АЗОТЕН ЦИКЪЛ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕЗЕРВОАРИ И ЕТАПИ - ОКОЛЕН СВЯТ - 2025

В цикъл азот е процес на движение азот между атмосферата и биосферата. Това е един от най-подходящите биогеохимични цикли. Азотът (N) е елемент от голямо значение, тъй като се изисква от всички организми за техния растеж. Той е част от химичния състав на нуклеиновите киселини (ДНК и РНК) и протеини.

Най-голямото количество азот на планетата е в атмосферата. Атмосферния азот (N ₂) не може да се използва директно от повечето живи същества. Има бактерии, способни да го фиксират и включат в почвата или водата по начини, които могат да бъдат използвани от други организми.

Водно тяло, еутрофирано чрез обогатяване с азот и фосфор, в Лил (Северна Франция). Автор: F. lamiot (собствена творба), от Wikimedia Commons

Впоследствие азотът се асимилира от автотрофни организми. Повечето хетеротрофни организми го придобиват чрез храната. Тогава те отделят излишъка под формата на урина (бозайници) или екскременти (птици).

В друга фаза на процеса има бактерии, които участват в превръщането на амоняка в нитрити и нитрати, които се влагат в почвата. И в края на цикъла друга група микроорганизми използват кислорода, наличен в азотни съединения при дишане. При този процес те отделят азот обратно в атмосферата.

В момента най-голямото количество азот, използван в селското стопанство, се произвежда от хората. Това доведе до излишък на този елемент в почвите и водните източници, което води до дисбаланс в този биогеохимичен цикъл.

Основни характеристики

произход

Счита се, че азотът е възникнал от нуклеосинтеза (създаване на нови атомни ядра). Звезди с големи маси от хелий достигат налягането и температурата, необходими за образуването на азот.

Когато Земята произхожда, азотът е в твърдо състояние. По-късно, с вулканична активност, този елемент се превръща в газообразно състояние и е включен в атмосферата на планетата.

Азот беше под формата на N ₂. Вероятно химическите форми, използвани от живите същества (NH ₃ амоняк), се появяват от азотните цикли между морето и вулканите. По този начин, NH ₃ да са включени в атмосферата и заедно с други елементи породи органични молекули.

Химически форми

Азотът се среща в различни химични форми, отнасящи се до различни състояния на окисляване (загуба на електрони) на този елемент. Тези различни форми варират както по своите характеристики, така и по поведение. Азотен газ (N ₂) не се окислява.

Окислените форми се класифицират в органични и неорганични. Органичните форми се срещат главно в аминокиселини и протеини. Неорганичните страни са амоняк (NH ₃), амониев йон (NH ₄), нитрили (NO ₂) и нитрати (NO ₃), между другото.

история

Азотът е открит през 1770 г. от трима учени независимо (Scheele, Rutherford и Lavosier). През 1790 г. френският Chaptal определя газа като азот.

През втората половина на 19 век е установено, че е основен компонент в тъканите на живите организми и в растежа на растенията. По същия начин е доказано наличието на постоянен поток между органични и неорганични форми.

Първоначално източниците на азот се считат за мълния и атмосферно отлагане. През 1838 г. Boussingault определя биологичната фиксация на този елемент в бобовите растения. След това, през 1888 г., е установено, че микроорганизмите, свързани с корените на бобовите растения са отговорни за фиксиране на N ₂.

Друго важно откритие е съществуването на бактерии, които са способни да окисляват амоняка до нитрити. Както и други групи, които трансформираха нитритите в нитрати.

Още в 1885 г., Gayon определено, че друга група от микроорганизми има способността да трансформират нитрати в N ₂. По такъв начин, че да може да се разбере азотният цикъл на планетата.

Изискване на агенцията

Всички живи същества се нуждаят от азот за жизнените си процеси, но не всички го използват по един и същи начин. Някои бактерии са в състояние директно да използват атмосферен азот. Други използват азотни съединения като източник на кислород.

Автотрофните организми изискват снабдяване под формата на нитрати. От своя страна много хетеротрофи могат да го използват само под формата на амино групи, които получават от храната си.

елементи

-Reserves

Най-големият природен източник на азот е атмосферата, където 78% от този елемент се намира в газообразна форма (N ₂), с някои следи от азотен оксид и азотен моноксид.

Утаените скали съдържат приблизително 21%, който се отделя много бавно. Останалите 1% се съдържат в органичната материя и океаните под формата на органичен азот, нитрати и амоняк.

-Участващи микроорганизми

Има три вида микроорганизми, които участват в азотния цикъл. Това са фиксиращи, нитрификатори и денитрификатори.

