Характеристики на азотния цикъл, резервоари, етапи, значение

на азотен цикъл това е процесът на движение на азот между атмосферата и биосферата. Това е един от най-важните биогеохимични цикли. Азотът (N) е елемент от голямо значение, тъй като се изисква от всички организми за неговия растеж. Той е част от химическия състав на нуклеиновите киселини (ДНК и РНК) и протеините.

Най-голямото количество азот на планетата е в атмосферата. Атмосферният азот (N₂) не може да се използва директно от повечето живи същества. Има бактерии, които могат да го фиксират и да го включат в почвата или водата по начини, които могат да бъдат използвани от други организми.

Впоследствие азотът се усвоява от автотрофни организми. Повечето хетеротрофни организми го придобиват чрез хранене. След това те освобождават излишъците под формата на урина (бозайници) или екскременти (птици).

В друга фаза на процеса има бактерии, които участват в превръщането на амоняк в нитрити и нитрати, които са включени в почвата. И в края на цикъла, друга група микроорганизми използва кислорода, наличен в азотните съединения при дишането. В този процес те освобождават азота обратно в атмосферата.

В момента най-голямото количество азот, използван в селското стопанство, се произвежда от хора. Това води до излишък на този елемент в почвите и водните източници, което води до дисбаланс в този биогеохимичен цикъл.

индекс

• 1 Общи характеристики
  • 1.1 Произход
  • 1.2 Химични форми 
  • 1.3 История
  • 1.4 Изисквания към организмите
• 2 Компоненти
  • 2.1 -Reservorios
  • 2.2 - Участващи микроорганизми
• 3 Етапи
  • 3.1 Фиксиране
  • 3.2 Асимилация
  • 3.3 Амонификация
  • 3.4 Нитрификация
  • 3.5 Денитрификация
• 4 Значение
• 5 Промени в азотния цикъл
• 6 Препратки

Общи характеристики

източник

Счита се, че азотът произхожда от нуклеосинтеза (създаване на нови атомни ядра). Звезди с големи хелиеви маси достигнаха налягането и температурата, необходими за образуването на азот.

Когато Земята произхождаше, азотът беше в твърдо състояние. След това, с вулканичната активност, този елемент влезе в газовото състояние и се включи в атмосферата на планетата.

Азотът е под формата на N₂. Вероятно химическите форми, използвани от живите същества (амоняк NH.)₃) се появяват азотни цикли между морето и вулканите. По този начин NH₃ биха били включени в атмосферата и заедно с други елементи са довели до органични молекули.

Химични форми

Азотът се среща в различни химически форми, отнасящи се до различни окислителни състояния (загуба на електрони) на този елемент. Тези различни форми варират както по характеристиките си, така и по поведението си. Азотен газ (N₂) не е ръждясал.

Окислените форми се класифицират като органични и неорганични. Органичните форми се съдържат главно в аминокиселини и протеини. Неорганичните състояния са амоняк (NH₃амониев йон (NH₄), нитрити (NO₂) и нитрати (NO₃), наред с други.

история

Азотът е открит през 1770 г. от трима учени самостоятелно (Шеле, Ръдърфорд и Лавосие). През 1790 г. французинът Чаптал нарича газ като азот.

През втората половина на XIX век се установява, че той е съществен компонент от тъканите на живите организми и растежа на растенията. По същия начин се доказва наличието на постоянен поток между органичните и неорганичните форми.

В началото се смяташе, че източниците на азот са мълнии и атмосферни отлагания. През 1838 г. Boussingault определя биологичната фиксация на този елемент в бобовите растения. След това, през 1888 г., е установено, че микроорганизмите, свързани с корените на бобовите растения, са отговорни за фиксирането на N₂.

Друго важно откритие е наличието на бактерии, които са способни да окисляват амоняка до нитрити. Както и други групи, които трансформират нитрити в нитрати.

Още през 1885 г. Gayon установява, че друга група микроорганизми има способността да трансформира нитратите в N₂. По такъв начин, че азотният цикъл на планетата може да бъде разбран.

Изискване за организми

Всички живи същества изискват азот за своите жизнени процеси, но не всички го използват по същия начин. Някои бактерии могат директно да използват атмосферния азот. Други използват азотни съединения като източник на кислород.

Автотрофните организми изискват доставка под формата на нитрати. От своя страна, много хетеротрофи могат да го използват само под формата на аминогрупи, които получават от храната си.

елементи

-резервоари

Най-големият естествен източник на азот е атмосферата, където 78% от този елемент се намира в газообразна форма (N₂), с някои следи от азотен оксид и азотен монооксид.

Седиментните скали съдържат около 21%, които се отделят много бавно. Останалите 1% се съдържат в органични вещества и океаните под формата на органичен азот, нитрати и амоняк.

