АЗОТНИ ЦИКЛУС: КАРАКТЕРИСТИКЕ, РЕЗЕРВОАРИ И СТАДИЈУМИ - ЖИВОТНА СРЕДИНА - 2025

Азотни циклус је процес кретања азота између атмосфере и биосфере. То је један од најрелевантнијих биогеохемијских циклуса. Азот (Н) је елемент од великог значаја, јер га за раст имају сви организми. Део је хемијског састава нуклеинских киселина (ДНК и РНК) и протеина.

Највећа количина азота на планети је у атмосфери. Атмосферско азот (Н ₂ ) не може да се користи директно већина живих бића. Постоје бактерије које су способне да их фиксирају и убацују у тло или воду на начине које могу користити други организми.

Вода се еутрофикује обогаћивањем азотом и фосфором, у Лиллеу (север Француске). Аутор: Ф. ламиот (сопствени рад), са Викимедиа Цоммонс

Након тога, азот се асимилира од стране аутотрофичних организама. Већина хетеротрофних организама га добија кроз храну. Тада се вишак ослобађа у облику урина (сисари) или излучевина (птице).

У другој фази процеса постоје бактерије које учествују у трансформацији амонијака у нитрите и нитрате који су уграђени у тло. На крају циклуса, друга група микроорганизама користи кисеоник доступан у азотним једињењима при дисању. У том процесу они ослобађају азот назад у атмосферу.

Тренутно највећу количину азота који се користи у пољопривреди производи човјек. То је резултирало вишком овог елемента у тлима и изворима воде, што је узроковало неравнотежу у овом биогеохемијском циклусу.

Опште карактеристике

Порекло

Сматра се да је азот настао нуклеосинтезом (стварањем нових атомских језгара). Звезде са великом масом хелијума су достигле притисак и температуру неопходне да се формира азот.

Кад је Земља настала, азот је био у чврстом стању. Касније, вулканском активношћу, овај елемент је постао гасовито стање и уграђен је у атмосферу планете.

Азот је у облику Н ₂ . Вјероватно хемијске форме користе жива бића (НХ ₃ амонијак ) настало азота циклуса измедју мора и вулкани. На овај начин, НХ ₃ би био укључени у атмосферу и заједно са осталим елементима је довело до органских молекула.

Хемијске форме

Азот се јавља у различитим хемијским облицима, односи се на различита стања оксидације (губитак електрона) овог елемента. Ови различити облици се разликују како по карактеристикама тако и по понашању. Азотни гас (Н ₂ ) није оксидован.

Оксидирани облици се класификују у органске и неорганске. Органски облици се углавном налазе у аминокиселинама и протеинима. Неоргански државе су амонијак (НХ ₃ ), амонијум јон (НХ ₄ ), нитрити (НО ₂ ) и нитрати (НО ₃ ), између осталих.

Историја

Азот су 1770. године открили независно од три научника (Сцхееле, Рутхерфорд и Лавосиер). 1790. француски Цхаптал је тај гас назвао азотом.

У другој половини 19. века откривено је да је он битан састојак ткива живих организама и у расту биљака. Исто тако, било је доказано постојање сталног протока између органских и неорганских облика.

Извори азота су првобитно сматрани муњом и атмосферским таложењем. Године 1838. Боуссингаулт је утврдио биолошку фиксацију овог елемента у махунаркама. Затим, 1888., откривено је да су микроорганизми повезане са коренима легуминоза су одговорни за фиксирање Н ₂ .

Друго важно откриће било је постојање бактерија које су биле у стању да оксидују амонијак у нитрите. Као и друге групе које су нитрите трансформисале у нитрате.

Већ 1885., Гаион утврдили да друга група микроорганизама има способност да трансформише нитрати у Н ₂ . На такав начин да се може разумети азотни циклус на планети.

Агенцијски услови

Свим живим бићима је потребан азот за њихове виталне процесе, али не користе га сви на исти начин. Неке бактерије су способне да директно користе атмосферски азот. Други користе једињења азота као извор кисеоника.

Аутотрофични организми захтевају снабдевање у облику нитрата. Са своје стране, многи хетеротрофи могу да га користе само у облику амино група које добијају из своје хране.

Компоненте

-Резерве

Највећи природни извор азота је атмосфера, где се 78% овог елемента налази у гасовитом облику (Н ₂ ), са неким траговима азот-оксида и азот-моноксида.

Седиментне стијене садрже око 21% које се ослобађа веома споро. Преосталих 1% садржи органске материје и океане у облику органског азота, нитрата и амонијака.

-Учествовање микроорганизама

Постоје три врсте микроорганизама који учествују у азотном циклусу. То су фиксативи, нитрификатори и денитрификатори.

