Nitrogencyklusegenskaber, reservoarer, stadier, betydning
den nitrogencyklus det er processen med nitrogenbevægelse mellem atmosfæren og biosfæren. Det er en af de mest relevante biogeokemiske cyklusser. Kvælstof (N) er et element af stor betydning, da det kræves af alle organismer for dets vækst. Det er en del af den kemiske sammensætning af nukleinsyrer (DNA og RNA) og proteiner.
Den største mængde kvælstof på planeten er i atmosfæren. Det atmosfæriske nitrogen (N2) kan ikke bruges direkte af de fleste levende væsener. Der er bakterier i stand til at klare det og indarbejde det i jorden eller vandet på måder, der kan bruges af andre organismer.
Derefter assimileres kvælstof af autotrofe organismer. De fleste heterotrofe organismer erhverver det ved fodring. Derefter frigør de overskud i form af urin (pattedyr) eller ekskrementer (fugle).
I en anden fase af processen er der bakterier, der deltager i omdannelsen af ammoniak til nitritter og nitrater, der er indarbejdet i jorden. Og i slutningen af cyklussen bruger en anden gruppe af mikroorganismer det ilt tilgængeligt i nitrogenforbindelser ved åndedræt. I denne proces frigiver kvælstof tilbage i atmosfæren.
I øjeblikket produceres den største mængde kvælstof, der anvendes i landbruget af mennesker. Dette har resulteret i et overskud af dette element i jord og vandkilder, hvilket forårsager ubalance i denne biogeokemiske cyklus.
indeks
- 1 Generelle egenskaber
- 1.1 Oprindelse
- 1.2 Kemiske former
- 1.3 Historie
- 1.4 Krav til organismer
- 2 komponenter
- 2.1 -Reservorios
- 2.2 -Microorganisms participating
- 3 trin
- 3.1 Fastgørelse
- 3.2 Assimilering
- 3.3 Forening
- 3.4 Nitrifikation
- 3.5 Denitrifikation
- 4 Betydning
- 5 Ændringer af nitrogencyklusen
- 6 referencer
Generelle egenskaber
kilde
Det antages, at nitrogen stammer fra nukleosyntese (skabelse af nye atomkerner). Stjerner med store heliummasser nåede det tryk og den temperatur, der var nødvendigt for dannelse af nitrogen.
Da jorden opstod, var kvælstoffet i en fast tilstand. Derefter gik det med den vulkanske aktivitet ind i gasformen og blev indarbejdet i planetens atmosfære.
Nitrogenet var i form af N2. Sandsynligvis de kemiske former, der anvendes af levende væsener (ammoniak NH3) optrådte ved nitrogencyklusser mellem havet og vulkanerne. På denne måde har NH3 ville være blevet indarbejdet i atmosfæren og sammen med andre elementer gav anledning til organiske molekyler.
Kemiske former
Kvælstof opstår i forskellige kemiske former, der henvises til forskellige oxidationstilstande (tab af elektroner) af dette element. Disse forskellige former varierer både i deres egenskaber og i deres adfærd. Nitrogen gas (N2) er ikke rusten.
Oxiderede former klassificeres som organiske og uorganiske. De organiske former er primært til stede i aminosyrer og proteiner. De uorganiske tilstande er ammoniak (NH3), ammoniumionen (NH4), nitritter (NO2) og nitrater (nr3), blandt andre.
historie
Kvælstof blev opdaget i 1770 af tre forskere uafhængigt (Scheele, Rutherford og Lavosier). I 1790 kaldte franskmand Chaptal gas som nitrogen.
I anden halvdel af det nittende århundrede viste det sig at være en væsentlig bestanddel af levende organismer og plantens vækst. På samme måde blev eksistensen af en konstant strømning mellem de organiske og uorganiske former påvist.
