AZOTO CIKLAS: CHARAKTERISTIKOS, REZERVUARAI IR PAKOPOS - APLINKA - 2025

Azoto ciklas yra azoto judėjimo tarp atmosferos ir biosferos procesas. Tai yra vienas iš aktualiausių biogeocheminių ciklų. Azotas (N) yra labai svarbus elementas, nes jo augimui reikia visų organizmų. Tai yra nukleorūgščių (DNR ir RNR) ir baltymų cheminės sudėties dalis.

Didžiausias azoto kiekis planetoje yra atmosferoje. Atmosferos azoto (N ₂ ) negali tiesiogiai naudoti dauguma gyvų daiktų. Yra bakterijų, galinčių ją pritvirtinti ir įterpti į dirvožemį ar vandenį taip, kad jas galėtų naudoti kiti organizmai.

Vandens telkinys, praturtintas azotu ir fosforu, Lilyje (Šiaurės Prancūzijoje). Autorius: F. lamiot (savas darbas), iš „Wikimedia Commons“

Vėliau azotas yra asimiliuotas autotrofinių organizmų. Dauguma heterotrofinių organizmų jį įgyja per maistą. Tada jie išskiria perteklių šlapimo (žinduolių) ar ekskrementų (paukščių) pavidalu.

Kitame proceso etape yra bakterijų, kurios dalyvauja virsdamos amoniaku nitritais ir nitratais, kurie yra įterpti į dirvožemį. Ciklo pabaigoje kita mikroorganizmų grupė kvėpuodama naudoja deguonį, esančią azoto junginiuose. Šiame procese jie išmeta azotą atgal į atmosferą.

Šiuo metu didžiausią azoto kiekį, naudojamą žemės ūkyje, gamina žmonės. Dėl to šio elemento perteklius dirvožemyje ir vandens šaltiniuose sukėlė šio biogeocheminio ciklo disbalansą.

Bendrosios savybės

Kilmė

Laikoma, kad azotas atsirado nukleosintezės būdu (sukuriant naujus atominius branduolius). Žvaigždės su didelėmis helio masėmis pasiekė slėgį ir temperatūrą, reikalingą azotui susidaryti.

Kai atsirado Žemė, azotas buvo kieto būvio. Vėliau, vykdant ugnikalnių aktyvumą, šis elementas tapo dujine būsena ir buvo įtrauktas į planetos atmosferą.

Azotas buvo N ₂ pavidalo . Tikriausiai cheminės formos, kurias naudoja gyvos būtybės (NH ₃ amoniakas ), atsirado azoto ciklais tarp jūros ir ugnikalnių. Tokiu būdu NH ₃ būtų buvęs įtrauktas į atmosferą ir kartu su kitais elementais susidarytų organinės molekulės.

Cheminės formos

Azotas vyksta įvairiomis cheminėmis formomis, nurodant skirtingas šio elemento oksidacijos būsenas (elektronų praradimą). Šios skirtingos formos skiriasi tiek jų savybėmis, tiek elgesiu. Azoto dujos (N ₂ ) nėra oksiduojamos.

Oksiduotos formos skirstomos į organines ir neorganines. Organinės formos daugiausia susidaro amino rūgštyse ir baltymuose. Neorganinės būsenos yra amoniakas (NH ₃ ), amonio jonas (NH ₄ ), nitritai (NO ₂ ) ir nitratai (NO ₃ ), be kita ko.

Istorija

Azotą 1770 m. Atrado trys mokslininkai (Scheele, Rutherford ir Lavosier). 1790 m. Prancūzijos kapelija pavadino dujas azotu.

XIX amžiaus antroje pusėje buvo nustatyta, kad jis yra svarbus gyvų organizmų audinių ir augalų augimo komponentas. Taip pat buvo įrodytas nuolatinis srautas tarp organinių ir neorganinių formų.

Iš pradžių azoto šaltiniai buvo laikomi žaibo ir atmosferos nusėdimu. 1838 m. Boussingault nustatė šio elemento biologinę fiksaciją ankštiniuose augaluose. Tada, 1888 m., Buvo nustatyta, kad už N ₂ fiksavimą atsakingi mikroorganizmai, susiję su ankštinių augalų šaknimis .

Kitas svarbus atradimas buvo bakterijų, kurios sugeba oksiduoti amoniaką į nitritus, egzistavimas. Kaip ir kitos grupės, kurios nitritus pavertė nitratais.

