Χαρακτηριστικά κύκλου αζώτου, δεξαμενές, στάδια, σημασία

Το κύκλου αζώτου είναι η διαδικασία της μετακίνησης του αζώτου μεταξύ της ατμόσφαιρας και της βιόσφαιρας. Είναι ένας από τους πιο σημαντικούς βιογεωχημικούς κύκλους. Το άζωτο (N) είναι ένα στοιχείο μεγάλης σημασίας, αφού απαιτείται από όλους τους οργανισμούς για την ανάπτυξή του. Είναι μέρος της χημικής σύνθεσης των νουκλεϊνικών οξέων (DNA και RNA) και των πρωτεϊνών.

Η μεγαλύτερη ποσότητα αζώτου στον πλανήτη βρίσκεται στην ατμόσφαιρα. Το ατμοσφαιρικό άζωτο (N₂) δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας από τα περισσότερα έμβια όντα. Υπάρχουν βακτηρίδια ικανά να τα στερεώσουν και να τα ενσωματώσουν στο έδαφος ή στο νερό με τρόπους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από άλλους οργανισμούς.

Ακολούθως, το άζωτο εξομοιώνεται με αυτοτροφικούς οργανισμούς. Οι περισσότεροι ετερότροποι οργανισμοί το αποκτούν με τη σίτιση. Στη συνέχεια απελευθερώνουν τις υπερβολές με τη μορφή ούρων (θηλαστικών) ή περιττωμάτων (πτηνών).

Σε μια άλλη φάση της διαδικασίας υπάρχουν βακτήρια που συμμετέχουν στον μετασχηματισμό αμμωνίας σε νιτρώδη και νιτρικά που ενσωματώνονται στο έδαφος. Και στο τέλος του κύκλου, μια άλλη ομάδα μικροοργανισμών χρησιμοποιεί το οξυγόνο που είναι διαθέσιμο σε ενώσεις αζώτου στην αναπνοή. Σε αυτή τη διαδικασία απελευθερώνουν το άζωτο πίσω στην ατμόσφαιρα.

Επί του παρόντος, η μεγαλύτερη ποσότητα αζώτου που χρησιμοποιείται στη γεωργία παράγεται από ανθρώπους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια περίσσεια αυτού του στοιχείου στα εδάφη και τις πηγές νερού, προκαλώντας μια ανισορροπία σε αυτόν τον βιογεωχημικό κύκλο.

Ευρετήριο

• 1 Γενικά χαρακτηριστικά
  • 1.1 Προέλευση
  • 1.2 Χημικές μορφές 
  • 1.3 Ιστορία
  • 1.4 Απαιτήσεις για τους οργανισμούς
• 2 Εξαρτήματα
  • 2.1-Δεξαμενές
  • 2.2 -Οι μικροοργανισμοί που συμμετέχουν
• 3 στάδια
  • 3.1 Στερέωση
  • 3.2 Εξομοίωση
  • 3.3 Amonification
  • 3.4 Νιτροποίηση
  • 3.5 Απονιτροποίηση
• 4 Σημασία
• 5 Μεταβολές του κύκλου αζώτου
• 6 Αναφορές

Γενικά χαρακτηριστικά

Προέλευση

Θεωρείται ότι το άζωτο προέρχεται από τη νουκλεοσύνθεση (δημιουργία νέων ατομικών πυρήνων). Τα αστέρια με μεγάλες μάζες ηλίου έφθασαν στην πίεση και τη θερμοκρασία που ήταν απαραίτητα για το σχηματισμό του αζώτου.

Όταν η γη προήλθε, το άζωτο ήταν σε στερεή κατάσταση. Στη συνέχεια, με την ηφαιστειακή δραστηριότητα, το στοιχείο αυτό εισήλθε στην αέρια κατάσταση και ενσωματώθηκε στην ατμόσφαιρα του πλανήτη.

Το άζωτο είχε τη μορφή Ν₂. Πιθανώς οι χημικές μορφές που χρησιμοποιούνται από τα ζωντανά όντα (αμμωνία NH₃) εμφανίστηκε από κύκλους αζώτου μεταξύ της θάλασσας και των ηφαιστείων. Με αυτόν τον τρόπο, το NH₃ θα είχαν ενσωματωθεί στην ατμόσφαιρα και μαζί με άλλα στοιχεία θα δημιουργούσαν οργανικά μόρια.

