Lämmastiku tsükli omadused, reservuaarid, etapid, tähtsus



The lämmastiku tsükkel see on lämmastiku liikumise protsess atmosfääri ja biosfääri vahel. See on üks olulisemaid biogeokeemilisi tsükleid. Lämmastik (N) on suure tähtsusega element, sest see on vajalik kõigi organismide kasvuks. See on osa nukleiinhapete (DNA ja RNA) ja valkude keemilisest koostisest.

Suurim kogus lämmastikku planeedil on atmosfääris. Atmosfääri lämmastik (N2) ei saa enamik elusolendeid kasutada otse. On olemas bakterid, mis on võimelised seda kinnitama ja ühendama pinnasesse või vette viisil, mida võivad kasutada teised organismid.

Seejärel imendub lämmastik autotroofsete organismidega. Enamik heterotroofseid organisme saab selle toitmise teel. Seejärel vabastavad nad liigsed uriinina (imetajad) või väljaheidetena (linnud).

Protsessi teises faasis on baktereid, mis osalevad ammoniaagi muundamisel nitrititeks ja pinnasesse integreeritud nitraatideks. Tsükli lõpus kasutab teine ​​mikroorganismide rühm lämmastikuühendites sisalduvat hapnikku hingamisel. Selles protsessis vabastavad nad lämmastiku atmosfääri.

Praegu toodetakse suurimat põllumajanduses kasutatavat lämmastikku inimeste poolt. See on põhjustanud selle elemendi üleliigse mulla- ja veeallikates, põhjustades selles biogeokeemilises tsüklis tasakaalustamatust.

Indeks

  • 1 Üldised omadused
    • 1.1 Päritolu
    • 1.2 Keemilised vormid 
    • 1.3 Ajalugu
    • 1.4 Nõuded organismidele
  • 2 Komponendid
    • 2.1-reservuaarid
    • 2.2 -Mikroorganismid osalevad
  • 3 etappi
    • 3.1 Fikseerimine
    • 3.2 Assimilatsioon
    • 3.3 Kontrollimine
    • 3.4 Nitrifikatsioon
    • 3.5 Denitrifikatsioon
  • 4 Tähtsus
  • 5 Lämmastiku tsükli muutmine
  • 6 Viited

Üldised omadused

Päritolu

Arvatakse, et nukleosünteesist pärinev lämmastik (uute aatomite loomine). Suurte heeliummassiga tähed saavutasid lämmastiku moodustumiseks vajaliku rõhu ja temperatuuri.

Kui Maa algas, oli lämmastik tahkes olekus. Seejärel tuli vulkaanilise tegevusega see element gaasilisse olekusse ja see lisati planeedi atmosfääri.

Lämmastik oli N kujul2. Tõenäoliselt elusolendite kasutatavad keemilised vormid (ammoniaak NH3) ilmnesid mere ja vulkaanide vahelised lämmastikutsüklid. Sel viisil NH3 oleksid kaasatud atmosfääri ja koos teiste elementidega tekitaks orgaanilisi molekule.

Keemilised vormid

Lämmastik esineb mitmesugustes keemilistes vormides, viidates selle elemendi erinevatele oksüdatsioonitingimustele (elektronide kadu). Need erinevad vormid erinevad nii nende omaduste kui käitumise poolest. Lämmastikgaas (N2) ei ole roostes.

Oksüdeeritud vormid liigitatakse orgaanilisteks ja anorgaanilisteks. Orgaanilised vormid esinevad peamiselt aminohapetes ja valkudes. Anorgaanilised olekud on ammoniaak (NH3) ammooniumioon (NH4), nitritid (NO2) ja nitraadid (NO3) muu hulgas.

Ajalugu

Lämmastikku avastas 1770. aastal kolm teadlast iseseisvalt (Scheele, Rutherford ja Lavosier). 1790. aastal nimetas prantslane Chaptal lämmastikuks gaasi.

19. sajandi teisel poolel leiti, et see on elusorganismide kudede ja taimede kasvu oluline osa. Samuti ilmnes püsiva voolu olemasolu orgaaniliste ja anorgaaniliste vormide vahel.

Alguses leiti, et lämmastikuallikad olid välk ja atmosfääri sadestumine. 1838. aastal määras Boussingault selle elemendi bioloogilise fikseerimise kaunviljades. Seejärel avastati 1888. aastal, et kaunviljade juurtega seotud mikroorganismid vastutavad N-i kinnitamise eest.2.