-Участващи микроорганизми

Има три вида микроорганизми, които участват в азотния цикъл. Това са фиксатори, нитрификатори и денитрификатори.

N-фиксиращи бактерии₂

Те кодират комплекс от ензими, съдържащи азот, които участват в процеса на фиксиране. Повечето от тези микроорганизми колонизират ризосферата на растенията и се развиват в техните тъкани.

Най-честият вид фиксиращи бактерии е Rhizobium, което е свързано с корените на бобовите растения. Има и други жанрове Frankia, Nostoc и Pasasponia които правят симбиоза с корените на други групи растения.

Цианобактериите в свободна форма могат да фиксират атмосферния азот във водни среди

Нитрифициращи бактерии

Има три вида микроорганизми, които участват в процеса на нитрификация. Тези бактерии са способни да окисляват амоняка или амониевия йон в почвата. Те са хемолитотрофни организми (способни да окисляват неорганични материали като енергиен източник).

Бактериите от различни родове се намесват последователно в процеса. Nitrosoma и Nitrocystis окисляват NH3 и NH4 до нитрити. след това Nitrobacter и Nitrosococcus окисляват това съединение до нитрати.

През 2015 г. е открита друга група бактерии, участващи в този процес. Те са способни директно да окисляват амоняка до нитрати и се намират в рода Nitrospira. Някои гъбички също са способни на нитрифициране на амоняк.

Денитрифициращи бактерии

Беше посочено, че повече от 50 различни рода бактерии могат да намалят нитратите до N₂. Това се случва при анаеробни условия (липса на кислород).

Най-често срещаните денитрификационни родове са Алкалиген, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus и Thiosphaera. По-голямата част от тези групи са хетеротрофни.

През 2006 г. е открита бактерия (Methylomirabilis oxyfera), която е аеробна. Той е метанотрофен (получава енергия от въглерод и метан) и е в състояние да получи кислород от процеса на денитрификация..

етапи

Азотният цикъл преминава през няколко етапа в своята мобилизация по цялата планета. Тези фази са:

фиксиране

Това е превръщането на атмосферния азот във форми, считани за реактивни (които могат да бъдат използвани от живите същества). Прекъсването на трите връзки, които съдържат N молекулата₂ Тя изисква голямо количество енергия и може да се прояви по два начина: абиотичен или биотичен.

Абиотична фиксация

Нитратите се получават чрез висока енергийна фиксация в атмосферата. Той идва от електрическата енергия на светкавицата и космическата радиация.

N₂ той се комбинира с кислород, за да се получат окислени форми на азот, като NO (азотен диоксид) и NO₂ (азотен оксид). Впоследствие тези съединения се довеждат до земната повърхност чрез дъжд като азотна киселина (HNO₃).

Фиксирането с висока енергия включва около 10% от нитратите, присъстващи в азотния цикъл.

Биотична фиксация

Извършва се от почвени микроорганизми. Обикновено тези бактерии се свързват с корените на растенията. Смята се, че годишната биотична фиксация на азот е приблизително 200 милиона тона годишно.

Атмосферният азот се превръща в амоняк. В първата фаза на реакцията, N₂ се редуцира до NH₃ (Амоняк). По този начин тя се включва в аминокиселините.

В този процес се включва ензимен комплекс с различни оксидно-редукционни центрове. Този азотен комплекс се състои от редуктаза (осигурява електрони) и азотна киселина. Последният използва електроните за намаляване на N₂ до NH₃. В процеса се консумира голямо количество АТР.

Азотният азотен комплекс е необратимо инхибиран в присъствието на високи концентрации на О₂. В радикалните нодули е налице протеин (леггемоглобин), който поддържа съдържанието на О много ниско₂. Този протеин се произвежда от взаимодействието между корените и бактериите.

асимилация

Растения, които нямат симбиотична връзка с N-фиксиращите бактерии₂, те вземат азота от почвата. Абсорбцията на този елемент се извършва под формата на нитрати през корените.

След като нитратите влязат в растението, част от нея се използва от кореновите клетки. Друга част се разпределя от ксилемата на цялото растение.

Когато се използва, нитратите се редуцират до нитрити в цитоплазмата. Този процес се катализира от ензима нитрат редуктаза. Нитритите се транспортират до хлоропласти и други пластиди, където се редуцират до амониев йон (NH₄).

Амониевият йон в големи количества е токсичен за растението. Така че той бързо се включва в карбонатни скелети, за да образува аминокиселини и други молекули.

