, de tar nitrogen fra jorden. Absorpsjonen av dette elementet utføres i form av nitrater gjennom røttene.
Når nitrater kommer inn i planten, blir noe av det brukt av rotcellene. En annen del distribueres av xylem til hele anlegget.
Når det skal brukes, reduseres nitrat til nitrit i cytoplasmaet. Denne prosessen katalyseres av enzymet nitratreduktase. Nitritter transporteres til kloroplaster og andre plastider, hvor de reduseres til ammoniumionen (NH4).
Ammoniumion i store mengder er giftig for planten. Så det blir raskt innlemmet i karbonatskjeletter for å danne aminosyrer og andre molekyler..
For forbrukere oppnås nitrogen ved fôring direkte fra planter eller andre dyr.
I denne prosessen nedbrytes de nitrogenholdige forbindelsene som er tilstede i jorden til enklere kjemiske former. Nitrogen er inneholdt i dødt organisk materiale og avfall som urea (pattedyrsurin) eller urinsyre (fugleskritt).
Nitrogenet i disse stoffene er i form av komplekse organiske forbindelser. Mikroorganismer bruker aminosyrene i disse stoffene til å produsere proteinene sine. I denne prosessen frigjør de overflødig nitrogen i form av ammoniakk eller ammoniumion..
Disse forbindelsene er tilgjengelige i jorden for at andre mikroorganismer kan virke i de følgende faser av syklusen.
I løpet av denne fasen oksiderer jordbakterier ammoniakk og ammoniumion. I prosessen frigjøres energi som brukes av bakteriene i stoffskiftet..
I den første delen, nitrosifiserende bakterier i slekten Nitrosomer de oksyderer ammoniakk og ammoniumion til nitritt. Enzymet ammoniakk mooxygenase finnes i membranen til disse mikroorganismene. Det oksyderer NH3 til hydroksylamin, som deretter oksyderes til nitritt i periplasmen til bakteriene.
Deretter oksiderer nitreringsbakteriene nitrittene til nitrater ved hjelp av enzymet nitritt oksidasoreduktase. Nitrater forblir tilgjengelige i jorden, der de kan absorberes av planter.
På dette stadiet omdannes oksyderte former av nitrogen (nitritter og nitrater) tilbake til Nto og i mindre grad lystgass.
Prosessen utføres av anaerobe bakterier, som bruker nitrogenholdige forbindelser som elektronakseptorer under respirasjon. Graden av denitrifisering avhenger av flere faktorer, som tilgjengelig nitrat og jordmetning og temperatur..
Når jorden er mettet med vann, vil Oto det er ikke lenger lett tilgjengelig, og bakteriene bruker NEI3 som elektronakseptor. Når temperaturene er veldig lave, kan ikke mikroorganismer utføre prosessen.
Denne fasen er den eneste måten nitrogen fjernes fra et økosystem. På denne måten vil Nto som var fast returnerer til atmosfæren og balansen mellom dette elementet opprettholdes.
Denne syklusen har stor biologisk relevans. Som vi forklarte tidligere, er nitrogen en viktig del av levende organismer. Gjennom denne prosessen blir den biologisk brukbar.
I utviklingen av avlinger er tilgjengeligheten av nitrogen en av de viktigste begrensningene for produktivitet. Siden jordbruket ble jorda beriket med dette elementet.
Dyrking av belgfrukter for å forbedre jordkvaliteten er en vanlig praksis. Såing av ris i oversvømmet jord fremmer også de miljømessige forholdene som er nødvendige for bruk av nitrogen..
I løpet av 1800-tallet ble guano (fugleskitt) mye brukt som en ekstern kilde til nitrogen i avlinger. Mot slutten av dette århundret var det imidlertid ikke tilstrekkelig til å øke matproduksjonen.
Den tyske kjemikeren Fritz Haber, på slutten av 1800-tallet, utviklet en prosess som senere ble kommersialisert av Carlo Bosch. Dette består i å reagere Nto og hydrogengass for å danne ammoniakk. Det er kjent som Haber-Bosch-prosessen.
Denne formen for kunstig produksjon av ammoniakk er en av de viktigste kildene til nitrogen som kan brukes av levende vesener. Det anses at 40% av verdens befolkning er avhengig av disse gjødselene for maten.
Den nåværende antropiske produksjonen av ammoniakk er omtrent 85 tonn per år. Dette har negative konsekvenser for nitrogensyklusen..
På grunn av den høye bruken av kjemisk gjødsel, er det forurensning av jord og akviferer. Det anses at mer enn 50% av denne forurensningen er en konsekvens av Haber-Bosch-syntesen.
Nitrogenoverskudd fører til eutrifisering (næringsberikelse) av vannforekomster. Antropisk euutrifisering er veldig rask og forårsaker en akselerert vekst hovedsakelig av alger.
De bruker mye oksygen og kan akkumulere giftstoffer. På grunn av oksygenmangel ender de andre organismer som er tilstede i økosystemet.
I tillegg frigjør bruk av fossile brensler en stor mengde lystgass i atmosfæren. Dette reagerer med ozon og danner salpetersyre, som er en av komponentene i surt regn..
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.