Anksčiau kaip 1885, Gayón nustatoma, kad kita mikroorganizmų grupė turėjo galimybę transformuoti nitratus į N ₂ . Tokiu būdu būtų galima suprasti azoto ciklą planetoje.

Agentūros reikalavimas

Visiems gyviems gyvūnams gyvybiniams procesams reikia azoto, tačiau ne visi jį naudoja vienodai. Kai kurios bakterijos gali tiesiogiai naudoti atmosferos azotą. Kiti azoto junginius naudoja kaip deguonies šaltinį.

Autotrofinius organizmus reikia tiekti nitratais. Savo ruožtu daugelis heterotrofų gali jį naudoti tik aminogrupių, kurias gauna iš savo maisto, pavidalu.

Komponentai

-Reservai

Didžiausias natūralus azoto šaltinis yra atmosfera, kurioje 78% šio elemento randama dujine forma (N ₂ ), turint šiek tiek azoto oksido ir azoto monoksido.

Nuosėdinėse uolienose yra maždaug 21%, kuri išsiskiria labai lėtai. Likusius 1% sudaro organinės medžiagos ir vandenynai organinio azoto, nitratų ir amoniako pavidalu.

- Dalyvaujantys mikroorganizmai

Yra trys tipai mikroorganizmų, kurie dalyvauja azoto cikle. Tai yra fiksatoriai, nitifikatoriai ir denitifikatoriai.

N-fiksuojančios bakterijos

Jie koduoja azoto fermentų kompleksą, kuris dalyvauja fiksacijos procese. Dauguma šių mikroorganizmų kolonizuoja augalų rizosferą ir vystosi jų audiniuose.

Dažniausia fiksuojančių bakterijų gentis yra šakniastiebis, susijęs su ankštinių augalų šaknimis. Yra ir kitų genčių, tokių kaip Frankia, Nostoc ir Pasasponia, kurios simbiozuoja kitų augalų grupių šaknis.

Laisvos formos melsvadumbliai gali fiksuoti atmosferos azotą vandens aplinkoje

Maitinančios bakterijos

Nitrifikacijos procese dalyvauja trys tipai mikroorganizmų. Šios bakterijos yra pajėgios oksiduoti dirvožemyje esantį amoniaką arba amonio joną. Jie yra chemolitrofiniai organizmai (galintys oksiduoti neorganines medžiagas kaip energijos šaltinį).

Į procesą nuosekliai įsiterpia įvairių genčių bakterijos. Nitrosoma ir nitrocistitas oksiduoja NH3 ir NH4 iki nitritų. Tada nitrobacter ir nitrosococcus oksiduoja šį junginį į nitratus.

2015 m. Buvo nustatyta kita bakterijų grupė, kuri įsiterpia į šį procesą. Jie sugeba tiesiogiai oksiduoti amoniaką į nitratus ir yra Nitrospira gentyje. Kai kurie grybai taip pat sugeba nitrifikuoti amoniaką.

Denitrifikuojančios bakterijos

Buvo pasiūlyta, kad daugiau nei 50 skirtingų bakterijų genų gali sumažinti nitratus iki N ₂ . Tai įvyksta anaerobinėmis sąlygomis (nėra deguonies).

Labiausiai paplitusios denitrifikuojančios gentys yra Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus ir Thiosphaera. Dauguma šių grupių yra heterotrofai.

2006 m. Buvo atrasta aerobinė bakterija (Methylomirabilis oxyfera). Jis yra metanotrofinis (iš metano jis gauna anglies ir energijos) ir iš denitrifikacijos proceso gali gauti deguonį.

Etapai

Azoto ciklas eina per įvairius jo mobilizacijos visoje planetoje etapus. Šios fazės yra:

Fiksacija

Tai yra atmosferos azoto pavertimas formomis, kurios laikomos reaktyviomis (kurias gali naudoti gyvos būtybės). Iš trijų obligacijų, įrašytų N trūkio ₂ molekulės reikia daug energijos ir gali atsirasti dviem būdais: abiotinių arba biotinių.

Azoto ciklas. Redagavo YanLebrel iš paveikslėlio iš Aplinkos apsaugos agentūros: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, per „Wikimedia Commons“

Abiotinė fiksacija

Nitratai gaunami energiją fiksuojant atmosferoje. Jis gaunamas iš žaibo ir kosminės radiacijos elektrinės energijos.

