Nitrogen syklus egenskaper, reservoarer, stadier, betydning



den nitrogen syklus det er prosessen med bevegelse av nitrogen mellom atmosfæren og biosfæren. Det er en av de mest relevante biogeokjemiske syklusene. Nitrogen (N) er et viktig element, siden det kreves av alle organismer for vekst. Det er en del av den kjemiske sammensetningen av nukleinsyrer (DNA og RNA) og proteiner.

Den største mengden nitrogen på planeten er i atmosfæren. Det atmosfæriske nitrogenet (N2) kan ikke brukes direkte av de fleste levende vesener. Det er bakterier som kan fikse det og innlemme det i jord eller vann på måter som kan brukes av andre organismer.

Deretter blir nitrogen assimilert av autotrofe organismer. De fleste heterotrofe organismer erverver det ved fôring. Deretter frigjør de overskytelsene i form av urin (pattedyr) eller ekskrementer (fugler).

I en annen fase av prosessen er det bakterier som deltar i transformasjonen av ammoniakk i nitritter og nitrater som er innarbeidet i jorda. Og på slutten av syklusen bruker en annen gruppe av mikroorganismer oksygen som er tilgjengelig i nitrogenforbindelser ved åndedrett. I denne prosessen frigjør nitrogenet tilbake i atmosfæren.

For tiden produseres den største mengden nitrogen som brukes i landbruket av mennesker. Dette har resultert i et overskudd av dette elementet i jord og vannkilder, noe som forårsaker ubalanse i denne biogeokjemiske syklusen.

index

  • 1 Generelle egenskaper
    • 1.1 Opprinnelse
    • 1.2 Kjemiske former 
    • 1.3 Historie
    • 1.4 Krav til organismer
  • 2 komponenter
    • 2.1 -Reservorios
    • 2.2 -Microorganisms deltar
  • 3 trinn
    • 3.1 Fiksering
    • 3.2 Assimilering
    • 3.3 Amonisering
    • 3.4 Nitrifikasjon
    • 3.5 Denitrifisering
  • 4 Viktighet
  • 5 Endringer i nitrogen-syklusen
  • 6 Referanser

Generelle egenskaper

kilde

Det antas at nitrogen stammer fra nukleosyntese (opprettelse av nye atomkjerner). Stjerner med store heliummasser nådde det trykk og den temperatur som var nødvendig for at nitrogen skulle dannes.

Da jorden oppsto, var nitrogenet i fast tilstand. Da, med den vulkanske aktiviteten, gikk dette elementet inn i gassformen og ble innlemmet i planetens atmosfære.

Nitrogenet var i form av N2. Sannsynligvis de kjemiske formene som brukes av levende vesener (ammoniakk NH3) dukket opp ved nitrogencykler mellom havet og vulkanene. På denne måten har NH3 ville ha blitt innlemmet i atmosfæren og sammen med andre elementer ga opphav til organiske molekyler.

Kjemiske former

Kväve forekommer i forskjellige kjemiske former, referert til forskjellige oksidasjonstilstander (tap av elektroner) av dette elementet. Disse forskjellige former varierer både i deres egenskaper og i deres oppførsel. Nitrogengass (N2) er ikke rusten.

Oksidiserte former klassifiseres som organiske og uorganiske. De organiske former er hovedsakelig tilstede i aminosyrer og proteiner. De uorganiske tilstandene er ammoniakk (NH3), ammonium-ionet (NH4), nitritter (NO2) og nitrater (NO3), blant andre.

historie

Nitrogen ble oppdaget i 1770 av tre forskere uavhengig (Scheele, Rutherford og Lavosier). I 1790 nevnte franskmannen Chaptal gass som nitrogen.

I andre halvdel av det nittende århundre ble det funnet å være en viktig komponent i vev av levende organismer og vekst av planter. På samme måte ble eksistensen av en konstant strøm mellom de organiske og uorganiske former vist.

