Nitrogén ciklus jellemzői, tározók, szakaszok, fontosság

az nitrogén-ciklus ez a nitrogén mozgása a légkör és a bioszféra között. Ez az egyik legfontosabb biogeokémiai ciklus. A nitrogén (N) nagy jelentőségű elem, mivel minden szervezetnek szüksége van rá növekedéshez. Ez a nukleinsavak (DNS és RNS) és fehérjék kémiai összetételének része.

A legnagyobb mennyiségű nitrogén a bolygón a légkörben van. A légköri nitrogén (N₂) a legtöbb élő lény közvetlenül nem használható. Vannak olyan baktériumok, amelyek képesek megjavítani és beépíteni a talajba vagy a vízbe olyan módon, amelyet más szervezetek is használhatnak.

Ezt követően a nitrogént az autotrofikus szervezetek asszimilálják. A legtöbb heterotróf organizmus táplálással szerezte be. Ezután felszabadítják a feleslegeket vizelet (emlősök) vagy ürülék formájában (madarak).

A folyamat egy másik fázisában olyan baktériumok vannak, amelyek részt vesznek az ammónia nitritekké és nitrátokká történő átalakításában, amelyek beépülnek a talajba. A ciklus végén a mikroorganizmusok egy másik csoportja a nitrogénvegyületekben elérhető oxigént a légzésben használja. Ebben a folyamatban a nitrogént visszavezetik a légkörbe.

Jelenleg a mezőgazdaságban használt legnagyobb nitrogénmennyiséget az emberek termelik. Ennek eredményeképpen a talajban és a vízforrásokban ez az elem feleslegessé vált, ami egyensúlytalanságot okozott ebben a biogeokémiai ciklusban.

index

• 1 Általános jellemzők
  • 1.1 Eredet
  • 1.2 Kémiai formák 
  • 1.3 Történelem
  • 1.4 A szervezetekre vonatkozó követelmények
• 2 Komponensek
  • 2.1 -Reservorios
  • 2.2 -Mikroorganizmusok
• 3 szakasz
  • 3.1 Rögzítés
  • 3.2 Asszimiláció
  • 3.3
  • 3.4 Nitrifikáció
  • 3.5 Denitrifikáció
• 4 Fontosság
• 5 A nitrogén-ciklus változásai
• 6 Referenciák

Általános jellemzők

forrás

Úgy véljük, hogy a nukleoszintézisből származó nitrogén (új atommagok létrehozása). A nagy héliummal rendelkező csillagok elérték a nitrogén kialakításához szükséges nyomást és hőmérsékletet.

Amikor a Föld származik, a nitrogén szilárd állapotban volt. Ezután a vulkáni tevékenységgel ez az elem a gázállapotba került, és beépült a bolygó légkörébe.

A nitrogén N formában volt₂. Valószínűleg az élő lények által használt kémiai formák (ammónia NH₃) a tenger és a vulkánok közötti nitrogénciklusok jelennek meg. Ily módon az NH₃ a légkörbe került volna, és más elemekkel együtt szerves molekulákat eredményezett.

Kémiai formák

A nitrogén különböző kémiai formákban fordul elő, az elem különböző oxidációs állapotaira (elektronok elvesztésére) utal. Ezek a különböző formák jellemzőik és viselkedésük tekintetében egyaránt eltérőek. Nitrogéngáz (N₂) nem rozsdás.

Az oxidált formák szerves és szervetlen anyagok. A szerves formák elsősorban aminosavakban és fehérjékben vannak jelen. A szervetlen állapotok ammónia (NH₃), az ammóniumion (NH₄), nitritek (NO₂) és nitrátok (NO₃), többek között.

történelem

A nitrogént 1770-ben három tudós fedezte fel önállóan (Scheele, Rutherford és Lavosier). 1790-ben a francia Chaptal gázként nitrogénként nevezte.

A tizenkilencedik század második felében az élő szervezetek szöveteinek és a növények növekedésének alapvető eleme. Hasonlóképpen bizonyítottuk a szerves és szervetlen formák közötti állandó áramlást.

Kezdetben úgy vélték, hogy a nitrogén forrása villámlás és légköri lerakódás volt. 1838-ban Boussingault a hüvelyesekben meghatározta ennek az elemnek a biológiai rögzítését. Aztán 1888-ban felfedezték, hogy a hüvelyesek gyökereivel társított mikroorganizmusok felelősek az N \ t₂.