Χημικές μορφές

Το άζωτο εμφανίζεται σε διάφορες χημικές μορφές, που αναφέρονται σε διαφορετικές καταστάσεις οξείδωσης (απώλεια ηλεκτρονίων) αυτού του στοιχείου. Αυτές οι διαφορετικές μορφές ποικίλλουν τόσο ως προς τα χαρακτηριστικά τους όσο και ως προς τη συμπεριφορά τους. Αέριο άζωτο (Ν₂) δεν είναι σκουριασμένο.

Οι οξειδωμένες μορφές ταξινομούνται ως οργανικές και ανόργανες. Οι οργανικές μορφές υπάρχουν κυρίως σε αμινοξέα και πρωτεΐνες. Οι ανόργανες καταστάσεις είναι η αμμωνία (ΝΗ₃), το ιόν αμμωνίου (ΝΗ₄), νιτρώδη (ΝΟ₂) και τα νιτρικά (NO₃), μεταξύ άλλων.

Ιστορία

Το άζωτο ανακαλύφθηκε το 1770 από τρεις επιστήμονες ανεξάρτητα (Scheele, Rutherford και Lavosier). Το 1790 ο Γάλλος Chaptal ονόμασε αέριο ως άζωτο.

Στο δεύτερο μισό του δέκατου ένατου αιώνα, διαπιστώθηκε ότι είναι ένα ουσιαστικό συστατικό των ιστών των ζωντανών οργανισμών και της ανάπτυξης των φυτών. Ομοίως, αποδείχθηκε η ύπαρξη σταθερής ροής μεταξύ των οργανικών και ανόργανων μορφών.

Στην αρχή θεωρήθηκε ότι οι πηγές αζώτου ήταν αστραπές και ατμοσφαιρική εναπόθεση. Το 1838, η Boussingault καθόρισε τη βιολογική σταθεροποίηση αυτού του στοιχείου στα όσπρια. Στη συνέχεια, το 1888, ανακαλύφθηκε ότι οι μικροοργανισμοί που συνδέονται με τις ρίζες των οσπρίων ήταν υπεύθυνοι για τον καθορισμό του Ν₂.

Μια άλλη σημαντική ανακάλυψη ήταν η ύπαρξη βακτηρίων που ήταν ικανά να οξειδώσουν την αμμωνία σε νιτρώδη άλατα. Όπως και άλλες ομάδες που μεταμόρφωσαν τα νιτρώδη σε νιτρικά.

Ήδη από το 1885, η Gayon διαπίστωσε ότι μια άλλη ομάδα μικροοργανισμών είχε την ικανότητα να μετατρέπει νιτρικά σε Ν₂. Με τέτοιο τρόπο, ο κύκλος του αζώτου στον πλανήτη θα μπορούσε να γίνει κατανοητός.

Απαίτηση των οργανισμών

Όλα τα ζωντανά όντα απαιτούν άζωτο για τις ζωτικές διαδικασίες τους, αλλά δεν το χρησιμοποιούν όλοι με τον ίδιο τρόπο. Ορισμένα βακτήρια είναι σε θέση να χρησιμοποιούν ατμοσφαιρικό άζωτο άμεσα. Άλλοι χρησιμοποιούν αζωτούχες ενώσεις ως πηγή οξυγόνου.

Οι αυτοτροφικοί οργανισμοί απαιτούν την παροχή με τη μορφή νιτρικών αλάτων. Από την πλευρά τους, πολλά ετερότροπα μπορούν να τα χρησιμοποιήσουν μόνο με τη μορφή αμινομάδων που λαμβάνουν από το φαγητό τους.

Εξαρτήματα

-Δεξαμενές

Η μεγαλύτερη φυσική πηγή αζώτου είναι η ατμόσφαιρα, όπου το 78% αυτού του στοιχείου βρίσκεται σε αέρια μορφή (Ν₂), με μερικά ίχνη νιτρώδους οξειδίου και μονοξειδίου του αζώτου.

