- Általános tulajdonságok
- Eredet
- Kémiai formák
- Történelem
- Ügynökség követelménye
- Alkatrészek
- -Reserves
- - Résztvevő mikroorganizmusok
- N-rögzítő baktériumok
- Nitrifikáló baktériumok
- Denitrifikáló baktériumok
- Szakasz
- Rögzítés
- Abiotikus rögzítés
- Biotikus rögzítés
- Asszimiláció
- ammonifikáció
- Nitrifikálás
- denitrifikáció
- fontosság
- Nitrogén-ciklus zavarok
- Irodalom
A nitrogénciklus a nitrogén mozgása a légkör és a bioszféra között. Ez az egyik legrelevánsabb biogeokémiai ciklus. A nitrogén (N) nagy jelentőségű elem, mivel minden szervezetnek szüksége van növekedésére. Ez a nukleinsavak (DNS és RNS) és fehérjék kémiai összetételének része.
A bolygón a legtöbb nitrogén van a légkörben. A légköri nitrogént (N 2) a legtöbb élő anyag nem tudja közvetlenül felhasználni. Vannak baktériumok, amelyek képesek rögzíteni és beépíteni a talajba vagy a vízbe oly módon, hogy más szervezetek használhassák.
Nitrogén- és foszfordúsítással eutrofizált víztest Lille-ben (Franciaország északi része). Szerző: F. lamiot (saját mű), a Wikimedia Commonsból
Ezt követően az nitrogént az autotrofikus szervezetek asszimilálják. A legtöbb heterotróf organizmus élelmezés útján nyeri el. Ezután felszabadítják a felesleget vizelet (emlősök) vagy ürülék (madarak) formájában.
A folyamat egy másik szakaszában vannak baktériumok, amelyek részt vesznek az ammónia nitritekké és nitrátokká történő átalakulásában, amelyek beépülnek a talajba. A ciklus végén a mikroorganizmusok egy másik csoportja a nitrogéntartalmú vegyületekben rendelkezésre álló oxigént használja a légzéshez. Ebben a folyamatban a nitrogén visszajut a légkörbe.
Jelenleg a mezõgazdaságban felhasznált legtöbb nitrogént az emberek termelik. Ennek eredményeként a talajban és a vízforrásokban ez az elem túlzott volt, ami kiegyensúlyozatlanságot okozott ebben a biogeokémiai ciklusban.
Általános tulajdonságok
Eredet
A nitrogént úgy tekintik, hogy nukleoszintézisből származik (új atommagok jönnek létre). A nagy héliumtömegű csillagok elérték a nitrogén kialakulásához szükséges nyomást és hőmérsékletet.
Amikor a Föld származott, a nitrogén szilárd állapotban volt. Később, a vulkáni aktivitással, ez az elem gáz halmazállapotúvá vált és beépült a bolygó légkörébe.
Nitrogént formájában N 2. Valószínűleg az élőlények kémiai formái (NH 3 ammónia) nitrogénciklusokban jelentkeztek a tenger és a vulkánok között. Ezen a módon, NH 3 volna építeni a hangulat és más elemekkel együtt vezetett szerves molekulák.
Kémiai formák
A nitrogén különféle kémiai formákban fordul elő, utalva ennek az elemnek a különböző oxidációs állapotaira (elektronvesztés). Ezek a különféle formák jellemzõikben és viselkedésükben is különböznek. A nitrogén (N 2) nem oxidálódik.
Az oxidált formákat szerves és szervetlen osztályokba sorolják. A szerves formák főként az aminosavakban és a fehérjékben fordulnak elő. A szervetlen államok ammónia (NH 3), ammónium-ion (NH 4), nitritek (NO 2) és a nitrátok (NO 3), többek között.
Történelem
A nitrogént 1770-ben három független kutató fedezte fel (Scheele, Rutherford és Lavosier). 1790-ben a francia kápolna nitrogénnek nevezte el a gázt.
A 19. század második felében azt találták, hogy az élő szervezetek szöveteinek és a növények növekedésének alapvető alkotóeleme. Hasonlóképpen, a szerves és szervetlen formák közötti állandó áramlás meglétét igazolják.
A nitrogénforrásokat eredetileg villámlásnak és légköri lerakódásnak tekintették. 1838-ban Boussingault meghatározta ezen elem biológiai rögzítését a hüvelyesekben. Ezután, 1888-ban, azt találtuk, hogy a mikroorganizmusok társított gyökerei hüvelyesek voltak felelősek a rögzítés N 2.
