Značilnosti dušikovega cikla, rezervoarji, stopnje, pomen



The cikel dušika gre za proces pretoka dušika med atmosfero in biosfero. To je eden najpomembnejših biogeokemičnih ciklov. Dušik (N) je zelo pomemben element, saj ga potrebujejo vsi organizmi za njegovo rast. Je del kemične sestave nukleinskih kislin (DNA in RNA) in beljakovin.

Največja količina dušika na planetu je v ozračju. Atmosferski dušik (N2) večine živih bitij ne morejo neposredno uporabljati. Obstajajo bakterije, ki jih lahko popravijo in vključijo v zemljo ali vodo na načine, ki jih lahko uporabljajo drugi organizmi.

Nato se dušik izenači z avtotrofnimi organizmi. Večina heterotrofnih organizmov jo pridobiva s hranjenjem. Nato izpustijo presežke v obliki urina (sesalcev) ali iztrebkov (ptice)..

V drugi fazi procesa obstajajo bakterije, ki sodelujejo pri pretvorbi amoniaka v nitrite in nitrate, ki so vključeni v zemljo. In na koncu cikla druga skupina mikroorganizmov v dihanju uporablja kisik, ki je na voljo v dušikovih spojinah. Pri tem sproščajo dušik nazaj v ozračje.

Trenutno največ ljudi v kmetijstvu proizvaja največ dušika. To je povzročilo presežek tega elementa v tleh in vodnih virih, kar je povzročilo neravnovesje v tem biogeokemičnem ciklu.

Indeks

  • 1 Splošne značilnosti
    • 1.1 Izvor
    • 1.2 Kemične oblike 
    • 1.3 Zgodovina
    • 1.4 Zahteve za organizme
  • 2 Komponente
    • 2.1 - Rezervoarji
    • 2.2 - Sodelujoči mikroorganizmi
  • 3 Stopnje
    • 3.1 Fiksiranje
    • 3.2 Asimilacija
    • 3.3 Amonifikacija
    • 3.4 Nitrifikacija
    • 3.5 Denitrifikacija
  • 4 Pomen
  • 5 Spremembe dušikovega cikla
  • 6 Reference

Splošne značilnosti

Izvor

Šteje se, da dušik izvira iz nukleosinteze (ustvarjanje novih atomskih jeder). Zvezde z velikimi helijskimi masami so dosegle tlak in temperaturo, potrebno za tvorbo dušika.

Ko je Zemlja izvirala, je bil dušik v trdnem stanju. Nato se je z vulkansko aktivnostjo ta element prešel v plinasto stanje in vključen v atmosfero planeta.

Dušik je bil v obliki N2. Verjetno kemijske oblike, ki jih uporabljajo živa bitja (amoniak NH3) so se pojavili dušikovi cikli med morjem in vulkanom. Na ta način NH3 bi bila vključena v ozračje in skupaj z drugimi elementi povzročila nastanek organskih molekul.

Kemične oblike

Dušik nastopi v različnih kemijskih oblikah, ki se nanašajo na različna oksidacijska stanja (izguba elektronov) tega elementa. Te različne oblike se razlikujejo tako po lastnostih kot po svojem vedenju. Dušikov plin (N2) ni zarjavel.

Oksidirane oblike so razvrščene kot organske in anorganske. Organske oblike so prisotne predvsem v aminokislinah in beljakovinah. Anorganska stanja so amoniak (NH3amonijev ion (NH4), nitriti (NO2) in nitrati (NO3), med drugim.

Zgodovina

Dušik so leta 1770 odkrili trije znanstveniki (Scheele, Rutherford in Lavosier). Leta 1790 je Francoz Chaptal poimenoval plin kot dušik.

V drugi polovici devetnajstega stoletja je bilo ugotovljeno, da je bistvena sestavina tkiv živih organizmov in rast rastlin. Prav tako je bil dokazan obstoj stalnega pretoka med organskimi in anorganskimi oblikami.