Οι ιζηματογενείς βράχοι περιέχουν περίπου το 21% που απελευθερώνονται πολύ αργά. Το υπόλοιπο 1% περιέχεται σε οργανική ύλη και στους ωκεανούς με τη μορφή οργανικού αζώτου, νιτρικών αλάτων και αμμωνίας.

-Συμμετέχοντες μικροοργανισμοί

Υπάρχουν τρεις τύποι μικροοργανισμών που συμμετέχουν στον κύκλο του αζώτου. Αυτά είναι σταθεροποιητές, νιτρωτήρες και απονιτροποιητικά.

Ν-σταθεροποιητικά βακτηρίδια₂

Κωδικοποιούν ένα σύμπλεγμα ενζύμων αζώτου που εμπλέκονται στη διαδικασία στερέωσης. Οι περισσότεροι από αυτούς τους μικροοργανισμούς αποικίζουν τη ριζόσφαιρα των φυτών και αναπτύσσονται στους ιστούς τους.

Ο συνηθέστερος τύπος βακτηρίων καθορισμού είναι Rhizobium, που συνδέεται με τις ρίζες των οσπρίων. Υπάρχουν και άλλα είδη όπως Φρανκιά, Nostoc και Pasasponia που συμβιβάζονται με τις ρίζες άλλων ομάδων φυτών.

Τα κυανοβακτήρια σε ελεύθερη μορφή, μπορούν να σταθεροποιήσουν το ατμοσφαιρικό άζωτο σε υδάτινα περιβάλλοντα

Νιτρικοποιητικά βακτήρια

Υπάρχουν τρεις τύποι μικροοργανισμών που εμπλέκονται στη διαδικασία νιτροποίησης. Αυτά τα βακτήρια είναι ικανά να οξειδώσουν την αμμωνία ή το ιόν αμμωνίου που υπάρχει στο χώμα. Είναι χηλολιθοτροφικοί οργανισμοί (που μπορούν να οξειδώσουν ανόργανα υλικά ως πηγή ενέργειας).

Βακτήρια διαφορετικών γενών επεμβαίνουν διαδοχικά στη διαδικασία. Νιτροσώματος και Νιτροκύστης οξείδωση του ΝΗ3 και του ΝΗ4 σε νιτρώδη άλατα. Τότε Nitrobacter και Nitrosococcus οξειδώστε την ένωση αυτή σε νιτρικά άλατα.

Το 2015 ανακαλύφθηκε μια άλλη ομάδα βακτηρίων που εμπλέκονται σε αυτή τη διαδικασία. Είναι ικανές να οξειδώσουν απευθείας αμμωνία σε νιτρικά άλατα και βρίσκονται στο γένος Nitrospira. Ορισμένοι μύκητες είναι επίσης ικανοί να αποικοδομούν αμμωνία.

Βακτηριακά απονιτροποιητικά

Έχει επισημανθεί ότι περισσότερα από 50 διαφορετικά γένη βακτηρίων μπορούν να μειώσουν τα νιτρικά σε Ν₂. Αυτό συμβαίνει υπό αναερόβιες συνθήκες (απουσία οξυγόνου).

Τα πιο κοινά γένη απονιτροποίησης είναι Alcaligenes, Paracoccus, Ψευδομονάδα, Rhizobium, Thiobacillus και Θειοφόρα. Η πλειοψηφία αυτών των ομάδων είναι ετερότροφη.

Το 2006 ανακαλύφθηκε ένα βακτήριο (Methylomirabilis oxyfera) που είναι αερόβια. Είναι μεθανότροφη (λαμβάνει ενέργεια από άνθρακα και μεθάνιο) και είναι σε θέση να αποκτά οξυγόνο από τη διαδικασία απονιτροποίησης.

Στάδια

Ο κύκλος του αζώτου περνάει από πολλά στάδια στην κινητοποίησή του σε ολόκληρο τον πλανήτη. Αυτές οι φάσεις είναι:

Στερέωση

Είναι η μετατροπή του ατμοσφαιρικού αζώτου σε μορφές που θεωρούνται αντιδραστικές (που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα ζωντανά όντα). Η διάσπαση των τριών δεσμών που περιέχει το Ν μόριο₂ Απαιτεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας και μπορεί να συμβεί με δύο τρόπους: αβιοτικό ή βιοτικό.