Egy másik fontos felfedezés olyan baktériumok létezése volt, amelyek képesek az ammóniát nitritekké oxidálni. Csakúgy, mint más olyan csoportok, amelyek nitriteket nitrátokká alakítottak.
Gayon már 1885-ben megállapította, hogy egy másik mikroorganizmus-csoport képes nitrátokat N 2 -vé alakítani. Így lehetne megérteni a bolygó nitrogénciklusát.
Ügynökség követelménye
Minden élőlénynek szüksége van nitrogénre létfontosságú folyamataikhoz, de nem mindegyik használja ugyanúgy. Egyes baktériumok képesek közvetlenül a légköri nitrogént felhasználni. Mások nitrogénvegyületeket használnak oxigénforrásként.
Az autotróf organizmusok nitrát formájában táplálkoznak. A maga részéről sok heterotróf csak aminocsoportok formájában használhatja fel, amelyeket az élelmükből kapnak.
Alkatrészek
-Reserves
A nitrogén legnagyobb természetes forrása a légkör, ahol ennek az elemnek 78% -a található gáz halmazállapotban (N 2), némi nitrogén-monoxid és nitrogén-monoxid nyomdal.
Az üledékes kőzetek körülbelül 21% -át tartalmazzák, amely nagyon lassan szabadul fel. A fennmaradó 1% -ot szerves anyagok és óceánok tartalmazzák szerves nitrogén, nitrátok és ammónia formájában.
- Résztvevő mikroorganizmusok
Háromféle mikroorganizmus létezik, amelyek részt vesznek a nitrogénciklusban. Ezek fixáló-, nitrifikáló- és denitrifizálószerek.
N-rögzítő baktériumok
Ezek a nitrogénáz enzimek komplexét kódolják, amelyek részt vesznek a rögzítési folyamatban. Ezeknek a mikroorganizmusoknak a többsége a növények rizoszféráját gyarmatosítja és szöveteiben fejlődik.
A rögzítő baktériumok leggyakoribb nemzetsége a Rhizobium, amely a hüvelyesek gyökereihez kapcsolódik. Vannak más nemzetségek is, például Frankia, Nostoc és Pasasponia, amelyek szimbiózist okoznak más növénycsoportok gyökereivel.
A szabad formában lévõ cianobaktériumok rögzíthetik a légköri nitrogént a vízi környezetben
Nitrifikáló baktériumok
Háromféle mikroorganizmus vesz részt a nitrifikációs folyamatban. Ezek a baktériumok képesek oxidálni a talajban lévő ammóniát vagy ammóniumiont. Ezek kemolitrofikus organizmusok (energiaforrásként képesek oxidálni a szervetlen anyagokat).
Különböző nemzetségek baktériumai lépnek be egymás után. A nitrosoma és a nitrocisztid az NH3-t és az NH4-t nitritekké oxidálja. A Nitrobacter és a Nitrosococcus ezt a vegyületet nitrátokké oxidálja.
2015-ben felfedezték a baktériumok egy másik csoportját, amely beavatkozik ebbe a folyamatba. Képesek az ammóniát nitrátokké közvetlenül oxidálni, és a Nitrospira nemzetségben helyezkednek el. Egyes gombák az ammónia nitrifikálására is képesek.
Denitrifikáló baktériumok
Azt javasolták, hogy több mint 50 különféle baktérium nemzetség képes redukálni a nitrátokat N 2 -re. Ez anaerob körülmények között fordul elő (oxigén hiánya).
A leggyakoribb denitrifikáló nemzetségek az Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus és Thiosphaera. Ezeknek a csoportoknak a többsége heterotróf.
2006-ban felfedezték az aerob baktériumot (Methylomirabilis oxyfera). Metanotróf (szén- és energiát nyer a metánból), és képes oxigént előállítani a denitrifikációs folyamat során.
Szakasz
A nitrogénciklus a bolygón keresztüli mozgósításának különböző szakaszaion megy keresztül. Ezek a fázisok:
Rögzítés
Ez a légköri nitrogén átalakulása reaktívnak tekinthető formákká (amelyeket az élőlények használhatnak). A törés a három kötéssel tartalmazott az N 2 molekula igényel nagy mennyiségű energiát, és előfordulhat két módon: abiotikus vagy biotikus.