Teine oluline avastus oli bakterite olemasolu, mis olid võimelised oksüdeerima ammoniaaki nitrititeks. Lisaks teistele rühmadele, mis muutsid nitritid nitraatideks.

Juba 1885. aastal määras Gayon kindlaks, et teisel mikroorganismide rühmal oli võimalik nitraate N-ks muundada2. Sel viisil oleks võimalik mõista planeedil olevat lämmastiku tsüklit.

Organismide nõue

Kõik elusolendid vajavad lämmastikku nende elutähtsate protsesside jaoks, kuid mitte kõik ei kasuta seda samal viisil. Mõned bakterid on võimelised kasutama atmosfääri lämmastikku otse. Teised kasutavad hapnikuallikana lämmastikuühendeid.

Autotroofsed organismid vajavad nitraatide tarnimist. Paljud heterotroofid võivad omalt poolt seda kasutada ainult aminorühmade kujul, mida nad saavad oma toidust.

Komponendid

-Reservuaarid

Suurim looduslik lämmastikuallikas on atmosfäär, kus 78% sellest elemendist leidub gaasilises vormis (N2), millel on mõned lämmastikoksiidi ja lämmastikmonooksiidi jäljed.

Sedakivimid sisaldavad umbes 21%, mis vabanevad väga aeglaselt. Ülejäänud 1% sisaldub orgaanilises aines ja ookeanides orgaanilise lämmastiku, nitraatide ja ammoniaagi kujul.

-Osalevad mikroorganismid

Lämmastiku tsüklis osalevad kolm tüüpi mikroorganisme. Need on kinnitusvahendid, nitriiferid ja denitrierid.

N-kinnitavad bakterid2

Nad koodivad lämmastikuensüümide kompleksi, mis on seotud fikseerimisprotsessiga. Enamik neist mikroorganismidest koloniseerivad taimede risosfääri ja arenevad nende kudedes.

Kõige levinum kinnitusbakterite tüüp on Rhizobium, mis on seotud kaunviljade juurtega. On ka teisi žanreid Frankia, Nostoc ja Pasasponia mis teevad sümbioosi teiste taimede rühmade juurtega.

Vabas vormis olevad tsüanobakterid võivad atmosfääri lämmastikku kinnitada veekeskkondades

Nitrifitseerivad bakterid

Nitrifikatsiooniprotsessis osalevad kolm tüüpi mikroorganisme. Need bakterid on võimelised oksüdeerima mulla ammoniaaki või ammooniumi. Need on kemolithotrophic organismid (mis on võimelised oksüdeerima anorgaanilisi materjale energiaallikana).

Erinevate perekondade bakterid sekkuvad protsessi järjestikku. Nitrosoom ja Nitrocystis oksüdeeritakse NH3 ja NH4 nitrititeks. Siis Nitrobacter ja Nitrosokokk oksüdeerige see ühend nitraatideks.

2015. aastal avastati teine ​​selles protsessis osalev bakterite rühm. Nad on võimelised ammoniaaki oksüdeerima otse nitraatideks ja paiknevad perekonnas Nitrospira. Mõned seened on ka võimelised nitrifitseerima ammoniaaki.

Denitrifitseerivad bakterid

On rõhutatud, et rohkem kui 50 erinevat bakterite perekonda võib N-nitraate vähendada2. See toimub anaeroobsetes tingimustes (hapniku puudumine).

Kõige levinumad denitrifitseerivad perekonnad on Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Tiobatsill ja Thiosphaera. Enamik neist rühmadest on heterotroofsed.

2006. aastal avastati bakter (Methylomirabilis oxyfera) mis on aeroobne. See on metanotroofne (saab süsiniku ja metaani energiat) ja on võimeline denitrifikatsiooniprotsessist hapnikku saama.

Etapid

Lämmastiku tsükkel läbib mobilisatsiooni kogu planeedil mitmel etapil. Need etapid on järgmised:

Fikseerimine

See on atmosfääri lämmastiku muundamine vormideks, mida peetakse reaktiivseteks (mida võib kasutada elusolendid). N-molekuli sisaldavate kolme sideme purustamine2 See vajab suurt energiat ja võib esineda kahel viisil: abiotiliselt või biootiliselt.