N-фиксиращи бактерии

Те кодират комплекс от нитрогеназни ензими, които участват в процеса на фиксиране. Повечето от тези микроорганизми колонизират ризосферата на растенията и се развиват в техните тъкани.

Най-разпространеният род на фиксиращите бактерии е Rhizobium, който се свързва с корените на бобовите растения. Има и други родове като Frankia, Nostoc и Pasasponia, които правят симбиоза с корени на други групи растения.

Цианобактериите в свободна форма могат да фиксират атмосферния азот във водни среди

Нитрифициращи бактерии

Има три вида микроорганизми, участващи в процеса на нитрификация. Тези бактерии са способни да окисляват амоняка или присъстващия в почвата амониев йон. Те са хемолитрофни организми (способни да окисляват неорганични материали като източник на енергия).

В процеса последователно се намесват бактерии от различни родове. Нитрозома и нитроцистис окисляват NH3 и NH4 до нитрити. След това Nitrobacter и Nitrosococcus окисляват това съединение до нитрати.

През 2015 г. беше открита друга група бактерии, които се намесват в този процес. Те са способни директно да окисляват амоняка до нитрати и са разположени в рода на Нитроспира. Някои гъбички също са способни да нитрифицират амоняка.

Денитрифициращи бактерии

Предполага се, че повече от 50 различни родове на бактерии може да намали нитрати до N ₂. Това се случва при анаеробни условия (липса на кислород).

Най-често срещаните денитрифициращи родове са Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus и Thiosphaera. Повечето от тези групи са хетеротрофи.

През 2006 г. е открита бактерия (Methylomirabilis oxyfera), която е аеробна. Той е метанотрофен (получава въглерод и енергия от метан) и е способен да получава кислород от процеса на денитрификация.

Етапи

Азотният цикъл преминава през различни етапи от своята мобилизация в цялата планета. Тези фази са:

фиксиране

Това е превръщането на атмосферния азот във форми, считани за реактивни (които могат да бъдат използвани от живи същества). Нарушаването на трите връзки, съдържащи се в N на ₂ молекула изисква голямо количество енергия и може да възникне по два начина: абиотични или биотични.

Цикъл на азот. Преработено от YanLebrel от изображение от Агенцията за опазване на околната среда: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, чрез Wikimedia Commons

Абиотична фиксация

Нитратите се получават чрез високоенергийна фиксация в атмосферата. Той идва от електрическата енергия на мълния и космическо излъчване.

N ₂ се комбинира с кислород, за да се образува оксидирани форми на азот като NO (азотен диоксид) и NO ₂ (азотен оксид). По-късно тези съединения се пренасят на земната повърхност чрез дъжд като азотна киселина (HNO ₃).

Фиксирането с висока енергия включва приблизително 10% от нитратите, присъстващи в азотния цикъл.

Биотична фиксация

Извършва се от микроорганизми в почвата. Тези бактерии обикновено се свързват с корените на растенията. Годишната биотична фиксация на азот се изчислява на около 200 милиона тона годишно.

Атмосферният азот се трансформира в амоняк. В първата фаза на реакцията, N ₂ се редуцира до NH ₃ (амоняк). В тази форма той се включва в аминокиселини.

В този процес се включва ензимен комплекс с различни окислително-редукционни центрове. Този нитрогеназен комплекс е съставен от редуктаза (осигурява електрони) и нитрогеназа. Той използва електрони, за да се намали N ₂ до NH ₃. В процеса се консумира голямо количество АТФ.

Комплекс азотсъдържаща е необратимо инхибира в присъствието на високи концентрации на О ₂. В радикални възли, протеин (leghemoglobin) присъства, която поддържа О ₂ съдържанието много ниска. Този протеин се произвежда от взаимодействието между корените и бактериите.

асимилация

Растенията, които нямат симбиотична връзка с N _2- фиксиращи бактерии, поемат азот от почвата. Усвояването на този елемент се извършва под формата на нитрати през корените.

След като нитратите влязат в растението, част от него се използва от кореновите клетки. Друга част се разпределя от ксилема към цялото растение.

Когато трябва да се използва, нитратът се редуцира до нитрит в цитоплазмата. Този процес се катализира от ензима нитрат редуктаза. Нитритите се транспортират до хлоропласти и други пластиди, където се редуцират до амониевия йон (NH ₄).

Амониевият йон в големи количества е токсичен за растението. Така той бързо се включва в карбонатните скелети, за да образува аминокиселини и други молекули.

При потребителите азотът се получава чрез хранене директно от растения или други животни.

Ammonification

При този процес азотните съединения, присъстващи в почвата, се разграждат до по-прости химични форми. Азотът се съдържа в мъртва органична материя и отпадъци като урея (урина от бозайници) или пикочна киселина (екскременти на птици).