N ₂ susijungia su deguonimi ir sudaro oksiduotas azoto formas, tokias kaip NO (azoto dioksidas) ir NO ₂ (azoto oksidas). Vėliau šie junginiai į žemės paviršių pernešami kaip azoto rūgštis (HNO ₃ ).

Didelės energijos fiksacija apima maždaug 10% azoto cikle esančių nitratų.

Biotinė fiksacija

Jį vykdo dirvožemyje esantys mikroorganizmai. Šios bakterijos paprastai yra susijusios su augalų šaknimis. Skaičiuojama, kad per metus biotinis azotas fiksuoja maždaug 200 milijonų tonų.

Atmosferos azotas virsta amoniaku. Pirmajame etape reakcijos, N ₂ yra sumažintas iki NH ₃ (amoniako). Šioje formoje jis yra įtrauktas į aminorūgštis.

Šiame procese dalyvauja fermentinis kompleksas su įvairiais oksidacijos-redukcijos centrais. Šis azotazės kompleksas yra sudarytas iš reduktazės (suteikia elektronus) ir azotozės. Pastarasis naudoja elektronus, kad sumažintų N ₂ iki NH ₃ . Proceso metu sunaudojama daug ATP.

Esant didelėms O ₂ koncentracijoms, azotozės kompleksas yra negrįžtamai slopinamas . Radikaliuose mazgeliuose yra baltymas (leghemoglobinas), kuris palaiko labai mažą O ₂ kiekį . Šis baltymas gaminamas sąveikaujant šaknims ir bakterijoms.

Asimiliacija

Augalai, kurie neturi simbioziniais asociaciją su N _2- nustatantis bakterijas imtis azotą iš dirvožemio. Šis elementas absorbuojamas nitratais per šaknis.

Kai nitratai patenka į augalą, dalį jo sunaudoja šakninės ląstelės. Dar viena dalis yra paskirstoma ksilemu visam augalui.

Kai jis bus naudojamas, citoplazmoje nitratas sumažinamas iki nitrito. Šį procesą katalizuoja fermento nitrato reduktazė. Nitritai gabenami į chloroplastus ir kitus plastidus, kur jie redukuojami į amonio joną (NH ₄ ).

Dideli kiekiai amonio jonų yra toksiški augalui. Taigi jis greitai įtraukiamas į karbonatinius griaučius, kad susidarytų aminorūgštys ir kitos molekulės.

Vartotojams azotas gaunamas pašarus tiesiogiai iš augalų ar kitų gyvūnų.

Amonifikacija

Šiame procese azoto junginiai, esantys dirvožemyje, suskaidomi į paprastesnes chemines formas. Azotas yra negyvose organinėse medžiagose ir tokiose atliekose kaip karbamidas (žinduolių šlapimas) arba šlapimo rūgštis (paukščių išskyros).

Šiose medžiagose esantis azotas yra sudėtingų organinių junginių pavidalu. Mikroorganizmai naudoja aminorūgštis, esančias šiose medžiagose, savo baltymams gaminti. Šiame procese jie išskiria azoto perteklių amoniako arba amonio jonų pavidalu.

Šie junginiai yra dirvožemyje, kad kiti mikroorganizmai galėtų veikti šiose ciklo fazėse.

Nitrifikacija

Šios fazės metu dirvožemio bakterijos oksiduoja amoniaką ir amonio joną. Proceso metu išsiskiria energija, kurią bakterijos sunaudoja savo metabolizme.

Pirmoje dalyje nitrozuojančios Nitrosomų genties bakterijos oksiduoja amoniaką ir amonio jonus į nitritus. Šių mikroorganizmų membranoje randamas fermentas amoniako mooksigenazė. Tai oksiduoja NH ₃ , kad hidroksilaminu, kuris po to yra oksiduotas į nitritu dalyvaujant bakterijų periplazmoje.

Vėliau nitratuojančios bakterijos oksituoja nitritus į nitratus, naudodamos fermentą nitrito oksidoreduktazę. Nitratai lieka dirvožemyje, kur augalai juos gali absorbuoti.

Denitrifikacija

Šiame etape, jų oksiduotų formų azoto (nitritų ir nitratų) yra konvertuojami atgal į N ₂ ir tik mažesniu mastu, azoto oksido.