Бактерије које фиксирају Н

Они кодирају комплекс ензима нитрогеназе који су укључени у процес фиксације. Већина ових микроорганизама колонизира ризферу биљака и развија се у њиховим ткивима.

Најчешћи род бактерија за фиксирање је Рхизобиум, који је повезан са кореном махунарки. Постоје и други родови као што су Франкиа, Ностоц и Пасаспониа који стварају симбиозу са коренима других група биљака.

Цијанобактерије у слободном облику могу фиксирати атмосферски азот у воденом окружењу

Нитрификујуће бактерије

Постоје три врсте микроорганизама који су укључени у процес нитрификације. Ове бактерије су способне да оксидују амонијак или амонијум јоне који су присутни у земљишту. То су хемолиттрофни организми (способни да оксидирају неорганске материјале као извор енергије).

Бактерије разних родова интервенирају у процес секвенцијално. Нитросома и Нитроцистис оксидирају НХ3 и НХ4 у нитрите. Нитробацтер и Нитросоцоццус затим оксидују ово једињење у нитрате.

Током 2015. године откривена је још једна група бактерија која се умешала у овај процес. Они су у стању да директно оксидују амонијак у нитрате и налазе се у роду Нитроспира. Неке гљивице су такође способне за нитрификацију амонијака.

Денитрифицирајуће бактерије

Сугерисано је да је више од 50 различитих родова бактерија може смањити нитрати са Н ₂ . То се дешава у анаеробним условима (одсуство кисеоника).

Најчешћи денитрифицирајући родови су Алцалигенес, Парацоццус, Псеудомонас, Рхизобиум, Тхиобациллус и Тхиоспхаера. Већина ових група су хетеротрофи.

2006. године откривена је бактерија (Метхиломирабилис окифера) која је аеробна. Он је метанотрофан (добија угљен и енергију из метана) и способан је да добија кисеоник из процеса денитрификације.

Фазе

Циклус азота пролази кроз различите фазе његове мобилизације широм планете. Те фазе су:

Фиксација

То је претварање атмосферског азота у облике који се сматрају реактивним (које могу користити жива бића). Разбијање три обврзници садржаним у Н ₂ молекула захтева велику количину енергије и може се јавити на два начина: абиотичким или биотичких.

Циклус азота. Прерадио ИанЛебрел са слике Агенције за заштиту животне средине: хттп://ввв.епа.гов/маиа/хтмл/нитроген.хтмл, преко Викимедиа Цоммонс

Абиотска фиксација

Нитрати се добијају високоенергетском фиксацијом у атмосфери. Она долази од електричне енергије стреле и космичког зрачења.

Н ₂ комбинује са кисеоником, формирајући оксидиране облике азота као што је НО (азот диоксида) и НО ₂ (Нитроус Окиде). Касније се ова једињења кишом носе на површину земље као азотна киселина (ХНО ₃ ).

Високоенергетска фиксација укључује око 10% нитрата присутних у азотном циклусу.

Биотска фиксација

Изводе га микроорганизми у тлу. Ове бактерије су углавном повезане са кореном биљака. Процјењује се да годишње годишња фиксација азота буде око 200 милиона тона.

Атмосферски азот се претвара у амонијак. У првој фази реакције, Н ₂ се своди на НХ ₃ (амонијак). У овом облику је уграђена у аминокиселине.

У том процесу је укључен ензиматски комплекс са различитим центрима за редукцију оксидације. Овај комплекс нитрогеназе састоји се од редуктазе (обезбеђује електроне) и нитрогеназе. Потоњи усес Електрони смањити Н ₂ за НХ ₃ . У процесу се троши велика количина АТП-а.

Нитрогеназна комплекс неповратно инхибира у присуству високих концентрација О ₂ . У радикалним нодула, протеин (легхемоглобин) је присутне да држи О ₂ садржај Веома низак . Овај протеин се производи интеракцијом између корена и бактерија.

Асимилација

Биљке које немају симбиотску повезаност са бактеријама које учвршћују Н _2- узимају азот из земље. Апсорпција овог елемента се врши у облику нитрата кроз корење.

Једном када нитрати уђу у биљку, неке од њих користе ћелије корена. Други део се ксилемом дистрибуира целој биљци.

Када се користи, нитрат се редукује до нитрита у цитоплазми. Овај процес катализује ензим нитрат редуктаза. Нитрити се транспортују у хлоропласт и друге пластиде, где се редукују до амонијум-јона (НХ ₄ ).

Амонијум-јон у великим количинама је токсичан за биљку. Тако се брзо уграђује у карбонатне костуре да би се формирале аминокиселине и други молекули.

У случају потрошача, азот се добија храњењем директно из биљака или других животиња.