I begynnelsen ble det antatt at kildene til nitrogen var lyn og atmosfærisk deponering. I 1838 bestemte Boussingault den biologiske fiksering av dette elementet i belgfrukter. Deretter ble det i 1888 oppdaget at mikroorganismer assosiert med røtter av legumes var ansvarlig for å fikse N2.

En annen viktig oppdagelse var eksistensen av bakterier som var i stand til å oksidere ammoniakk til nitritter. I tillegg til andre grupper som forvandlet nitritt til nitrater.

Så tidlig som 1885 bestemte Gayon at en annen gruppe av mikroorganismer hadde muligheten til å transformere nitrater til N2. På en slik måte at nitrogensyklusen på planeten kunne forstås.

Krav på organismer

Alle levende vesener krever nitrogen for deres viktige prosesser, men ikke alle bruker det på samme måte. Noen bakterier kan bruke atmosfærisk nitrogen direkte. Andre bruker nitrogenholdige forbindelser som oksygenkilde.

Autotrofe organismer krever tilførsel i form av nitrater. For sin del kan mange heterotrofer bare bruke den i form av aminogrupper som de får fra maten.

komponenter

-reservoarer

Den største naturlige nitrogenkilden er atmosfæren, hvor 78% av dette elementet finnes i gassform (N2), med noen spor av nitrogenoksid og nitrogenmonoksyd.

Sedimentære bergarter inneholder ca 21% som slippes veldig sakte. De resterende 1% er inneholdt i organisk materiale og havene i form av organisk nitrogen, nitrater og ammoniakk.

-Deltakende mikroorganismer

Det finnes tre typer mikroorganismer som deltar i nitrogen-syklusen. Disse er fiksere, nitrifiører og denitrifiers.

N-fikserende bakterier2

De kodes for et kompleks av nitrogenase enzymer som er involvert i fikseringsprosessen. De fleste av disse mikroorganismer koloniserer rhizosfæren av planter og utvikler seg i vevet.

Den vanligste typen fikserende bakterier er Rhizobium, som er forbundet med røtter av belgfrukter. Det er andre sjangere som Frankia, Nostoc og Pasasponia som gjør symbiose med røtter av andre plantegrupper.

Cyanobakterier i fri form, kan fikse atmosfærisk nitrogen i vannmiljøer

Nitrifiserende bakterier

Det er tre typer mikroorganismer som er involvert i nitrifiseringsprosessen. Disse bakteriene er i stand til å oksidere ammoniakk eller ammonium-ionet som er tilstede i jorden. De er kjemolithotrofe organismer (i stand til å oksidere uorganiske materialer som energikilde).

Bakterier av forskjellige genera intervenerer sekvensielt i prosessen. Nitrosoma og Nitrocystis oksyder NH3 og NH4 til nitritter. deretter nitrobacter og Nitrosococcus oksyder denne forbindelsen til nitrater.

I 2015 ble en annen gruppe bakterier involvert i denne prosessen oppdaget. De er i stand til å oksidere ammoniakk direkte til nitrater og befinner seg i slekten Nitrospira. Noen sopp kan også nitrifisere ammoniakk.

Denitrifiserende bakterier

Det er påpekt at mer enn 50 forskjellige bakterier kan redusere nitrater til N2. Dette skjer under anaerobe forhold (fravær av oksygen).

Den vanligste denitrifiserende slekten er Alcaligenes, Paracoccus, Pseudo, Rhizobium, Thiobacillus og Thiosphaera. De fleste av disse gruppene er heterotrofiske.

I 2006 ble det oppdaget en bakterie (Metylomirabilis oxyfera) som er aerobic. Det er metanotrofisk (oppnår karbon og metan energi) og er i stand til å skaffe oksygen fra denitrifikasjonsprosessen.

stadier

Nitrogen syklusen går gjennom flere stadier i mobiliseringen over hele planeten. Disse faser er:

feste

Det er omdannelsen av atmosfærisk nitrogen til formene som anses reaktive (som kan brukes av levende vesener). Brytingen av de tre bindingene som inneholder N-molekylet2 Det krever en stor mengde energi og kan forekomme på to måter: abiotisk eller biotisk.