Egy másik fontos felfedezés az volt, hogy léteznek olyan baktériumok, amelyek képesek az ammónia nitritekké oxidálására. Más csoportok, amelyek nitriteket nitráttá alakítottak át.

1885-ben Gayon megállapította, hogy a mikroorganizmusok egy másik csoportja képes nitrátokat N-re átalakítani₂. Ily módon megérthetjük a bolygó nitrogénciklusát.

Szükség van a szervezetekre

Minden élő lény megköveteli nitrogént a létfontosságú folyamatokhoz, de nem mindegyiket ugyanúgy használják. Egyes baktériumok közvetlenül képesek légköri nitrogént használni. Mások nitrogénforrást használnak oxigénforrásként.

Az autotróf szervezeteknek nitrátok formájában kell rendelkezésre állniuk. Számos heterotróf csak az aminosavak formájában használhatja azt az ételükből.

alkatrészek

-víztározók

A legnagyobb természetes nitrogénforrás a légkör, ahol ennek az elemnek 78% -a gáznemű (N₂), néhány dinitrogén-oxid és nitrogén-monoxid nyomával.

Az üledékes kőzetek körülbelül 21% -ot tartalmaznak, amelyek nagyon lassan szabadulnak fel. A fennmaradó 1% szerves anyagban és az óceánokban szerves nitrogén, nitrát és ammónia formájában van.

-Résztvevő mikroorganizmusok

A nitrogénciklusban háromféle mikroorganizmus létezik. Ezek fixerek, nitrierek és denitrierek.

N-rögzítő baktériumok₂

Ezek a nitrogén-enzim-komplexeket kódolják, amelyek részt vesznek a rögzítési folyamatban. Ezeknek a mikroorganizmusoknak a többsége kolonizálja a növények rizoszféráját, és szöveteiben fejlődik ki.

A leggyakoribb típusú rögzítő baktériumok Rhizobium, amely a hüvelyesek gyökereihez kapcsolódik. Vannak más műfajok is Frankia, Nostoc és Pasasponia amelyek más növénycsoportok gyökereivel szimbiózissá teszik.

A szabad formában levő cianobaktériumok a légköri nitrogént a vízi környezetben rögzíthetik

Nitrifikáló baktériumok

Háromféle mikroorganizmus létezik a nitrifikációs folyamatban. Ezek a baktériumok képesek ammónia vagy a talajban lévő ammónium-ion oxidálására. Ezek kemolithotróf szervezetek (amelyek szervetlen anyagokat energiaforrásként oxidálhatnak).

A különböző nemzetségű baktériumok egymás után beavatkoznak a folyamatba. Nitrosoma és Nitrocystis oxidálja az NH3-t és az NH4-et nitritekké. majd Nitrobacter és Nitrosococcus oxidálja ezt a vegyületet nitráttá.

2015-ben felfedezték a baktériumok egy másik csoportját. Ezek képesek közvetlenül oxidálni az ammóniát nitráttá, és a nemzetségben találhatók Nitrospira. Néhány gomba is képes nitrifikálni az ammóniát.

Denitrifikáló baktériumok

Rámutattak arra, hogy a baktériumok több mint 50 különböző nemzete N-re csökkentheti a nitrátokat₂. Ez anaerob körülmények között történik (oxigén hiánya).

A leggyakoribb denitrifikáló nemzetségek Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus és Thiosphaera. Ezen csoportok többsége heterotróf.

2006-ban baktériumot fedeztek fel (Methylomirabilis oxyfera), amely aerob. Metanotróf (szén- és metán-energiát szerez) és képes oxigént szerezni a denitrifikációs folyamatból.

szakaszában

A nitrogén-ciklus a bolygón való mozgósítás során több szakaszon megy keresztül. Ezek a fázisok:

rögzítő

Ez a légköri nitrogén átalakítása a reakcióképesnek tekinthető formává (amelyet élő lények használhatnak). Az N molekulát tartalmazó három kötés törése₂ Nagy energiát igényel, és kétféleképpen fordulhat elő: abiotikus vagy biotikus.