Abiootiline fikseerimine

Nitraadid saadakse atmosfääris suure energiasisaldusega. See pärineb välklambi ja kosmilise kiirguse elektrienergiast.

N2 see kombineeritakse hapnikuga, et tekitada oksüdeeritud lämmastiku vorme, nagu NO (lämmastikdioksiid) ja NO2 (lämmastikoksiid). Seejärel viiakse need ühendid maa pinnale vihma abil lämmastikhappena (HNO3).

Kõrge energiaga fikseerimine sisaldab umbes 10% lämmastiku tsüklis leiduvatest nitraatidest.

Biotiline fikseerimine

Seda teostavad mulla mikroorganismid. Üldiselt on need bakterid seotud taimede juurtega. Hinnanguliselt on lämmastiku aastane biootiline fikseerimine ligikaudu 200 miljonit tonni aastas.

Atmosfääri lämmastik muudetakse ammooniumiks. Reaktsiooni esimeses faasis N2 redutseeritakse NH-ks3 (ammoniaak). Sel viisil lisatakse see aminohapetesse.

Selles protsessis on kaasatud mitmesuguste oksiidide redutseerimiskeskustega ensümaatiline kompleks. See lämmastikuga seotud kompleks koosneb reduktaasist (sisaldab elektrone) ja lämmastikku. Viimane kasutab N-i vähendamiseks elektrone2 NH-i3. Protsessis tarbitakse palju ATP-d.

Lämmastikukompleks inhibeeritakse pöördumatult O suurte kontsentratsioonide juuresolekul2. Radikaalsetes sõlmedes on olemas valk (leghemoglobiin), mis hoiab O-sisalduse väga madalana2. Seda valku toodab juurte ja bakterite vaheline interaktsioon.

Assimilatsioon

Taimed, millel ei ole sümbiootilist seost N-kinnitavate bakteritega2, nad võtavad lämmastiku pinnasest. Selle elemendi imendumine toimub nitraatidena juurte kaudu.

Kui nitraadid taime sisenevad, kasutavad juurrakud osa. Teine osa jagatakse xülemi poolt kogu tehasele.

Kui seda kasutatakse, tsütoplasmas väheneb nitraat nitritiks. Seda protsessi katalüüsib nitraadi reduktaasi ensüüm. Nitritid transporditakse kloroplastidesse ja teistesse plastiididesse, kus nad redutseeritakse ammooniumiooniks (NH4).

Ammooniumioon suurte koguste puhul on taimele toksiline. Nii on see kiiresti kaasatud karbonaatide skelettidesse, et moodustada aminohappeid ja teisi molekule.

Tarbijate puhul saadakse lämmastik, kui söödetakse otse taimedest või teistest loomadest.

Amonification

Selles protsessis lagunevad mullas olevad lämmastikuühendid lihtsamateks keemilisteks vormideks. Lämmastik sisaldub surnud orgaanilises aines ja jäätmetes nagu uurea (imetajate uriin) või kusihappes (lindude väljaheited)..

Nendes ainetes sisalduv lämmastik on komplekssete orgaaniliste ühendite kujul. Mikroorganismid kasutavad nende ainete aminohappeid oma valkude tootmiseks. Selles protsessis vabastavad nad liigset lämmastikku ammoniaagi või ammooniumioonina.

Need ühendid on mullas kättesaadavad teiste mikroorganismide toimimiseks tsükli järgmistes etappides.

Nitrifikatsioon

Selle faasi ajal oksüdeerivad mullabakterid ammoniaaki ja ammooniumi. Protsessis vabaneb energia, mida bakterid kasutavad oma ainevahetuses.

Esimeses osas on perekonna nitrosifitseerivad bakterid Nitrosoomid oksüdeerige ammoniaak ja ammooniumioon nitritiks. Nende mikroorganismide membraanis on ammoniaagi mooksigenasa ensüüm. See oksüdeerib NH-i3 hüdroksüülamiin, mis seejärel oksüdeerub bakteri periplasmas nitritiks.

Seejärel oksüdeerivad nitreerivad bakterid nitritid nitraatideks, kasutades ensüümi nitrit oksidoreduktaasi. Nitraadid on saadaval pinnases, kus taimed võivad neelduda.

Denitrifikatsioon

Selles etapis muundatakse lämmastiku oksüdeeritud vormid (nitritid ja nitraadid) uuesti N-ks2 ja vähemal määral lämmastikoksiidi.