I starten blev det vurderet, at kilderne til nitrogen var lyn og atmosfærisk aflejring. I 1838 besluttede Boussingault den biologiske fiksering af dette element i bælgfrugter. Derefter blev det i 1888 opdaget, at de mikroorganismer, der var associeret med bælgfrugternes rødder, var ansvarlige for fastsættelsen af N2.
En anden vigtig opdagelse var eksistensen af bakterier, der var i stand til at oxidere ammoniak til nitritter. Samt andre grupper, der omdannede nitrit til nitrater.
Allerede i 1885 fastslog Gayon, at en anden gruppe af mikroorganismer havde evnen til at omdanne nitrater til N2. På en sådan måde kunne nitrogenforløbet på planeten forstås.
Krav til organismer
Alle levende væsener kræver kvælstof til deres vitale processer, men ikke alle bruger det på samme måde. Nogle bakterier kan direkte bruge atmosfærisk nitrogen. Andre bruger nitrogenholdige forbindelser som iltkilde.
Autotrofe organismer kræver en forsyning i form af nitrater. For deres del kan mange heterotrofer kun bruge det i form af aminogrupper, som de får fra deres mad.
komponenter
-reservoirer
Den største naturlige nitrogenkilde er atmosfæren, hvor 78% af dette element findes i gasform (N2), med nogle spor af nitrogenoxid og nitrogenmonoxid.
Sedimentære klipper indeholder ca. 21%, der frigives meget langsomt. De resterende 1% er indeholdt i organisk materiale og oceanerne i form af organisk nitrogen, nitrater og ammoniak.
-Deltagende mikroorganismer
Der er tre typer mikroorganismer, der deltager i nitrogencyklussen. Disse er fiksere, nitrifiører og denitrifiers.
N-fikserende bakterier2
De koder for et kompleks af nitrogenase enzymer, der er involveret i fixeringsprocessen. De fleste af disse mikroorganismer koloniserer rhizosfæren af planter og udvikler sig i deres væv.
Den mest almindelige type af fikseringsbakterier er Rhizobium, som er forbundet med rødder af bælgfrugter. Der er andre genrer som Frankia, Nostoc og Pasasponia det gør symbiose med rødder fra andre grupper af planter.
Cyanobakterier i fri form, kan fastsætte atmosfærisk nitrogen i vandmiljøer
Nitrifiserende bakterier
Der er tre typer mikroorganismer, der er involveret i nitrifikationsprocessen. Disse bakterier er i stand til at oxidere ammoniak eller ammoniumionen i jorden. De er kemolitotrofe organismer (i stand til at oxidere uorganiske materialer som energikilde).
Bakterier af forskellige slægter intervenerer successivt i processen. Nitrosoma og Nitrocystis oxider NH3 og NH4 til nitritter. derefter nitrobacter og Nitrosococcus oxider denne forbindelse til nitrater.
I 2015 blev en anden gruppe bakterier involveret i denne proces opdaget. De er i stand til direkte at oxidere ammoniak til nitrater og er placeret i slægten Nitrospira. Nogle svampe kan også nitrifisere ammoniak.
Denitrifierende bakterier
Det er blevet påpeget, at mere end 50 forskellige bakterier kan reducere nitrater til N2. Dette sker under anaerobe forhold (fravær af ilt).
Den mest almindelige denitrifiserende slægter er Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus og Thiosphaera. Størstedelen af disse grupper er heterotrofiske.
I 2006 blev der opdaget en bakterie (Methylomirabilis oxyfera) som er aerob. Det er metanotrofisk (opnår kulstof og metan energi) og er i stand til at opnå ilt fra denitrifikationsprocessen.
etaper
Nitrogencyklussen går gennem flere faser i mobiliseringen i hele planeten. Disse faser er:
fastsættelse
Det er omdannelsen af atmosfærisk nitrogen til formularer, der betragtes som reaktive (som kan anvendes af levende væsener). Brydningen af de tre bindinger, der indeholder N-molekylet2 Det kræver en stor mængde energi og kan forekomme på to måder: abiotisk eller biotisk.