Αβιοτική στερέωση

Τα νιτρικά λαμβάνονται με υψηλή σταθεροποίηση της ενέργειας στην ατμόσφαιρα. Προέρχεται από την ηλεκτρική ενέργεια του κεραυνού και της κοσμικής ακτινοβολίας.

Το Ν₂ συνδυάζεται με οξυγόνο για να δημιουργηθούν οξειδωμένες μορφές αζώτου όπως ΝΟ (διοξείδιο του αζώτου) και ΝΟ₂ (νιτρώδες οξείδιο). Ακολούθως, αυτές οι ενώσεις φέρονται στην επιφάνεια της γης με βροχή ως νιτρικό οξύ (HNO₃).

Η σταθεροποίηση υψηλής ενέργειας ενσωματώνει περίπου το 10% των νιτρικών αλάτων που υπάρχουν στον κύκλο του αζώτου.

Βιοτική στερέωση

Εκτελείται από μικροοργανισμούς εδάφους. Γενικά, αυτά τα βακτήρια συνδέονται με τις ρίζες των φυτών. Εκτιμάται ότι η ετήσια βιοτική δέσμευση αζώτου είναι περίπου 200 εκατομμύρια τόνοι ετησίως.

Το ατμοσφαιρικό άζωτο μετατρέπεται σε αμμώνιο. Σε μία πρώτη φάση της αντίδρασης, το Ν₂ μειώνεται σε ΝΗ₃ (αμμωνία). Με αυτόν τον τρόπο ενσωματώνεται στα αμινοξέα.

Σε αυτή τη διαδικασία, εμπλέκεται ένα ενζυματικό σύμπλοκο με διάφορα κέντρα μείωσης οξειδίων. Αυτό το σύμπλοκο αζώζης αποτελείται από μία αναγωγάση (παρέχει ηλεκτρόνια) και μία αζωτάση. Ο τελευταίος χρησιμοποιεί τα ηλεκτρόνια για να μειώσει το N₂ σε NH₃. Στη διαδικασία καταναλώνεται μεγάλη ποσότητα ΑΤΡ.

Το σύμπλοκο αζώζης αναστέλλεται ανεπανόρθωτα παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων Ο₂. Στα ριζικά οζίδια υπάρχει μια πρωτεΐνη (legemoglobin) που διατηρεί την περιεκτικότητα σε Ο πολύ χαμηλή₂. Αυτή η πρωτεΐνη παράγεται από την αλληλεπίδραση μεταξύ των ριζών και των βακτηρίων.

Εξομοίωση

Φυτά που δεν έχουν συμβιωτική σχέση με τα βακτήρια που καθορίζουν τη Ν₂, παίρνουν το άζωτο από το έδαφος. Η απορρόφηση αυτού του στοιχείου γίνεται με τη μορφή νιτρικών αλάτων μέσω των ριζών.

Μόλις τα νιτρικά εισέλθουν στο φυτό, ένα μέρος χρησιμοποιείται από τα ριζικά κύτταρα. Ένα άλλο μέρος διανέμεται από το xylem σε ολόκληρο το φυτό.

Όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθεί, το νιτρικό άλας μειώνεται σε νιτρώδες στο κυτταρόπλασμα. Αυτή η διαδικασία καταλύεται από την αναγωγάση νιτρικού ενζύμου. Τα νιτρώδη μεταφέρονται σε χλωροπλάστες και άλλα πλαστίδια, όπου μειώνονται σε ιόν αμμωνίου (ΝΗ₄).

Το ιόν αμμωνίου σε μεγάλες ποσότητες είναι τοξικό για το φυτό. Έτσι ενσωματώνεται γρήγορα σε σκελετούς ανθρακικού άλατος για να σχηματίσουν αμινοξέα και άλλα μόρια.

Στην περίπτωση των καταναλωτών, το άζωτο λαμβάνεται με άμεση σίτιση από φυτά ή άλλα ζώα.