В случая на потребителите, азотът се получава чрез директно хранене от растения или други животни.

amonificación

В този процес присъстващите в почвата азотни съединения се разграждат до по-прости химически форми. Азотът се съдържа в мъртва органична материя и отпадъци като урея (урина от бозайници) или пикочна киселина (екскрети от птици).

Азотът, съдържащ се в тези вещества, е под формата на сложни органични съединения. Микроорганизмите използват аминокиселините, съдържащи се в тези вещества, за да произвеждат своите протеини. В този процес те освобождават излишния азот под формата на амоняк или амониев йон.

Тези съединения са на разположение в почвата, за да могат другите микроорганизми да действат в следните фази на цикъла.

нитрификация

По време на тази фаза почвените бактерии окисляват амоняка и амониевия йон. По време на процеса се отделя енергия, която се използва от бактериите в техния метаболизъм.

В първата част, нитрозиращите бактерии от рода Nitrosomas окисляват амоняка и амониевия йон в нитрит. В мембраната на тези микроорганизми е ензимът амоняк мооксигеназа. Това окислява NH₃ към хидроксиламин, който след това се окислява до нитрит в периплазмата на бактерията.

Впоследствие, нитриращите бактерии окисляват нитритите до нитрати, като използват ензима нитрит оксидоредуктаза. Нитратите са налични в почвата, където могат да се абсорбират от растенията.

денитрификация

В този етап окислените форми на азот (нитрити и нитрати) се превръщат обратно в N₂ и в по-малка степен азотен оксид.

Процесът се осъществява от анаеробни бактерии, които използват азотни съединения като акцептори на електрони по време на дишането. Степента на денитрификация зависи от няколко фактора, като налична насищане с нитрати и почви и температура.

Когато почвата е наситена с вода, О₂ тя не е лесно достъпна и бактериите използват NO₃ като акцептор на електрони. Когато температурите са много ниски, микроорганизмите не могат да извършват процеса.

Тази фаза е единственият начин, по който азотът се отстранява от екосистемата. По този начин N₂ това е фиксирано връщане към атмосферата и балансът на този елемент се запазва.

важност

Този цикъл има голямо биологично значение. Както обяснихме по-рано, азотът е важна част от живите организми. Чрез този процес тя става биологично използваема.

При разработването на култури наличието на азот е едно от основните ограничения върху производителността. От началото на земеделието почвата е обогатена с този елемент.

Отглеждането на бобови растения за подобряване на качеството на почвите е често срещана практика. По същия начин засаждането на ориз в наводнената почва благоприятства условията на околната среда, необходими за използването на азот.

През 19-ти век, гуано (птичи екскременти) се използва широко като външен източник на азот в културите. Въпреки това, до края на този век е недостатъчно за увеличаване на производството на храни.

Немският химик Фриц Хабер в края на 19-ти век разработва процес, който по-късно е продаден от Карло Бош. Това включва вземане на N реакции₂ и газообразен водород за образуване на амоняк. Той е известен като процеса на Хабер-Бош.

Тази форма на изкуствен амоняк е един от основните източници на азот, използван от живите същества. Смята се, че 40% от световното население зависи от тези торове за тяхната храна.

Промени в азотния цикъл

Текущото производство на амоняк е около 85 тона годишно. Това води до отрицателни последствия в азотния цикъл.

Поради високата употреба на химически торове, има замърсяване на почвите и водоносите. Счита се, че повече от 50% от това замърсяване е следствие от синтеза на Haber-Bosch.

Излишните количества азот водят до еутрофикация (обогатяване с хранителни вещества) на водните тела. Антропогенната еутрификация е много бърза и причинява ускорен растеж главно на водорасли.

Те консумират голямо количество кислород и могат да натрупват токсини. Поради липсата на кислород другите организми, присъстващи в екосистемата, в крайна сметка умират.

В допълнение, използването на изкопаеми горива освобождава големи количества азотен оксид в атмосферата. Той реагира с озона и образува азотна киселина, която е един от компонентите на киселинните дъждове.

препратки

1. Cerón L и A Aristizábal (2012) Динамика на азотния и фосфорния цикъл в почвите. Rev. Colomb. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R и B Quesada (2010) процесът Haber-Bosch в агроиндустриалното общество: опасности и алтернативи. Аграрната система: комодификация, борба и съпротива. ILSA Редакция. Богота, Колумбия 75-95
3. Galloway JN (2003) Глобалният азотен цикъл. В: Schelesinger W (ed.) Трактат за геохимията. Elsevier, САЩ. 557-583.
4. Galloway JN (2005) Глобалният азотен цикъл: минало, настояще и бъдеще. Наука в Китай Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Азотната каскада, причинена от човешката дейност. Икос 16: 14-17.
6. Stein L и M Klotz (2016) Азотният цикъл. Current Biology 26: 83-101.