Abiotikus rögzítés

A nitrátokat nagy energiájú rögzítéssel nyerik a légkörben. A villám és a kozmikus sugárzás elektromos energiájából származik.

Az N₂ oxigénnel kombinálva keletkezik az oxidált nitrogénformák, mint például az NO (nitrogén-dioxid) és a NO₂ (dinitrogén-oxid). Ezt követően ezeket a vegyületeket a föld felszínére nitrogénsavval (HNO) hozzuk esővel₃).

A nagy energiájú rögzítés a nitrogénciklusban jelenlévő nitrátok körülbelül 10% -át tartalmazza.

Biotikus rögzítés

Ezt a talaj mikroorganizmusai végzik. Általában ezek a baktériumok a növények gyökereihez kapcsolódnak. A becslések szerint a nitrogén éves biotikus rögzítése körülbelül 200 millió tonna évente.

A légköri nitrogént ammóniumvá alakítjuk. A reakció első fázisában az N₂ NH-ra redukáljuk₃ (Ammónia). Ily módon beépül az aminosavakba.

Ebben az eljárásban enzimkomplexet alkalmazunk különböző oxidációs redukciós központokkal. Ez a nitrogén-komplex egy reduktázból (elektronokból) és nitrogénből áll. Az utóbbi az elektronokat használja az N csökkentésére₂ NH-hoz₃. A folyamat során nagy mennyiségű ATP-t fogyasztanak.

A nitrogén-komplexet nagy koncentrációjú O jelenlétében visszafordíthatatlanul gátoljuk₂. A radikális csomókban fehérje (leghemoglobin) van jelen, amely az O-tartalmat nagyon alacsony szinten tartja₂. Ezt a fehérjét a gyökerek és a baktériumok kölcsönhatása adja.

asszimiláció

N-rögzítő baktériumokkal nem rendelkező szimbiotikus kapcsolatban álló növények₂, a nitrogént a talajból vesznek. Ennek az elemnek a felszívódása nitrát formájában történik a gyökereken keresztül.

Amint a nitrátok bejutnak a növénybe, a gyökérsejtek egy részét használják. Egy másik részt a xylem terjeszt az egész üzemre.

Használatakor a citoplazmában a nitrát nitritre redukálódik. Ezt a folyamatot a nitrát reduktáz enzim katalizálja. A nitriteket kloroplasztokba és más plasztidokba szállítják, ahol ammóniumionokká (NH) redukálódik₄).

Az ammóniumion nagy mennyiségben mérgező a növényre. Így gyorsan beépül a karbonát csontvázakba, hogy aminosavakat és más molekulákat képezzenek.

Fogyasztók esetében a nitrogént közvetlenül a növényekből vagy más állatokból táplálják.

amonificación

Ebben a folyamatban a talajban lévő nitrogénvegyületek egyszerűbb kémiai formákká bomlanak. A nitrogént a halott szerves anyagok és hulladékok, például a karbamid (emlősök vizelete) vagy a húgysav (madarakból származó ürülék) tartalmazzák..

Az ezekben az anyagokban lévő nitrogén komplex szerves vegyületek formájában van. A mikroorganizmusok az ezekben az anyagokban lévő aminosavakat fehérjék előállítására használják. Ebben az eljárásban a felesleges nitrogént ammónia vagy ammóniumion formájában szabadítják fel.

Ezek a vegyületek a talajban más mikroorganizmusok számára is rendelkezésre állnak, hogy a ciklus következő fázisaiban működjenek.

nitrifikálás

Ebben a fázisban a talajbaktériumok oxidálják az ammóniát és az ammóniumionot. A folyamat során energiát szabadítanak fel, amelyet a baktériumok metabolizálnak.

Az első részben a nemzetségbe tartozó nitrozáló baktériumok Nitrosomas oxidálja az ammóniát és az ammóniumionot nitritré. Ezen mikroorganizmusok membránjában az ammónia mooxigenasa enzim. Ez oxidálja az NH-t₃ hidroxil-aminná, amelyet ezután nitráttá oxidálunk a baktérium periplazmájában.

Ezt követően a nitráló baktériumok nitridekké oxidálják a nitriteket a nitrit oxidoreduktáz enzim alkalmazásával. Nitrátok állnak rendelkezésre a talajban, ahol a növények felszívódhatnak.

denitrifikáció

Ebben a szakaszban a nitrogén oxidált formái (nitritek és nitrátok) visszaállnak N-re₂ és kisebb mértékben a dinitrogén-oxidot.