Аммонификација

У овом процесу, азотна једињења присутна у земљишту се разграђују на једноставније хемијске облике. Азот је садржан у мртвој органској материји и отпаду попут урее (урин сисара) или мокраћне киселине (птичје излучевине).

Азот садржан у овим супстанцама је у облику сложених органских једињења. Микроорганизми користе аминокиселине садржане у овим супстанцама за производњу својих протеина. У овом процесу, они ослобађају вишак азота у облику амонијака или амонијум јона.

Ова једињења су доступна у земљи како би остали микроорганизми могли деловати у следећим фазама циклуса.

Нитрификација

Током ове фазе, бактерије из земље оксидују амонијак и амонијум јоне. У процесу се ослобађа енергија коју бактерије користе у свом метаболизму.

У првом делу, нитрозификујуће бактерије рода Нитросомас оксидују амонијак и амонијум јоне до нитрита. Ензим амонијак мооксигеназа налази се у мембрани ових микроорганизама. Ова оксидира НХ ₃ на хидроксиламин, који се потом оксидује у нитрит у периплазми бактерија.

Након тога, нитрирајуће бактерије оксидирају нитрите у нитрате користећи ензим нитрит оксидоредуктазу. Нитрати остају доступни у тлу где их биљке могу апсорбирати.

Денитрификација

У овој фази, Оксидовани облици азота (нитрита и нитрата) су конвертовани назад Н ₂ и у мањем степену на нитро оксида.

Процес спроводе анаеробне бактерије, које користе азотна једињења као акцепторе електрона током дисања. Стопа денитрификације зависи од неколико фактора, као што су расположиви нитрати и засићеност тла и температура.

Када је тло засићено водом, О2 _више није лако доступан и бактерије користе НО ₃ као акцептор електрона. Када су температуре веома ниске, микроорганизми не могу да спроведу поступак.

Ова фаза је једини начин на који се азот уклања из екосистема. На овај начин, Н ₂ која је фиксна повратак у атмосферу и биланса овог елемента се одржава.

Значај

Овај циклус има велику биолошку важност. Као што смо претходно објаснили, азот је важан део живих организама. Кроз овај процес постаје биолошки употребљив.

У развоју усева, доступност азота је једно од главних ограничења продуктивности. Од почетка пољопривреде тло је обогаћено овим елементом.

Узгој махунарки ради побољшања квалитета тла уобичајена је пракса. Исто тако, садња риже на поплављеним тлима подстиче околинске услове потребне за употребу азота.

Током 19. века, гуано (птичје екскрете) се широко користио као спољни извор азота у усевима. Међутим, до краја овог века било је недовољно за повећање производње хране.

Немачки хемичар Фритз Хабер је крајем 19. века развио процес који је касније комерцијализовао Царло Босцх. Ово се састоји од реаговања Н ₂ и водоник гас да формирају амонијака. Познат је као Хабер-Босцх процес.

Овај облик вештачке производње амонијака један је од главних извора азота који могу користити жива бића. Сматра се да 40% светске популације зависи од ових ђубрива за своју храну.

Поремећаји азотног циклуса

Тренутна антропска производња амонијака износи око 85 тона годишње. Ово има негативне последице на азотни циклус.

Због велике употребе хемијских ђубрива долази до контаминације тла и водоносника. Сматра се да је више од 50% ове контаминације последица Хабер-Босцх синтезе.

Вишак азота доводи до еутрификације (обогаћивања храњивим тварима) водених тијела. Антропска еуутрификација је веома брза и узрокује убрзани раст углавном алги.

Конзумирају пуно кисеоника и могу акумулирати токсине. Остали организми присутни у екосистему због недостатка кисеоника на крају умиру.

Уз то, употреба фосилних горива ослобађа велику количину азотног оксида у атмосферу. Ово реагује са озоном и формира азотну киселину, која је једна од компоненти киселе кише.

Референце

1. Церон Л и Аристизабал (2012) Динамика циклуса азота и фосфора у тлима. Влч. Цоломб. Биотецхнол. 14: 285-295.
2. Еступинан Р анд Б Куесада (2010) Хабер-Босцхов процес у агро-индустријском друштву: опасности и алтернативе. Агрифоод систем: комодификација, борбе и отпор. Редакција ИЛСА. Богота Колумбија. 75-95
3. Галловаи ЈН (2003) Глобални циклус азота. У: Сцхелесингер В (ур.) Трактат о геохемији. Елсевиер, САД. п 557-583.
4. Галловаи ЈН (2005) Глобални циклус азота: прошлост, садашњост и будућност. Наука у Кини Сер Ц Лифе Сциенцес 48: 669-677.
5. Пајарес С (2016) Каскада азота изазвана људским активностима. Оикос 16: 14-17.
6. Стеин Л и М Клотз (2016) Азотни циклус. Тренутна биологија 26: 83-101.