Na začetku se je štelo, da so viri dušika strele in atmosferske usedline. Leta 1838 je Boussingault določil biološko fiksacijo tega elementa v stročnicah. Potem, leta 1888, je bilo ugotovljeno, da so mikroorganizmi, povezani s koreninami stročnic, odgovorni za fiksiranje N2.

Drugo pomembno odkritje je obstoj bakterij, ki so sposobne oksidirati amoniak do nitritov. Tako kot druge skupine, ki so nitrite spremenili v nitrate.

Že leta 1885 je Gayon ugotovil, da ima druga skupina mikroorganizmov sposobnost preoblikovanja nitratov v N2. Tako bi lahko razumeli krogotok dušika na planetu.

Zahteva po organizmih

Vsa živa bitja potrebujejo dušik za svoje življenjske procese, vendar ga vsi ne uporabljajo na enak način. Nekatere bakterije lahko neposredno uporabljajo atmosferski dušik. Drugi uporabljajo dušikove spojine kot vir kisika.

Avtotrofni organizmi potrebujejo oskrbo v obliki nitratov. Mnogi heterotrofi jo lahko uporabljajo le v obliki amino skupin, ki jih dobijo iz hrane.

Komponente

-Rezervoarji

Največji naravni vir dušika je ozračje, kjer je 78% tega elementa v plinasti obliki (N2), z nekaj sledovi dušikovega oksida in dušikovega monoksida.

Sedimentne kamnine vsebujejo približno 21%, ki se sproščajo zelo počasi. Preostalih 1% vsebujejo organske snovi in ​​oceani v obliki organskega dušika, nitratov in amoniaka.

-Sodelujoči mikroorganizmi

V ciklu dušika sodelujejo tri vrste mikroorganizmov. To so fiksirji, nitrifici in denitrificiri.

Bakterije, ki fiksirajo N2

Označujejo kompleks dušikovih encimov, ki so vključeni v proces fiksacije. Večina teh mikroorganizmov naseljuje rizosfero rastlin in se razvija v njihovih tkivih.

Najpogostejša vrsta bakterij za fiksiranje je Rhizobium, ki je povezana s koreninami stročnic. Obstajajo tudi drugi žanri Frankia, Nostoc in Pasasponia ki delajo simbiozo s koreninami drugih skupin rastlin.

Cianobakterije v prosti obliki lahko določajo atmosferski dušik v vodnih okoljih

Nitrificirajoče bakterije

V procesu nitrifikacije so vključene tri vrste mikroorganizmov. Te bakterije so sposobne oksidirati amoniak ali amonijev ion v tleh. So kemolitotrofni organizmi (sposobni oksidirati anorganske materiale kot vir energije)..

Bakterije različnih rodov se v procesu medsebojno ukvarjajo. Nitrosoma in Nitrocystis oksidirajo NH3 in NH4 na nitrite. Potem pa Nitrobacter in Nitrosococcus oksidirajo to spojino na nitrate.

Leta 2015 je bila odkrita še ena skupina bakterij, vključenih v ta proces. Sposobni so neposredno oksidirati amoniak v nitrate in se nahajajo v rodu Nitrospira. Nekatere glive so tudi sposobne nitrifikacije amoniaka.

Denitrificirajoče bakterije

Poudarjeno je bilo, da lahko več kot 50 različnih rodov bakterij zmanjša nitrate na N2. To se zgodi v anaerobnih pogojih (odsotnost kisika).

Najpogostejši denitrifying rodovi so Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus in Tiosfere. Večina teh skupin je heterotrofnih.

Leta 2006 je bila odkrita bakterija (Methylomirabilis oxyfera) ki je aerobna. Je metanotrofni (pridobiva energijo ogljika in metana) in je sposoben pridobiti kisik iz denitrifikacijskega procesa..

Stopnje

Kroženje dušika poteka skozi več faz v svoji mobilizaciji po vsem planetu. Te faze so:

Pritrditev

Gre za pretvorbo atmosferskega dušika v oblike, ki se štejejo za reaktivne (ki jih lahko uporabljajo živa bitja). Zlom treh vezi, ki vsebujejo molekulu N2 Zahteva veliko energije in se lahko pojavi na dva načina: abiotski ali biotski.