Abiotisk fixering
Nitrater opnås ved høj energi fixering i atmosfæren. Det kommer fra elektrisk energi af lyn og kosmisk stråling.
N2 det kombineres med oxygen for at stamme oxiderede former for nitrogen, såsom NO (nitrogendioxid) og NO2 (nitrogenoxid). Efterfølgende bringes disse forbindelser til jordens overflade ved regn som salpetersyre (HNO3).
Høj energi fixering inkorporerer ca. 10% af nitraterne til stede i nitrogencyklusen.
Biotisk fiksering
Det udføres af jordmikroorganismer. Generelt er disse bakterier forbundet med planternes rødder. Det anslås, at den årlige biotiske fiksering af kvælstof er ca. 200 mio. Tons om året.
Det atmosfæriske nitrogen omdannes til ammonium. I en første fase af reaktionen er N2 er reduceret til NH3 (Ammoniak). På denne måde indgår det i aminosyrerne.
I denne proces er der involveret et enzymatisk kompleks med forskellige oxidreducerende centre. Dette nitrogenasekompleks består af en reduktase (tilvejebringer elektroner) og en nitrogenase. Sidstnævnte bruger elektronerne til at reducere N2 til NH3. I processen forbruges en stor mængde ATP.
Nitrogasekomplekset hæmmes irreversibelt i nærværelse af høje koncentrationer af O2. I de radikale knuder er et protein (leghemoglobin) til stede, der holder O-indholdet meget lavt2. Dette protein er produceret af interaktionen mellem rødder og bakterier.
assimilation
Planter, der ikke har nogen symbiotisk forening med N-fikserende bakterier2, de tager kvælstof fra jorden. Absorptionen af dette element sker i form af nitrater gennem rødderne.
Når nitraterne træder ind i planten, anvendes en del af rodcellerne. En anden del fordeles af xylemet til hele planten.
Når det skal bruges, reduceres nitrat til nitrit i cytoplasma. Denne proces katalyseres af enzymetitratreduktasen. Nitritter transporteres til kloroplaster og andre plastider, hvor de reduceres til ammoniumion (NH4).
Ammoniumionen i store mængder er giftig for planten. Så det er hurtigt indarbejdet i karbonatskeletter for at danne aminosyrer og andre molekyler.
For forbrugerne opnås nitrogen ved direkte tilførsel fra planter eller andre dyr.
amonificación
I denne proces nedbrydes kvælstofforbindelser, der er til stede i jorden, til enklere kemiske former. Kvælstof er indeholdt i døde organiske stoffer og affald såsom urinstof (urin fra pattedyr) eller urinsyre (udskillet fra fugle).
Nitrogen indeholdt i disse stoffer er i form af komplekse organiske forbindelser. Mikroorganismer bruger aminosyrerne indeholdt i disse stoffer til at producere deres proteiner. I denne proces frigiver de overskydende nitrogen i form af ammoniak eller ammoniumion.
Disse forbindelser er tilgængelige i jorden for andre mikroorganismer til at virke i de følgende faser af cyklussen.
nitrifikation
I løbet af denne fase oxiderer jordbakterier ammoniak og ammoniumion. I processen frigives energi, der bruges af bakterierne i deres metabolisme.
I den første del er de nitroserende bakterier af slægten nitrosomas oxidere ammoniak og ammoniumion i nitrit. I membranen af disse mikroorganismer er enzymet ammoniakmoxigenase. Dette oxiderer NH3 til hydroxylamin, som derefter oxideres til nitrit i periplasma af bakterien.
Derefter oxiderer nitreringsbakterierne nitritterne til nitrater ved hjælp af enzymetitritoxidoreduktasen. Nitrater er tilgængelige i jorden, hvor de kan absorberes af planter.
denitrifikation
I dette stadium omdannes oxiderede nitrogenformer (nitrit og nitrater) tilbage til N2 og i mindre grad nitrousoxid.