A nitrogén ciklusa. Átdolgozta YanLebrel a Környezetvédelmi Ügynökség képéből: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, a Wikimedia Commons segítségével
Abiotikus rögzítés
A nitrátokat nagy energiájú rögzítés útján nyerik a légkörben. A villám és a kozmikus sugárzás elektromos energiájából származik.
N 2 egyesíti képező oxigénatommal oxidált formái nitrogén, mint például NO (nitrogén-dioxid) és NO 2 (dinitrogén-oxid). Később ezeket a vegyületeket az eső salétromsav (HNO 3) formájában továbbítja a föld felszínére.
A nagy energiájú rögzítés körülbelül 10% -át beépíti a nitrogénciklusban jelenlévő nitrátokba.
Biotikus rögzítés
A talajban található mikroorganizmusok hajtják végre. Ezeket a baktériumokat általában a növények gyökereivel társítják. A biotikus nitrogén éves megkötése körülbelül 200 millió tonna évente.
A légköri nitrogén ammóniává alakul. Az első fázisban a reakciót, N 2 redukáljuk NH 3 (ammónia). Ebben a formában beépül az aminosavakba.
Ebben a folyamatban egy különféle oxidációs-redukciós központokkal rendelkező enzimatikus komplex vesz részt. Ez a nitrogázkomplex reduktázból (elektronokat szolgáltat) és nitrogázból áll. Az utóbbi felhasználások elektronok csökkentésére N 2 NH 3. A folyamat során nagy mennyiségű ATP-t fogyasztanak.
A nitrogenáz komplex irreverzíbilisen gátolja jelenlétében nagy koncentrációban O 2. A radikális csomókban olyan protein (leghemoglobin) van jelen, amely az O 2 -tartalmat nagyon alacsonyan tartja. Ezt a fehérjét a gyökerek és a baktériumok kölcsönhatása által termelik.
Asszimiláció
Növények, amelyek nem rendelkeznek a szimbiotikus szövetség N 2- rögzítéséről baktériumok veszi nitrogént a talajban. Ennek az elemnek a felszívódását a gyökereken keresztül nitrátok formájában végzik.
Amint a nitrátok belépnek a növénybe, annak egy részét a gyökérsejtek használják fel. Egy másik részet a xylem oszt el az egész növényre.
Használatakor a nitrát nitritre redukálódik a citoplazmában. Ezt a folyamatot a nitrát-reduktáz enzim katalizálja. Nitritek szállítják kloroplasztisz és más plasztidok, ahol csökken az ammónium-ion (NH 4).
Az ammónium-ion nagy mennyiségben mérgező a növényre. Tehát gyorsan beépül a karbonátvázakba aminosavak és más molekulák képzésére.
A fogyasztók esetében a nitrogént közvetlenül növényekből vagy más állatokból történő takarmányozással nyerik.
ammonifikáció
Ebben a folyamatban a talajban lévő nitrogéntartalmú vegyületeket egyszerűbb kémiai formákra bontják. A nitrogént a halott szerves anyagok tartalmazzák és olyan hulladékok, mint a karbamid (emlősök vizelete) vagy húgysav (madár ürülék).
Az ezekben az anyagokban található nitrogén komplex szerves vegyületek formájában van. A mikroorganizmusok ezekben az anyagokban található aminosavakat használják fehérjék előállítására. Ebben a folyamatban felesleges nitrogént bocsátanak ki ammónia vagy ammónium-ion formájában.
Ezek a vegyületek a talajban rendelkezésre állnak más mikroorganizmusok számára, hogy a ciklus következő szakaszaiban működjenek.
Nitrifikálás
Ebben a fázisban a talajbaktériumok az ammóniát és az ammóniumiont oxidálják. A folyamat során felszabadul az energia, amelyet a baktériumok felhasználnak az anyagcseréhez.
Az első részben a Nitrosomas nemzetség nitrozáló baktériumai az ammóniát és az ammónium-ionot nitritré oxidálják. Az ammónia-mooxigenáz enzim megtalálható ezen mikroorganizmusok membránjában. Ez az NH3- at hidroxil- aminrá oxidálja, amelyet nitritekké oxidálnak a baktériumok periplazmájában.
Ezt követően a nitráló baktériumok a nitriteket nitrátoxidokká oxidálják a nitritoxidoreduktáz enzim felhasználásával. A nitrátok továbbra is rendelkezésre állnak a talajban, ahol a növények felszívhatják azokat.
denitrifikáció
Ebben a szakaszban a nitrogén oxidált formái (nitritek és nitrátok) visszaalakulnak N 2 -ré és kisebb mértékben nitrogén-monoxiddá.