Abiotska fiksacija

Nitrati se pridobivajo z visoko energetsko fiksacijo v atmosferi. Prihaja iz električne energije strele in kozmičnega sevanja.

N2 v kombinaciji s kisikom nastane oksidirana oblika dušika, kot je NO (dušikov dioksid) in NO2 (dušikov oksid). Nato se te spojine na zemeljsko površino pripeljejo z dežjem kot dušikova kislina (HNO3).

Visoka energetska pritrditev vključuje približno 10% nitratov, ki so prisotni v dušikovem ciklu.

Biotska fiksacija

Izvajajo ga mikroorganizmi v tleh. Na splošno so te bakterije povezane s koreninami rastlin. Ocenjuje se, da je letna biotska fiksacija dušika približno 200 milijonov ton na leto.

Atmosferski dušik se pretvori v amonij. V prvi fazi reakcije je N2 se zmanjša na NH3 (amoniak). Na ta način se vključi v aminokisline.

V tem procesu sodeluje encimski kompleks z različnimi centri za redukcijo oksidov. Ta kompleks dušikovega kompleksa sestoji iz reduktaze (zagotavlja elektrone) in dušikove kisline. Slednji uporablja elektrone za zmanjšanje N2 v NH3. Pri tem se porabi velika količina ATP.

Kombinacija dušikovega kompleksa je v prisotnosti visokih koncentracij O nepovratno inhibirana2. V radikalnih vozličih je prisoten protein (leghemoglobin), ki ohranja vsebnost O zelo nizko2. Ta beljakovina nastane z medsebojnim delovanjem korenin in bakterij.

Asimilacija

Rastline, ki nimajo simbiotične povezave z bakterijami, ki fiksirajo N2, vzamejo dušik iz zemlje. Absorpcija tega elementa poteka v obliki nitratov skozi korenine.

Ko nitrati vstopijo v rastlino, jih uporabljajo koreninske celice. Drugi del se s pomočjo ksilema razdeli na celotno rastlino.

Ko se bo uporabljal, se nitrat v citoplazmi reducira na nitrit. Ta proces katalizira encim nitrat reduktaza. Nitriti se prenašajo v kloroplaste in druge plastide, kjer se reducirajo na amonijev ion (NH4).

Amonijev ion v velikih količinah je strupen za rastlino. Torej je hitro vključen v karbonatne ogrodje, da tvorijo aminokisline in druge molekule.

V primeru potrošnikov se dušik pridobiva s hranjenjem neposredno iz rastlin ali drugih živali.

Amonifikacija

Pri tem se dušikove spojine, ki so prisotne v tleh, razgradijo na preprostejše kemične oblike. Dušik je v mrtvi organski snovi in ​​odpadkih, kot so sečnina (urin sesalcev) ali sečna kislina (izločki pri pticah)..

Dušik, ki ga vsebujejo te snovi, je v obliki kompleksnih organskih spojin. Mikroorganizmi uporabljajo aminokisline, ki jih vsebujejo te snovi, za proizvodnjo svojih beljakovin. Pri tem sproščajo presežek dušika v obliki amoniaka ali amonijevega iona.

Te spojine so na voljo v tleh za delovanje drugih mikroorganizmov v naslednjih fazah cikla.

Nitrifikacija

V tej fazi bakterije oksidirajo amoniak in amonijev ion. Pri tem se sprosti energija, ki jo bakterije uporabljajo pri presnovi.

V prvem delu so nitrozibilne bakterije iz rodu Nitrosomi oksidira amoniak in amonijev ion v nitrit. V membrani teh mikroorganizmov je encim amonijak mooxigenasa. To oksidira NH3 na hidroksilamin, ki se nato oksidira v nitrit v periplazmi bakterije.

Nitritne bakterije nato oksidirajo nitrite do nitratov z uporabo encima nitrit oksidoreduktaze. Nitrati so na voljo v tleh, kjer jih lahko absorbirajo rastline.