Processen udføres af anaerobe bakterier, som bruger nitrogenforbindelser som elektronacceptorer under respiration. Denitrifikationshastigheden afhænger af flere faktorer, såsom tilgængelig nitrat og jordmætning og temperatur.
Når jorden er mættet med vand, er O2 Det er ikke let tilgængeligt, og bakterier bruger NO3 som en elektron acceptor. Når temperaturen er meget lav, kan mikroorganismer ikke udføre processen.
Denne fase er den eneste måde, hvorpå kvælstof fjernes fra et økosystem. På denne måde er N2 det var fast afkast til atmosfæren, og balancen af dette element opretholdes.
betydning
Denne cyklus har stor biologisk relevans. Som vi forklarede tidligere er nitrogen en vigtig del af levende organismer. Gennem denne proces bliver det biologisk brugbart.
I udviklingen af afgrøder er tilgængeligheden af nitrogen en af de væsentligste begrænsninger for produktiviteten. Siden jordbrugets begyndelse er jorden blevet beriget med dette element.
Dyrkning af bælgplanter til forbedring af jordbundens kvalitet er en almindelig praksis. På samme måde fremmer plantningen af ris i oversvømmet jord de miljømæssige forhold, der er nødvendige for brug af nitrogen.
I det 19. århundrede blev guano (fugleekstret) meget anvendt som en ekstern nitrogenkilde i afgrøder. Men i slutningen af dette århundrede var det utilstrækkeligt at øge fødevareproduktionen.
Den tyske kemiker Fritz Haber udviklede i slutningen af det 19. århundrede en proces, der senere blev markedsført af Carlo Bosch. Dette indebærer at N reagerer2 og gasformigt hydrogen til dannelse af ammoniak. Det er kendt som Haber-Bosch-processen.
Denne form for kunstig ammoniak er en af de vigtigste kilder til kvælstof, der kan anvendes af levende væsener. Det vurderes, at 40% af verdens befolkning afhænger af disse gødninger til deres mad.
Forandringer af nitrogencyklusen
Den nuværende menneskeskabte ammoniakproduktion er ca. 85 tons om året. Dette medfører negative konsekvenser i nitrogencyklussen.
På grund af den store anvendelse af kemiske gødningsstoffer er der forurening af jord og vandfibre. Det vurderes, at mere end 50% af denne forurening er en konsekvens af Haber-Bosch-syntesen.
Overskud af nitrogen fører til eutrofiering (berigelse med næringsstoffer) af vandlegemer. Antropogen eutrifikation er meget hurtig og forårsager accelereret vækst primært af alger.
Disse forbruger store mængder ilt og kan akkumulere toksiner. På grund af den manglende ilt er de andre organismer, der er til stede i økosystemet, ved at dø.
Derudover frigiver brugen af fossile brændstoffer store mængder kvælstofoxid i atmosfæren. Dette reagerer med ozon og danner salpetersyre, som er en af komponenterne i sur regn.
referencer
- Cerón L og A Aristizábal (2012) Kvælstof- og fosforcyklusens dynamik i jordbunden. Rev. Colomb. Biotechno. 14: 285-295.
- Estupiñan R og B Quesada (2010) Haber-Bosch-processen i det agroindustrielle samfund: farer og alternativer. Agroalimentary System: commodification, kampe og modstand. ILSA Editorial. Bogotá, Colombia 75-95
- Galloway JN (2003) Den globale kvælstofcyklus. I: Schelesinger W (red.) Afhandling om geokemi. Elsevier, USA. s. 557-583.
- Galloway JN (2005) Den globale kvælstofcyklus: fortid, nutid og fremtid. Videnskab i Kina Ser C Life Sciences 48: 669-677.
- Pajares S (2016) Kvælstofkaskade forårsaget af menneskelige aktiviteter. Oikos 16: 14-17.
- Stein L og M Klotz (2016) Nitrogencyklussen. Nuværende biologi 26: 83-101.