Amonification

Σε αυτή τη διαδικασία, οι ενώσεις αζώτου που υπάρχουν στο έδαφος αποικοδομούνται σε απλούστερες χημικές μορφές. Το άζωτο περιέχεται σε νεκρά οργανικά υλικά και σε απόβλητα όπως ουρία (ούρα από θηλαστικά) ή ουρικό οξύ (εκκρίματα από πτηνά).

Το άζωτο που περιέχεται στις ουσίες αυτές έχει τη μορφή σύνθετων οργανικών ενώσεων. Οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν τα αμινοξέα που περιέχονται στις ουσίες αυτές για να παράγουν τις πρωτεΐνες τους. Σε αυτή τη διαδικασία απελευθερώνουν περίσσεια αζώτου με τη μορφή αμμωνίας ή ιόντος αμμωνίου.

Αυτές οι ενώσεις είναι διαθέσιμες στο έδαφος για άλλους μικροοργανισμούς που δρουν στις επόμενες φάσεις του κύκλου.

Νιτροποίηση

Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης τα βακτηρίδια του εδάφους οξειδώνουν την αμμωνία και το ιόν αμμωνίου. Στη διαδικασία, απελευθερώνεται ενέργεια που χρησιμοποιείται από τα βακτήρια στο μεταβολισμό τους.

Στο πρώτο μέρος, τα βακτήρια νιτροποίησης του γένους Νιτροσώματα οξείδωση της αμμωνίας και του ιόντος αμμωνίου σε νιτρώδη άλατα. Στη μεμβράνη αυτών των μικροοργανισμών είναι το ένζυμο moxigenase αμμωνίας. Αυτό οξειδώνει το ΝΗ₃ σε υδροξυλαμίνη, η οποία μετά οξειδώνεται σε νιτρώδες άλας στο περίπλασμα του βακτηρίου.

Ακολούθως, τα νιτρικά βακτηρίδια οξειδώνουν τα νιτρώδη προς νιτρικά χρησιμοποιώντας την οξειδοαναγωγάση νιτρώδους ενζύμου. Τα νιτρικά είναι διαθέσιμα στο έδαφος, όπου μπορούν να απορροφηθούν από τα φυτά.

Denitrification

Σε αυτό το στάδιο, οι οξειδωμένες μορφές αζώτου (νιτρώδη και νιτρικά) μετατρέπονται πάλι σε Ν₂ και σε μικρότερο βαθμό οξείδιο του αζώτου.

Η διεργασία εκτελείται από αναερόβια βακτήρια, τα οποία χρησιμοποιούν αζωτούχες ενώσεις ως δέκτες ηλεκτρονίων κατά την αναπνοή. Ο ρυθμός απονιτροποίησης εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως ο διαθέσιμος κορεσμός των νιτρικών αλάτων και του εδάφους και η θερμοκρασία.

Όταν το χώμα είναι κορεσμένο με νερό, το O₂ δεν είναι άμεσα διαθέσιμα και τα βακτήρια χρησιμοποιούν ΟΧΙ₃ ως δέκτης ηλεκτρονίων. Όταν οι θερμοκρασίες είναι πολύ χαμηλές, οι μικροοργανισμοί δεν μπορούν να εκτελέσουν τη διαδικασία.

Αυτή η φάση είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο αφαιρείται το άζωτο από ένα οικοσύστημα. Με αυτό τον τρόπο, ο Ν₂ που ήταν σταθερή επιστρέφει στην ατμόσφαιρα και διατηρείται η ισορροπία αυτού του στοιχείου.

Σημασία

Αυτός ο κύκλος έχει μεγάλη βιολογική σημασία. Όπως εξηγήσαμε προηγουμένως, το άζωτο είναι ένα σημαντικό μέρος των ζωντανών οργανισμών. Μέσω αυτής της διαδικασίας γίνεται βιολογικά χρησιμοποιήσιμο.

Στην ανάπτυξη των καλλιεργειών, η διαθεσιμότητα αζώτου είναι ένας από τους κύριους περιορισμούς στην παραγωγικότητα. Από την αρχή της γεωργίας, το έδαφος έχει εμπλουτιστεί με αυτό το στοιχείο.