A folyamatot anaerob baktériumok hajtják végre, amelyek nitrogéntartalmú vegyületeket használnak elektronakceptorként a légzés során. A denitrifikációs sebesség számos tényezőtől függ, például a rendelkezésre álló nitrát- és talajtelítettségtől és hőmérséklettől.
Amikor a talaj vízzel telített, az O 2 már nem áll rendelkezésre, és a baktériumok NO 3-at használnak elektronakceptorként. Ha a hőmérséklet nagyon alacsony, a mikroorganizmusok nem tudják végrehajtani a folyamatot.
Ez a fázis az egyetlen módja a nitrogén eltávolításának az ökoszisztémából. Ezen a módon, az N 2, amelyet fix visszatér a légkör és a mérleg ezen elem megmarad.
fontosság
Ez a ciklus nagy biológiai jelentőséggel bír. Mint korábban kifejtettük, a nitrogén az élő szervezetek fontos része. Ezen a folyamaton keresztül biológiailag használhatóvá válik.
A növények fejlesztése során a nitrogén rendelkezésre állása a termelékenység egyik fő korlátja. A mezőgazdaság kezdete óta a talaj gazdagodik ezzel az elemmel.
A hüvelyesek termesztése a talajminőség javítása céljából általános gyakorlat. Hasonlóképpen, a rizs elárasztott talajba ültetése elősegíti a nitrogén használatához szükséges környezeti feltételeket.
A 19. század folyamán a guanót (madár ürülékeket) széles körben használták a növények nitrogénforrásaként. Század végére azonban nem volt elegendő az élelmiszer-termelés növeléséhez.
A német kémikus, Fritz Haber a 19. század végén kifejlesztett egy folyamatot, amelyet később Carlo Bosch hozott forgalomba. Ez abból áll, hogy N 2 és hidrogéngáz alkotnak ammóniát. Haber-Bosch folyamatnak nevezik.
Az ammónia mesterséges előállításának ez a formája az egyik fő nitrogénforrás, amelyet az élőlények felhasználhatnak. Úgy gondolják, hogy a világ népességének 40% -a táplálékától függ ezekből a műtrágyákból.
Nitrogén-ciklus zavarok
Az ammónia jelenlegi antropikus termelése körülbelül 85 tonna évente. Ennek negatív következményei vannak a nitrogénciklusra.
A vegyi műtrágyák magas felhasználása miatt szennyeződnek a talajok és a víztartó rétegek. Úgy gondolják, hogy ennek a szennyezésnek több mint 50% -a a Haber-Bosch szintézis következménye.
A nitrogénfelesleg a víztestek eutrifikációjához (dúsításhoz) vezet. Az antroposisztítás nagyon gyors, elsősorban az algák gyorsított növekedését okozza.
Nagyon sok oxigént fogyasztanak és felhalmozhatnak toxinokat. Az oxigén hiánya miatt az ökoszisztéma többi szervezete meghal.
Ezenkívül fosszilis tüzelőanyagok felhasználásával nagy mennyiségű dinitrogén-oxid szabadul fel a légkörbe. Ez reagál az ózonnal és salétromsavat képez, amely a savas eső egyik alkotóeleme.
Irodalom
- Cerón L és A Aristizábal (2012) A talaj nitrogén- és foszforciklusának dinamikája. Colomb tiszteletes. Biotechnol. 14: 285-295.
- Estupiñan R és B Quesada (2010), a Haber-Bosch-folyamat az agro-ipari társadalomban: veszélyek és alternatívák. A Mezőgazdasági Élelmiszer-rendszer: árucikkek, küzdelmek és ellenállás. Szerkesztõ ILSA. Bogota Kolumbia. 75-95
- Galloway JN (2003) A globális nitrogénciklus. In: Schelesinger W (szerk.) Írta: Geokémia. Elsevier, USA. p. 557-583.
- Galloway JN (2005) A globális nitrogénciklus: múlt, jelen és jövő. Science in China, Ser C Life Sciences 48: 669-677.
- Pajares S (2016) Az emberi tevékenységek által okozott nitrogén-kaszkád. Oikos 16: 14-17.
- Stein L és M Klotz (2016) A nitrogénciklus. Current Biology 26: 83-101.