Protsessi teostavad anaeroobsed bakterid, mis kasutavad hingamise ajal lämmastikuühendeid elektronide aktseptoritena. Denitrifikatsiooni kiirus sõltub mitmest tegurist, näiteks olemasolevast nitraadist ja pinnase küllastumisest ja temperatuurist.

Kui muld on veega küllastunud, siis O2 see ei ole kergesti kättesaadav ja bakterid kasutavad NO3 elektroni aktseptorina. Kui temperatuur on väga madal, ei saa mikroorganismid protsessi läbi viia.

See etapp on ainus viis, kuidas lämmastik ökosüsteemist eemaldatakse. Sel viisil N2 fikseeritud tagasipöördumine atmosfääri ja selle elemendi tasakaal.

Olulisus

Sellel tsüklil on suur bioloogiline tähtsus. Nagu me varem selgitasime, on lämmastik elusorganismide oluline osa. Selle protsessi kaudu muutub see bioloogiliselt kasutatavaks.

Põllukultuuride arendamisel on lämmastiku kättesaadavus üks peamisi tootlikkuse piiranguid. Põllumajanduse algusest saadik on seda elementi rikastatud.

Hariliku viljapuude kasvatamine mulla kvaliteedi parandamiseks on tavaline tava. Samuti soodustab riisi istutamine üleujutatud pinnases lämmastiku kasutamiseks vajalikke keskkonnatingimusi.

19. sajandil kasutati guaanot (lindude väljaheidet) laialdaselt välise lämmastikuallikana põllukultuurides. Kuid selle sajandi lõpuks ei olnud see toiduainete tootmise suurendamiseks piisav.

Saksa keemik Fritz Haber töötas 19. sajandi lõpus välja protsessi, mida hiljem Carlo Bosch turustab. See tähendab, et N reageerib2 ja gaasiline vesinik ammoniaagi moodustamiseks. Seda tuntakse Haber-Boschi protsessina.

See kunstliku ammoniaagi vorm on üks peamisi elusolendite kasutatavaid lämmastikuallikaid. Leitakse, et 40% maailma elanikkonnast sõltub nende väetistest.

Lämmastiku tsükli muutmine

Praegune antropogeenne ammoniaagi tootmine on umbes 85 tonni aastas. See toob kaasa negatiivseid tagajärgi lämmastiku tsüklis.

Keemiliste väetiste suure kasutuse tõttu on pinnas ja põhjaveekiht saastunud. Arvatakse, et üle 50% sellest saastest on Haber-Boschi sünteesi tagajärg.

Lämmastiku liigne kogus põhjustab veekogude eutrofeerumist (rikastumist toitainetega). Antropogeenne eutrifikatsioon on väga kiire ja põhjustab peamiselt vetikate kiirenenud kasvu.

Need tarbivad suurtes kogustes hapnikku ja võivad koguda toksiine. Hapniku puudumise tõttu surevad teised ökosüsteemis olevad organismid surma.

Lisaks vabastab fossiilkütuste kasutamine atmosfääri suurtes kogustes lämmastikoksiidi. See reageerib osooniga ja moodustab lämmastikhapet, mis on üks happevihmade komponente.

Viited

  1. Cerón L ja A Aristizábal (2012) Lämmastiku ja fosforitsükli dünaamika pinnases. Kolumb. Biotechnol 14: 285-295.
  2. Estupiñan R ja B Quesada (2010) Haber-Boschi protsess agrotööstusühiskonnas: ohud ja alternatiivid. Agroaleaalsüsteem: tarbimine, võitlus ja vastupanu. ILSA toimetamine. Bogotá, Kolumbia 75-95
  3. Galloway JN (2003) Globaalne lämmastiku tsükkel. In: Schelesinger W (ed.) Geoloogia keemia. Elsevier, USA. p 557-583.
  4. Galloway JN (2005) Ülemaailmne lämmastiku tsükkel: minevik, olevik ja tulevik. Teadus Hiinas Ser C Life Sciences 48: 669-677.
  5. Pajares S (2016) Inimtegevusest põhjustatud lämmastiku kaskaad. Oikos 16: 14-17.
  6. Stein L ja M Klotz (2016) Lämmastiku tsükkel. Current Biology 26: 83-101.