Plik cykl azotu jest to proces przemieszczania się azotu między atmosferą a biosferą. Jest to jeden z najważniejszych cykli biogeochemicznych. Azot (N) jest pierwiastkiem o ogromnym znaczeniu, gdyż jest potrzebny wszystkim organizmom do ich wzrostu. Jest częścią składu chemicznego kwasów nukleinowych (DNA i RNA) oraz białek.
Największa ilość azotu na naszej planecie znajduje się w atmosferze. Azot atmosferyczny (Ndwa) nie może być używany bezpośrednio przez większość żywych istot. Istnieją bakterie zdolne do wiązania go i wprowadzania go do gleby lub wody w sposób, który może być wykorzystany przez inne organizmy..
Następnie azot jest asymilowany przez organizmy autotroficzne. Większość organizmów heterotroficznych nabywa go poprzez pożywienie. Następnie uwalniają nadmiary w postaci moczu (ssaki) lub odchodów (ptaki).
W innej fazie procesu występują bakterie, które biorą udział w przemianie amoniaku w azotyny i azotany, które dostają się do gleby. Pod koniec cyklu inna grupa mikroorganizmów wykorzystuje przy oddychaniu tlen dostępny w związkach azotowych. W tym procesie uwalniają azot z powrotem do atmosfery.
Obecnie najwięcej azotu wykorzystywanego w rolnictwie produkuje człowiek. Doprowadziło to do nadmiaru tego pierwiastka w glebach i źródłach wody, powodując zachwianie równowagi w tym cyklu biogeochemicznym..
Indeks artykułów
Uważa się, że azot powstał w wyniku nukleosyntezy (tworzenia nowych jąder atomowych). Gwiazdy o dużych masach helu osiągnęły ciśnienie i temperaturę niezbędne do powstania azotu.
Kiedy powstała Ziemia, azot znajdował się w stanie stałym. Później, wraz z aktywnością wulkaniczną, pierwiastek ten przeszedł w stan gazowy i został włączony do atmosfery planety..
Azot miał postać Ndwa. Prawdopodobnie formy chemiczne używane przez organizmy żywe (amoniak NH3) pojawiły się w wyniku obiegów azotu między morzem a wulkanami. W ten sposób NH3 zostałby włączony do atmosfery i razem z innymi pierwiastkami dałby początek cząsteczkom organicznym.
Azot występuje w różnych formach chemicznych, odnoszących się do różnych stopni utlenienia (utraty elektronów) tego pierwiastka. Te różne formy różnią się zarówno pod względem cech, jak i zachowania. Azot (Ndwa) nie jest zardzewiały.
Formy utlenione dzieli się na organiczne i nieorganiczne. Formy organiczne występują głównie w aminokwasach i białkach. Stanami nieorganicznymi są amoniak (NH3), jon amonowy (NH4), azotyny (NOdwa) i azotany (NO3), pośród innych.
Azot został odkryty w 1770 roku przez trzech niezależnych naukowców (Scheele, Rutherford i Lavosier). W 1790 roku francuski Chaptal nazwał gaz azotem.
W drugiej połowie XIX wieku stwierdzono, że jest niezbędnym składnikiem tkanek organizmów żywych i wzrostu roślin. Udowodniono również istnienie stałego przepływu między formami organicznymi i nieorganicznymi..
Początkowo uznawano, że źródłem azotu były wyładowania atmosferyczne i osady atmosferyczne. W 1838 roku Boussingault określił biologiczne wiązanie tego pierwiastka w roślinach strączkowych. Następnie, w 1888 roku, odkryto, że mikroorganizmy związane z korzeniami roślin strączkowych są odpowiedzialne za wiązanie Ndwa.
Innym ważnym odkryciem było istnienie bakterii zdolnych do utleniania amoniaku do azotynów. Jak również inne grupy, które przekształciły azotyny w azotany.
Już w 1885 roku Gayon ustalił, że inna grupa mikroorganizmów ma zdolność przekształcania azotanów w azotdwa. W taki sposób, aby można było zrozumieć obieg azotu na planecie.
Wszystkie żywe stworzenia potrzebują azotu do swoich procesów życiowych, ale nie wszystkie wykorzystują go w ten sam sposób. Niektóre bakterie są w stanie bezpośrednio wykorzystywać azot atmosferyczny. Inni używają związków azotu jako źródła tlenu.
Organizmy autotroficzne wymagają zaopatrzenia w azotany. Z drugiej strony wiele heterotrofów może go używać tylko w postaci grup aminowych, które otrzymują z pożywienia.
Największym naturalnym źródłem azotu jest atmosfera, w której 78% tego pierwiastka występuje w postaci gazowej (Ndwa), z pewnymi śladami podtlenku azotu i tlenku azotu.
Skały osadowe zawierają około 21%, które są uwalniane bardzo wolno. Pozostały 1% to materia organiczna i oceany w postaci organicznego azotu, azotanów i amoniaku.