Η καλλιέργεια οσπρίων για τη βελτίωση της ποιότητας των εδαφών είναι μια κοινή πρακτική. Ομοίως, η φύτευση ρυζιού στο πλημμυρισμένο έδαφος προάγει τις περιβαλλοντικές συνθήκες που απαιτούνται για τη χρήση του αζώτου.

Κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα, guano (excreta πουλιών) χρησιμοποιείται ευρέως ως εξωτερική πηγή αζώτου στις καλλιέργειες. Ωστόσο, μέχρι το τέλος αυτού του αιώνα ήταν ανεπαρκής για την αύξηση της παραγωγής τροφίμων.

Ο Γερμανός χημικός Fritz Haber, στα τέλη του 19ου αιώνα, ανέπτυξε μια διαδικασία που αργότερα διατέθηκε στο εμπόριο από τον Carlo Bosch. Αυτό συνεπάγεται ότι η Ν αντιδρά₂ και αέριο υδρογόνο για σχηματισμό αμμωνίας. Είναι γνωστή ως η διαδικασία Haber-Bosch.

Αυτή η μορφή τεχνητής αμμωνίας είναι μία από τις κύριες πηγές αζώτου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα ζωντανά όντα. Θεωρείται ότι το 40% του παγκόσμιου πληθυσμού εξαρτάται από αυτά τα λιπάσματα για τα τρόφιμά τους.

Μεταβολές του κύκλου αζώτου

Η σημερινή ανθρωπογενής παραγωγή αμμωνίας είναι περίπου 85 τόνοι ετησίως. Αυτό έχει αρνητικές συνέπειες στον κύκλο του αζώτου.

Λόγω της υψηλής χρήσης χημικών λιπασμάτων, υπάρχει μόλυνση των εδαφών και των υδροφορέων. Θεωρείται ότι περισσότερο από το 50% αυτής της μόλυνσης είναι συνέπεια της σύνθεσης Haber-Bosch.

Οι υπερβολές του αζώτου οδηγούν στον ευτροφισμό (εμπλουτισμό με θρεπτικά συστατικά) των υδάτινων σωμάτων. Ο ανθρωπογενής ευτροφισμός είναι πολύ γρήγορος και προκαλεί επιτάχυνση της ανάπτυξης κυρίως των φυκών.

Αυτά καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες οξυγόνου και μπορούν να συσσωρεύουν τοξίνες. Λόγω της έλλειψης οξυγόνου, οι άλλοι οργανισμοί που υπάρχουν στο οικοσύστημα καταλήγουν να πεθαίνουν.

Επιπλέον, η χρήση ορυκτών καυσίμων απελευθερώνει μεγάλες ποσότητες οξειδίου του αζώτου στην ατμόσφαιρα. Αυτό αντιδρά με το όζον και σχηματίζει νιτρικό οξύ, το οποίο είναι ένα από τα συστατικά της όξινης βροχής.

Αναφορές

1. Cerón L and A Aristizábal (2012) Δυναμική του κύκλου αζώτου και φωσφόρου στα εδάφη. Rev. Colomb. Biotechnol 14: 285-295.
2. Estupiñan R και B Quesada (2010) Η διαδικασία Haber-Bosch στην αγροτοβιομηχανία: κίνδυνοι και εναλλακτικές λύσεις. Το Αγροδιατροφικό Σύστημα: εμπορευματοποίηση, αγώνες και αντίσταση. ILSA Editorial. Μπογκοτά, Κολομβία 75-95
3. Galloway JN (2003) Ο παγκόσμιος κύκλος αζώτου. Στο: Schelesinger W (ed.) Treatise on Geochemistry. Elsevier, ΗΠΑ. ρ 557-583.
4. Galloway JN (2005) Ο παγκόσμιος κύκλος αζώτου: το παρελθόν, το παρόν και το μέλλον. Επιστήμη στην Κίνα Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Ο καταρράκτης αζώτου που προκαλείται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Οίκος 16: 14-17.
6. Stein L και M Klotz (2016) Ο κύκλος του αζώτου. Current Biology 26: 83-101.