Abiotisk fiksering

Nitrater oppnås ved høy energi fiksering i atmosfæren. Det kommer fra elektrisk energi av lyn og kosmisk stråling.

N2 Det er kombinert med oksygen for å oppstå oksyderte former av nitrogen som NO (nitrogen dioxide) og NO2 (nitrogenoksid). Deretter bringes disse forbindelsene til jordoverflaten av regn som salpetersyre (HNO3).

Høy energi fiksering inkorporerer omtrent 10% av nitrater tilstede i nitrogen syklusen.

Biotisk fiksering

Det utføres av jordmikroorganismer. Vanligvis er disse bakteriene forbundet med plantens røtter. Det anslås at den årlige biotiske fikseringen av nitrogen er ca. 200 millioner tonn per år.

Det atmosfæriske nitrogenet blir transformert til ammonium. I en første fase av reaksjonen ble N2 er redusert til NH3 (Ammoniakk). På denne måten er det innarbeidet i aminosyrene.

I denne prosessen er et enzymatisk kompleks med forskjellige oksydreduksjonssentre involvert. Dette nitrogenasekomplekset består av en reduktase (gir elektroner) og en nitrogenase. Sistnevnte bruker elektronene til å redusere N2 til NH3. I prosessen blir en stor mengde ATP konsumert.

Nitrogenkomplekset inhiberes irreversibelt i nærvær av høye konsentrasjoner av O2. I de radikale knutene er et protein (leghemoglobin) tilstede som holder O-innholdet svært lavt2. Dette proteinet er produsert av samspillet mellom røtter og bakterier.

assimilering

Planter som ikke har noen symbiotisk forening med N-fikserende bakterier2, de tar nitrogen fra jorda. Opptaket av dette elementet er gjort i form av nitrater gjennom røttene.

Når nitrater går inn i planten, brukes en del av rotceller. En annen del distribueres av xylem til hele anlegget.

Når det skal brukes, reduseres nitrat til nitritt i cytoplasma. Denne prosessen katalyseres av enzymet nitratreduktase. Nitritter transporteres til kloroplaster og andre plastider, hvor de reduseres til ammoniumion (NH4).

Ammoniumionen i store mengder er giftig for anlegget. Så det er raskt innlemmet i karbonatskjeletter for å danne aminosyrer og andre molekyler.

Når det gjelder forbrukere, oppnås nitrogen ved å mate direkte fra planter eller andre dyr.

amonificación

I denne prosessen nedbrytes nitrogenforbindelser som er tilstede i jorda, til enklere kjemiske former. Kväve er inneholdt i døde organiske stoffer og avfall som urea (urin fra pattedyr) eller urinsyre (ekskreta fra fugler).

Nitrogen som finnes i disse stoffene er i form av komplekse organiske forbindelser. Mikroorganismer bruker aminosyrene som finnes i disse stoffene for å produsere sine proteiner. I denne prosessen slipper de overskudd av nitrogen i form av ammoniakk eller ammoniumion.

Disse forbindelsene er tilgjengelige i jorda for at andre mikroorganismer skal virke i de følgende faser av syklusen.

nitrifikasjon

I løpet av denne fasen oksyderer jordbakterier ammoniakk og ammoniumion. I prosessen frigjøres energi som brukes av bakteriene i stoffskiftet.

I den første delen er det nitroserende bakterier av slekten Nitrosomas oksyder ammoniakk og ammoniumion i nitritt. I membranen til disse mikroorganismer er enzymet ammoniakkmoxigenase. Dette oksyderer NH3 til hydroksylamin, som deretter oksyderes til nitritt i bakterien periplasma.

Deretter oksiderer nitreringsbakteriene nitrittene til nitrater ved hjelp av enzymet nitrit oksidoreduktase. Nitrater er tilgjengelige i jorda, hvor de kan absorberes av planter.

denitrifikasjon

I dette stadiet omdannes oksyderte nitrogenformer (nitritter og nitrater) tilbake til N2 og i mindre grad nitrousoksid.