Istnieją trzy rodzaje mikroorganizmów, które uczestniczą w cyklu azotowym. Są to utrwalacze, nitryfikatory i denitryfikatory.
Kodują kompleks enzymów azotaz, które biorą udział w procesie wiązania. Większość z tych mikroorganizmów kolonizuje ryzosferę roślin i rozwija się w ich tkankach..
Najczęstszym rodzajem bakterii utrwalających jest Rhizobium, co jest związane z korzeniami roślin strączkowych. Istnieją inne gatunki, takie jak Frankia, Nostoc Y rodzynki które tworzą symbiozę z korzeniami innych grup roślin.
Sinice w postaci wolnej mogą wiązać azot atmosferyczny w środowisku wodnym
W procesie nitryfikacji uczestniczą trzy rodzaje mikroorganizmów. Bakterie te są zdolne do utleniania amoniaku lub jonów amonowych obecnych w glebie. Są to organizmy chemolittroficzne (zdolne do utleniania materiałów nieorganicznych jako źródła energii).
Bakterie różnych rodzajów wchodzą w proces sekwencyjnie. Nitrosoma i Nitrocystis utleniają NH3 i NH4 do azotynów. Później Nitrobacter Y Nitrosococcus utlenia ten związek do azotanów.
W 2015 roku odkryto kolejną grupę bakterii, które interweniują w tym procesie. Są zdolne do bezpośredniego utleniania amoniaku do azotanów i należą do rodzaju Nitrospira. Niektóre grzyby są również zdolne do nitryfikacji amoniaku.
Sugerowano, że ponad 50 różnych rodzajów bakterii może redukować azotany do azotudwa. Dzieje się to w warunkach beztlenowych (brak tlenu).
Najczęstsze rodzaje denitryfikacji to Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus Y Thiosphaera. Większość z tych grup to heterotrofy.
W 2006 roku bakteria (Methylomirabilis oxyfera), który jest aerobowy. Jest metanotroficzny (pozyskuje węgiel i energię z metanu) i jest zdolny do pozyskiwania tlenu w procesie denitryfikacji..
Cykl azotu przechodzi przez kilka etapów w swojej mobilizacji na całej planecie. Te fazy to:
Jest to konwersja azotu atmosferycznego do form uważanych za reaktywne (które mogą być wykorzystywane przez żywe istoty). Zerwanie trzech wiązań zawartych w cząsteczce N.dwa wymaga dużej ilości energii i może występować na dwa sposoby: abiotyczny lub biotyczny.
Azotany uzyskuje się przez wysokoenergetyczne wiązanie w atmosferze. Pochodzi z energii elektrycznej błyskawicy i promieniowania kosmicznego.
Następniedwa łączy się z tlenem, tworząc utlenione formy azotu, takie jak NO (dwutlenek azotu) i NOdwa (podtlenek azotu). Następnie związki te są przenoszone na powierzchnię ziemi przez deszcz w postaci kwasu azotowego (HNO3).
Wiązanie wysokoenergetyczne obejmuje około 10% azotanów obecnych w obiegu azotu.
Jest to przeprowadzane przez mikroorganizmy w glebie. Bakterie te są generalnie związane z korzeniami roślin. Szacuje się, że roczne wiązanie azotu biotycznego wynosi około 200 milionów ton rocznie.
Azot atmosferyczny przekształca się w amoniak. W pierwszej fazie reakcji Ndwa jest zredukowana do NH3 (amoniak). W tej postaci jest wbudowywany w aminokwasy.
W procesie tym zaangażowany jest kompleks enzymatyczny z różnymi centrami utleniania-redukcji. Ten kompleks azotazy składa się z reduktazy (dostarcza elektronów) i azotazy. Ten ostatni wykorzystuje elektrony do redukcji N.dwa do NH3. W procesie tym zużywa się dużą ilość ATP.
Kompleks azotazy jest nieodwracalnie hamowany w obecności wysokich stężeń O.dwa. W guzkach rodnikowych obecne jest białko (leghemoglobina), które utrzymuje zawartość O na bardzo niskim poziomie.dwa. Białko to jest wytwarzane w wyniku interakcji między korzeniami a bakteriami.
Rośliny, które nie mają symbiotycznego związku z bakteriami wiążącymi azotdwa, pobierają azot z gleby. Wchłanianie tego pierwiastka odbywa się w postaci azotanów przez korzenie.
Gdy azotany dostaną się do rośliny, część z nich jest wykorzystywana przez komórki korzeni. Kolejna część jest rozprowadzana przez ksylem na całą roślinę.
Kiedy ma być stosowany, azotan jest redukowany do azotynów w cytoplazmie. Proces ten jest katalizowany przez enzym reduktazę azotanową. Azotyny są transportowane do chloroplastów i innych plastydów, gdzie są redukowane do jonu amonowego (NH4).