Азотът, съдържащ се в тези вещества, е под формата на сложни органични съединения. Микроорганизмите използват аминокиселините, съдържащи се в тези вещества, за да произвеждат своите протеини. При този процес те отделят излишък от азот под формата на амоняк или амониев йон.

Тези съединения са налични в почвата, за да могат други микроорганизми да действат в следващите фази на цикъла.

нитрификация

По време на тази фаза почвените бактерии окисляват амоняка и амониевия йон. В процеса се отделя енергия, която се използва от бактериите в техния метаболизъм.

В първата част нитрозиращите бактерии от рода Nitrosomas окисляват амоняка и амониевия йон до нитрити. Ензимът амонячна мооксигеназа се намира в мембраната на тези микроорганизми. Това окислява NH ₃ до хидроксиламин, който след това се окислява до нитрит в периплазмата на бактериите.

Впоследствие нитриращите бактерии окисляват нитритите до нитрати, използвайки ензима нитритна оксидоредуктаза. Нитратите остават на разположение в почвата, където могат да бъдат абсорбирани от растенията.

Денитрификацията

В този етап, оксидирани форми на азота (нитрити и нитрати) се превръщат обратно в N ₂ и в по-малка степен на азотен оксид.

Процесът се осъществява от анаеробни бактерии, които използват азотни съединения като приемници на електрон по време на дишането. Степента на денитрификация зависи от няколко фактора, като налични нитрати и насищане на почвата и температура.

Когато почвата е наситен с вода, O _{2 не е} вече наличен и бактерии използват NO ₃ като електронен акцептор. Когато температурите са много ниски, микроорганизмите не могат да извършат процеса.

Тази фаза е единственият начин, по който азотът се отстранява от екосистема. По този начин, на N ₂, който е фиксиран връща в атмосферата и баланс на този елемент се поддържа.

важност

Този цикъл има голямо биологично значение. Както обяснихме по-рано, азотът е важна част от живите организми. Чрез този процес той става биологично използваем.

При развитието на културите наличието на азот е едно от основните ограничения на производителността. От началото на земеделието почвата е обогатена с този елемент.

Отглеждането на бобови растения за подобряване на качеството на почвата е често срещана практика. По същия начин, засаждането на ориз в наводнени почви насърчава условията на околната среда, необходими за използването на азот.

През 19-ти век гуано (птичи екскременти) се използва широко като външен източник на азот в културите. До края на този век обаче това е недостатъчно за увеличаване на производството на храни.

Немският химик Фриц Хабер в края на 19 век разработва процес, който по-късно се комерсиализира от Карло Бош. Той се състои от взаимодействие на N ₂ и водороден газ за образуване на амоняк. Известен е като процес Хабер-Бош.

Тази форма на изкуствено производство на амоняк е един от основните източници на азот, който може да бъде използван от живи същества. Счита се, че 40% от световното население зависи от тези торове за храната си.

Нарушения на азотния цикъл

Сегашното антропно производство на амоняк е приблизително 85 тона годишно. Това има отрицателни последствия върху азотния цикъл.

Поради високата употреба на химически торове, има замърсяване на почви и водоносни хоризонти. Счита се, че повече от 50% от това замърсяване е следствие от синтеза на Хабер-Бош.

Излишъкът на азот води до еутрификация (обогатяване с хранителни вещества) на водни тела. Антропната евтрификация е много бърза и предизвиква ускорен растеж главно на водорасли.

Те консумират много кислород и могат да натрупват токсини. Поради липсата на кислород останалите организми, присъстващи в екосистемата, в крайна сметка умират.

Освен това използването на изкопаеми горива отделя голямо количество азотен оксид в атмосферата. Това реагира с озон и образува азотна киселина, която е един от компонентите на киселинния дъжд.

Препратки

1. Cerón L и A Aristizábal (2012) Динамика на азотния и фосфорния цикъл в почвите. Преподобни Коломб. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R и B Quesada (2010) процесът Хабер-Бош в агро-индустриалното общество: опасности и алтернативи. Агрифуд система: комодификация, борби и съпротива. Редакция на ILSA. Богота Колумбия. 75-95
3. Galloway JN (2003) Глобалният азотен цикъл. В: Трактат по геохимия на Schelesinger W (съст.). Elsevier, САЩ. с. 557-583.
4. Galloway JN (2005) Глобалният азотен цикъл: минало, настояще и бъдеще. Науки в Китай Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Азотната каскада, причинена от човешки дейности. Ойкос 16: 14-17.
6. Stein L и M Klotz (2016) Азотният цикъл. Текуща биология 26: 83-101.