Denitrifikacija

V tej fazi se oksidirane oblike dušika (nitriti in nitrati) pretvorijo nazaj v N2 in v manjši meri dušikov oksid.

Proces se izvaja z anaerobnimi bakterijami, ki med dihanjem uporabljajo dušikove spojine kot sprejemnike elektronov. Hitrost denitrifikacije je odvisna od več dejavnikov, kot so razpoložljivost zasičenosti z nitrati in tlemi ter temperatura.

Ko je zemlja nasičena z vodo, se O2 ni na voljo in bakterije uporabljajo NO3 kot sprejemnik elektronov. Ko so temperature zelo nizke, mikroorganizmi ne morejo izvesti postopka.

Ta faza je edini način, da se dušik odstrani iz ekosistema. Na ta način N2 ki je bila fiksno vrnjena v ozračje in se ohranja ravnotežje tega elementa.

Pomen

Ta cikel ima velik biološki pomen. Kot smo že pojasnili, je dušik pomemben del živih organizmov. S tem postopkom postane biološko uporaben.

Pri razvoju pridelkov je razpoložljivost dušika ena od glavnih omejitev produktivnosti. Od začetka kmetijstva so tla obogatili s tem elementom.

Pridelava stročnic za izboljšanje kakovosti tal je običajna praksa. Prav tako zasaditev riža v poplavljenih tleh spodbuja okoljske pogoje, potrebne za uporabo dušika.

V 19. stoletju se je gvano (ptičje izločke) pogosto uporabljal kot zunanji vir dušika v pridelkih. Vendar pa do konca tega stoletja ni bilo dovolj za povečanje proizvodnje hrane.

Nemški kemik Fritz Haber je konec 19. stoletja razvil proces, ki ga je kasneje tržil Carlo Bosch. To pomeni, da se N odzove2 in plinast vodik za tvorbo amoniaka. Znan je kot proces Haber-Bosch.

Ta oblika umetnega amoniaka je eden glavnih virov dušika, ki ga lahko uporabijo živa bitja. Šteje se, da je 40% svetovnega prebivalstva odvisno od teh gnojil za svojo hrano.

Spremembe cikla dušika

Trenutna proizvodnja amonijaka je približno 85 ton na leto. To prinaša negativne posledice v ciklu dušika.

Zaradi visoke porabe kemičnih gnojil pride do onesnaženja tal in vodonosnikov. Šteje se, da je več kot 50% te kontaminacije posledica Haber-Boscheve sinteze.

Presežki dušika vodijo do evtrofikacije (obogatitve s hranili) vodnih teles. Antropogena evtrifikacija je zelo hitra in povzroča pospešeno rast predvsem alg.

Te zaužijejo velike količine kisika in se lahko kopičijo v toksine. Zaradi pomanjkanja kisika drugi organizmi, prisotni v ekosistemu, na koncu umirajo.

Poleg tega uporaba fosilnih goriv sprosti velike količine dušikovega oksida v ozračje. Ta reagira z ozonom in tvori dušikovo kislino, ki je ena od sestavin kislega dežja.

Reference

  1. Cerón L in A Aristizábal (2012) Dinamika cikla dušika in fosforja v tleh. Rev. Colomb. Biotechnol 14: 285-295.
  2. Estupiñan R in B Quesada (2010) proces Haber-Bosch v agroindustrijski družbi: nevarnosti in alternative. Agroalimentarni sistem: komodifikacija, borbe in odpor. ILSA Uvodnik. Bogota, Kolumbija 75-95
  3. Galloway JN (2003) Globalni cikel dušika. V: Schelesinger W (ur.) Razprava o geokemiji. Elsevier, ZDA. 557-583.
  4. Galloway JN (2005) Globalni cikel dušika: preteklost, sedanjost in prihodnost. Znanost na Kitajskem Ser C Life Sciences 48: 669-677.
  5. Pajares S (2016) Kaskada dušika, ki jo povzročajo človeške dejavnosti. Oikos 16: 14-17.
  6. Stein L in M ​​Klotz (2016) Ciklus dušika. Current Biology 26: 83-101.