Az eljárást anaerob baktériumok végzik, amelyek nitrogénvegyületeket használnak elektron-akceptorként légzés közben. A denitrifikáció mértéke számos tényezőtől függ, mint például a rendelkezésre álló nitrát és a talaj telítettsége és a hőmérséklet.

Amikor a talaj vízzel telített, az O₂ nem áll rendelkezésre, és a baktériumok NO-t használnak₃ mint elektron akceptor. Amikor a hőmérséklet nagyon alacsony, a mikroorganizmusok nem tudják elvégezni a folyamatot.

Ez a fázis az egyetlen módja annak, hogy a nitrogént eltávolítsák az ökoszisztémából. Ily módon az N₂ amely rögzített visszatér a légkörbe, és ennek az elemnek az egyensúlya megmarad.

fontosság

Ez a ciklus nagy biológiai jelentőséggel bír. Amint azt korábban kifejtettük, a nitrogén az élő szervezetek fontos része. Ez a folyamat biológiailag használhatóvá válik.

A termények fejlődésében a nitrogén rendelkezésre állása a termelékenység egyik fő korlátja. A mezőgazdaság kezdete óta a talaj ezt az elemet gazdagította.

A hüvelyesek termesztése a talaj minőségének javítása érdekében általános gyakorlat. Hasonlóképpen, a rizs elterjedése elárasztott talajban elősegíti a nitrogén használatához szükséges környezeti feltételeket.

A 19. században a guanót (madárkivágás) széles körben használták a növények külső nitrogénforrásaként. A század végére azonban nem volt elegendő az élelmiszertermelés növeléséhez.

A német kémikus, Fritz Haber, a 19. század végén fejlesztett ki egy folyamatot, amelyet később Carlo Bosch forgalmazott. Ez azt jelenti, hogy az N reagál₂ és gáz halmazállapotú hidrogén ammóniát képez. Ez a Haber-Bosch folyamat.

A mesterséges ammónia ilyen formája az élő lények egyik legfontosabb nitrogénforrása. Úgy véljük, hogy a világ népességének 40% -a táplálékukra ezektől a műtrágyáktól függ.

A nitrogén-ciklus módosítása

A jelenlegi antropogén ammónia-termelés körülbelül 85 tonna évente. Ez negatív következményekkel jár a nitrogén-ciklusban.

A vegyi műtrágyák magas használata miatt a talaj és a víztartó rétegek szennyeződnek. Úgy véljük, hogy ennek a szennyezésnek több mint 50% -a a Haber-Bosch-szintézis következménye.

A nitrogén feleslege a víztestek eutrofizációjához (tápanyagokkal való gazdagodásához) vezet. Az antropogén eutrifikáció nagyon gyors, és felgyorsult növekedést okoz, elsősorban az algák.

Ezek nagy mennyiségű oxigént fogyasztanak, és toxinokat gyűjthetnek össze. Az oxigénhiány miatt az ökoszisztémában jelenlévő egyéb organizmusok elpusztulnak.

Emellett a fosszilis tüzelőanyagok használata nagy mennyiségű nitrogén-oxidot bocsát ki a légkörbe. Ez az ózonnal reagál, és salétromsavat képez, amely a savas eső egyik összetevője.

referenciák

1. Cerón L és A Aristizábal (2012) A talaj nitrogén- és foszforciklusának dinamikája. Rev. Colomb. Biotechnol. 14, 285-295.
2. Estupiñan R és B Quesada (2010) a Haber-Bosch folyamat az agro-ipari társadalomban: veszélyek és alternatívák. Az agroalimentációs rendszer: árucikkek, harcok és ellenállás. ILSA Szerkesztői. Bogotá, Kolumbia 75-95
3. Galloway JN (2003) A globális nitrogénciklus. In: Schelesinger W (szerk.) A geokémiai tréning. Elsevier, USA. p. 557-583.
4. Galloway JN (2005) A globális nitrogénciklus: múlt, jelen és jövő. Tudomány Kínában Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Az emberi tevékenység okozta nitrogén kaszkád. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L és M Klotz (2016) A nitrogénciklus. Current Biology 26: 83-101.