Procesą vykdo anaerobinės bakterijos, kurios kvėpavimo metu naudoja elektroninius junginius kaip azoto junginius. Denitrifikacijos greitis priklauso nuo kelių veiksnių, tokių kaip turimas nitratų ir dirvožemio prisotinimas bei temperatūra.

Kai dirvožemis yra prisotintas vandens, O ₂ nebėra prieinamas, o bakterijos kaip elektronų akceptorių naudoja NO ₃ . Kai labai žema temperatūra, mikroorganizmai negali to atlikti.

Ši fazė yra vienintelis būdas azotu pašalinti iš ekosistemos. Tokiu būdu fiksuotas N ₂ grįžta į atmosferą ir išlaikoma šio elemento pusiausvyra.

Svarba

Šis ciklas turi didelę biologinę reikšmę. Kaip mes paaiškinome anksčiau, azotas yra svarbi gyvųjų organizmų dalis. Dėl šio proceso jis tampa biologiškai tinkamas naudoti.

Vystant javus, azoto prieinamumas yra vienas iš pagrindinių produktyvumo apribojimų. Nuo žemės ūkio pradžios dirvožemis buvo praturtintas šiuo elementu.

Ankštiniai augalai, siekiant pagerinti dirvožemio kokybę, yra įprasta praktika. Taip pat ryžių sodinimas užtvindytame dirvožemyje skatina aplinkos sąlygas, būtinas azotui naudoti.

XIX amžiuje guana (paukščių ekskrementai) buvo plačiai naudojama kaip išorinis azoto šaltinis pasėliuose. Tačiau šio amžiaus pabaigoje nepakako padidinti maisto produktų gamybos.

XIX amžiaus pabaigoje vokiečių chemikas Fritzas Haberis sukūrė procesą, kurį vėliau komercializavo Carlo Boschas. Tai sudaro reaguojant N ₂ ir vandenilio dujas, kad sudarytų amoniaką. Jis žinomas kaip Haber-Bosch procesas.

Ši dirbtinio amoniako gamybos forma yra vienas iš pagrindinių azoto šaltinių, kurį gali naudoti gyvos būtybės. Manoma, kad 40% pasaulio gyventojų priklauso nuo šių trąšų savo maistui.

Azoto ciklo sutrikimai

Šiuo metu antropinė amoniako gamyba yra maždaug 85 tonos per metus. Tai neigiamai veikia azoto ciklą.

Dėl didelio cheminių trąšų naudojimo užteršiami dirvožemiai ir vandeningieji sluoksniai. Manoma, kad daugiau nei 50% šio užterštumo yra Haber-Bosch sintezės pasekmė.

Azoto perteklius lemia vandens telkinių eutrifikaciją (praturtinimą maistinėmis medžiagomis). Antropinis eugrifikacija yra labai greita ir sukelia spartesnį dumblių augimą.

Jie sunaudoja daug deguonies ir gali kaupti toksinus. Dėl deguonies trūkumo kiti ekosistemoje esantys organizmai miršta.

Be to, iškastinis kuras į atmosferą išskiria daug azoto oksido. Tai reaguoja su ozonu ir sudaro azoto rūgštį, kuri yra viena iš rūgščių lietaus komponentų.

Nuorodos

1. Cerón L ir A Aristizábal (2012) Azoto ir fosforo ciklo dirvožemyje dinamika. Kolombas. Biotechnolis. 14: 285–295.
2. Estupiñan R ir B Quesada (2010) Haber-Bosch procesas agroindustrinėje visuomenėje: pavojai ir alternatyvos. Žemės ūkio maisto produktų sistema: prekių pakeitimas, kovos ir pasipriešinimas. Redakcija ILSA. Bogota Kolumbija. 75–95
3. Galloway JN (2003) Visuotinis azoto ciklas. In: Schelesinger W (red.) Traktatas apie geochemiją. Elsevieras, JAV. p 557-583.
4. Galloway JN (2005) Visuotinis azoto ciklas: praeitis, dabartis ir ateitis. Mokslas Kinijoje, Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. „Pajares S“ (2016) Azoto kaskados, kurias sukelia žmogaus veikla. „Oikos“ 16: 14-17.
6. Stein L ir M Klotz (2016) Azoto ciklas. Dabartinė biologija 26: 83-101.