Prosessen utføres av anaerobe bakterier, som bruker nitrogenforbindelser som elektronacceptorer under respirasjon. Denitrifikasjonshastigheten avhenger av flere faktorer, som for eksempel nitrat og jordmetning og temperatur.

Når jorda er mettet med vann, er O2 Det er ikke lett tilgjengelig og bakterier bruker NO3 som en elektron akseptor. Når temperaturen er svært lav, kan ikke mikroorganismer utføre prosessen.

Denne fasen er den eneste måten nitrogen er fjernet fra et økosystem. På denne måten er N2 det var fast avkastning til atmosfæren og balansen i dette elementet opprettholdes.

betydning

Denne syklusen har en stor biologisk relevans. Som vi forklarte tidligere, er nitrogen en viktig del av levende organismer. Gjennom denne prosessen blir det biologisk brukbart.

I utviklingen av avlinger er tilgjengeligheten av nitrogen en av de viktigste begrensningene på produktiviteten. Siden jordbrukets begynnelse har jorda blitt beriket med dette elementet.

Kultiveringen av belgfrukter for å forbedre jordkvaliteten er en vanlig praksis. På samme måte fremmer plantingen av ris i oversvømmet jord de miljømessige forhold som er nødvendige for bruk av nitrogen.

I det 19. århundre ble guano (fugleekskret) mye brukt som en ekstern nitrogenkilde i avlinger. Men ved slutten av dette århundret var det ikke nok til å øke matproduksjonen.

Den tyske kjemikeren Fritz Haber, i slutten av 1800-tallet, utviklet en prosess som senere ble markedsført av Carlo Bosch. Dette innebærer at N reagerer2 og gassformig hydrogen for å danne ammoniakk. Det er kjent som Haber-Bosch-prosessen.

Denne form for kunstig ammoniakk er en av de viktigste kildene til nitrogen som kan brukes av levende vesener. Det vurderes at 40% av verdens befolkning er avhengig av disse gjødselene for maten.

Endringer i nitrogen-syklusen

Nåværende antropogen ammoniakkproduksjon er ca 85 tonn per år. Dette gir negative konsekvenser i nitrogensyklusen.

På grunn av den høye bruken av kjemiske gjødsel, er det forurensning av jord og vannfôr. Det vurderes at mer enn 50% av denne forurensingen er en konsekvens av Haber-Bosch-syntesen.

Overskudd av nitrogen fører til eutrofiering (anrikning med næringsstoffer) av vannlegemer. Antropogen eutrifisering er svært rask og forårsaker akselerert vekst hovedsakelig av alger.

Disse forbruker store mengder oksygen og kan akkumulere toksiner. På grunn av mangel på oksygen, dør de andre organismer som er tilstede i økosystemet.

I tillegg frigjør bruken av fossile brennstoffer store mengder nitrogenoksid i atmosfæren. Dette reagerer med ozon og danner salpetersyre, som er en av komponentene i surt regn.

referanser

  1. Cerón L og A Aristizábal (2012) Dynamikk av nitrogen og fosfor syklus i jord. Rev. Colomb. Biotechnol. 14: 285-295.
  2. Estupiñan R og B Quesada (2010) Haber-Bosch-prosessen i agroindustrielle samfunn: farer og alternativer. Agroalimentary System: Commodification, kamp og motstand. ILSA Editorial. Bogotá, Colombia 75-95
  3. Galloway JN (2003) Den globale nitrogen-syklusen. I: Schelesinger W (red.) Avhandling om geokjemi. Elsevier, USA. s. 557-583.
  4. Galloway JN (2005) Den globale nitrogen-syklusen: fortid, nutid og fremtid. Vitenskap i Kina Ser C Life Sciences 48: 669-677.
  5. Pajares S (2016) Nitrogenkaskade forårsaket av menneskelige aktiviteter. Oikos 16: 14-17.
  6. Stein L og M Klotz (2016) Nitrogen syklusen. Nåværende biologi 26: 83-101.