Jon amonowy w dużych ilościach jest toksyczny dla rośliny. Więc jest szybko wbudowywany w szkielety węglanowe, tworząc aminokwasy i inne cząsteczki..
W przypadku konsumentów azot pozyskiwany jest poprzez żywienie bezpośrednio z roślin lub innych zwierząt.
W tym procesie związki azotowe obecne w glebie ulegają degradacji do prostszych form chemicznych. Azot jest zawarty w martwej materii organicznej i odpadach, takich jak mocznik (mocz ssaków) lub kwas moczowy (odchody ptaków).
Azot zawarty w tych substancjach ma postać złożonych związków organicznych. Mikroorganizmy wykorzystują aminokwasy zawarte w tych substancjach do produkcji swoich białek. W tym procesie uwalniają nadmiar azotu w postaci amoniaku lub jonu amonowego..
Związki te są dostępne w glebie dla innych mikroorganizmów do działania w kolejnych fazach cyklu.
W tej fazie bakterie glebowe utleniają amoniak i jon amonowy. W trakcie tego procesu uwalniana jest energia, która jest wykorzystywana przez bakterie w ich metabolizmie..
W pierwszej części bakterie nitrozyfikujące z rodzaju Nitrosomy utleniają amoniak i jon amonowy do azotynów. Enzym mooksygenaza amoniaku znajduje się w błonie tych mikroorganizmów. Utlenia NH3 do hydroksyloaminy, która jest następnie utleniana do azotynu w peryplazmie bakterii.
Następnie bakterie nitrujące utleniają azotyny do azotanów za pomocą enzymu oksydoreduktazy azotynowej. Azotany pozostają dostępne w glebie, skąd mogą zostać wchłonięte przez rośliny.
Na tym etapie utlenione formy azotu (azotyny i azotany) są ponownie przekształcane w azotdwa iw mniejszym stopniu podtlenek azotu.
Proces ten przeprowadzają bakterie beztlenowe, które podczas oddychania wykorzystują związki azotowe jako akceptory elektronów. Szybkość denitryfikacji zależy od kilku czynników, takich jak dostępność azotanów oraz nasycenie gleby i temperatura..
Kiedy gleba jest nasycona wodą, Odwa nie jest już łatwo dostępny, a bakterie używają NIE3 jako akceptor elektronów. Przy bardzo niskich temperaturach mikroorganizmy nie mogą przeprowadzić tego procesu.
Ta faza to jedyny sposób, w jaki azot jest usuwany z ekosystemu. W ten sposób Ndwa to, co zostało naprawione, powraca do atmosfery, a równowaga tego elementu zostaje zachowana.
Ten cykl ma wielkie znaczenie biologiczne. Jak wyjaśniliśmy wcześniej, azot jest ważną częścią organizmów żywych. Dzięki temu procesowi staje się użyteczna biologicznie.
W rozwoju upraw dostępność azotu jest jednym z głównych ograniczeń produktywności. Od początku rolnictwa wzbogacano glebę w ten pierwiastek.
Uprawa roślin strączkowych w celu poprawy jakości gleby jest powszechną praktyką. Podobnie, siew ryżu na zalanych glebach sprzyja warunkom środowiskowym niezbędnym do wykorzystania azotu..
W XIX wieku guano (ptasie odchody) było szeroko stosowane jako zewnętrzne źródło azotu w uprawach. Jednak pod koniec tego stulecia nie wystarczyło to na zwiększenie produkcji żywności.
Niemiecki chemik Fritz Haber pod koniec XIX wieku opracował proces, który później został skomercjalizowany przez Carlo Boscha. Polega to na przereagowaniu Ndwa i gazowy wodór z wytworzeniem amoniaku. Jest znany jako proces Habera-Boscha.
Ta forma sztucznej produkcji amoniaku jest jednym z głównych źródeł azotu, z którego mogą korzystać żywe istoty. Uważa się, że 40% światowej populacji jest uzależnione od tych nawozów w żywności.
Obecna antropiczna produkcja amoniaku wynosi około 85 ton rocznie. Ma to negatywne konsekwencje dla cyklu azotowego..
Ze względu na duże wykorzystanie nawozów chemicznych dochodzi do zanieczyszczenia gleb i warstw wodonośnych. Uważa się, że ponad 50% tego zanieczyszczenia jest konsekwencją syntezy Habera-Boscha.
Nadmiar azotu prowadzi do odżywiania (wzbogacania składników odżywczych) zbiorników wodnych. Euutrifikacja antropiczna jest bardzo szybka i powoduje przyspieszony wzrost, głównie glonów.
Zużywają dużo tlenu i mogą gromadzić toksyny. Z powodu braku tlenu inne organizmy obecne w ekosystemie giną.
Ponadto użycie paliw kopalnych powoduje uwolnienie do atmosfery dużej ilości podtlenku azotu. Reaguje z ozonem i tworzy kwas azotowy, który jest jednym ze składników kwaśnych deszczy..
Jeszcze bez komentarzy