Карактеристике циклуса азота, резервоари, фазе, значај
Тхе циклус азота то је процес кретања азота између атмосфере и биосфере. То је један од најрелевантнијих биогеокемијских циклуса. Азот (Н) је елемент од великог значаја, јер га сви организми захтевају за његов раст. Он је део хемијског састава нуклеинских киселина (ДНК и РНК) и протеина.
Највећа количина азота на планети је у атмосфери. Атмосферски азот (Н2) не може се директно користити већина живих бића. Постоје бактерије које могу да га фиксирају и инкорпорирају у земљиште или воду на начине које могу користити други организми.
Након тога, азот се асимилира са аутотрофним организмима. Већина хетеротрофних организама га добија храњењем. Затим ослобађају ексцесе у облику урина (сисара) или излучевина (птице).
У другој фази процеса постоје бактерије које учествују у трансформацији амонијака у нитрите и нитрате који су уграђени у земљиште. И на крају циклуса, друга група микроорганизама користи кисеоник који је доступан у азотним једињењима у дисању. У овом процесу ослобађају азот натраг у атмосферу.
Тренутно највећу количину азота који се користи у пољопривреди производе људи. То је резултирало вишком овог елемента у земљишту и изворима воде, узрокујући неравнотежу у овом биогеокемијском циклусу.
Индек
- 1 Опште карактеристике
- 1.1 Оригин
- 1.2 Хемијске форме
- 1.3 Историја
- 1.4 Захтеви за организме
- 2 Цомпонентс
- 2.1 - Резервоари
- 2.2 - Учешће микроорганизама
- 3 Фазе
- 3.1 Фиксација
- 3.2 Асимилација
- 3.3 Амонификација
- 3.4 Нитрификација
- 3.5 Денитрификација
- 4 Важност
- 5 Измене циклуса азота
- 6 Референце
Опште карактеристике
Оригин
Сматра се да је азот настао нуклеозинтезом (стварање нових атомских језгара). Звезде са великим масама хелијума достигле су притисак и температуру потребне за формирање азота.
Када је Земља настала, азот је био у чврстом стању. Затим, са вулканском активношћу, овај елемент је отишао у гасовито стање и био је уграђен у атмосферу планете.
Азот је био у облику Н2. Вероватно хемијске форме које користе жива бића (амонијак НХ3) појављују се душикови циклуси између мора и вулкана. На овај начин, НХ3 био би уграђен у атмосферу и заједно са другим елементима довео до органских молекула.
Цхемицал формс
Азот се јавља у различитим хемијским облицима, који се односе на различита оксидациона стања (губитак електрона) овог елемента. Ови различити облици варирају како по карактеристикама тако иу понашању. Гас од азота (Н2) није захрђао.
Оксидовани облици су класификовани као органски и неоргански. Органске форме присутне су углавном у амино киселинама и протеинима. Неорганска стања су амонијак (НХ.)3амонијум јон (НХ.)4), нитрити (бр2) и нитрате (НО3), између осталог.
Хистори
Душик је откривен 1770. године од стране три научника независно (Сцхееле, Рутхерфорд и Лавосиер). Године 1790. Француз Цхаптал је назвао гас као азот.
У другој половини деветнаестог века утврђено је да је она битна компонента ткива живих организама и раст биљака. Исто тако, доказано је постојање константног протока између органских и неорганских облика.
На почетку се сматрало да су извори азота муња и атмосферска таложења. Године 1838. Боуссингаулт је одредио биолошку фиксацију овог елемента у махунаркама. Тада, 1888, откривено је да су микроорганизми повезани са коренима махунарки одговорни за фиксирање Н2.
Још једно важно откриће је постојање бактерија које су способне оксидирати амонијак до нитрита. Као и друге групе које су трансформисале нитрите у нитрате.
Још 1885. Гаион је утврдио да друга група микроорганизама има способност трансформације нитрата у Н2. На тај начин се може разумети циклус азота на планети.
Захтев организама
Сва жива бића захтевају азот за своје виталне процесе, али не користе га сви на исти начин. Неке бактерије могу директно да користе атмосферски азот. Други користе азотна једињења као извор кисеоника.
Аутотрофни организми захтевају снабдевање у облику нитрата. Са своје стране, многи хетеротрофи га могу користити само у облику амино група које добијају из своје хране.
Компоненте
-Резервоари
Највећи природни извор азота је атмосфера, гдје се 78% овог елемента налази у плиновитом облику (Н2), са неким траговима азотног оксида и азот моноксида.
Седиментне стијене садрже око 21% које се ослобађају врло споро. Преосталих 1% садржи органска материја и океани у облику органског азота, нитрата и амонијака.
-Партиципатинг мицроорганисмс
Постоје три врсте микроорганизама који учествују у циклусу азота. То су фиксери, нитрифици и денитрифири.
Бактерије које фиксирају Н2
Они кодирају за комплекс азотазних ензима који су укључени у процес фиксације. Већина ових микроорганизама колонизира ризосферу биљака и развија се унутар њихових ткива.
Најчешћи тип бактерија за фиксирање је Рхизобиум, који је повезан са кореновима махунарки. Постоје и други жанрови Франкиа, Ностоц и Пасаспониа који раде симбиозу са коренима других група биљака.
Цијанобактерије у слободном облику могу да фиксирају атмосферски азот у воденим срединама
Нитрифиинг бацтериа
Постоје три врсте микроорганизама који су укључени у процес нитрификације. Ове бактерије су способне да оксидују амонијак или амонијум јон који је присутан у земљишту. То су хемолитотрофни организми (способни за оксидацију неорганских материјала као извора енергије).
Бактерије различитих родова интервенишу секвенцијално у процесу. Нитросома и Нитроцистис оксидују НХ3 и НХ4 до нитрита. Онда Нитробацтер и Нитросоцоццус оксидовати ово једињење до нитрата.
У 2015. години откривена је још једна група бактерија укључених у овај процес. Они су способни да директно оксидују амонијак до нитрата и налазе се у роду Нитроспира. Неке гљиве су такође способне за нитрификацију амонијака.
Денитрифиинг бацтериа
Истакнуто је да више од 50 различитих родова бактерија може редуцирати нитрате на Н2. Ово се дешава у анаеробним условима (одсуство кисеоника).
Најчешћи су денитрификујући родови Алцалигенес, Парацоццус, Псеудомонас, Рхизобиум, Тхиобациллус и Тхиоспхаера. Већина ових група је хетеротрофна.
2006. године откривена је бактерија (Метхиломирабилис окифера) која је аеробна. Метанотрофна је (добија енергију угљеника и метана) и може да добије кисеоник из процеса денитрификације.
Фазе
Циклус душика пролази кроз неколико фаза своје мобилизације широм планете. Ове фазе су:
Фикатион
То је претварање атмосферског азота у облике који се сматрају реактивним (које могу користити жива бића). Разбијање три везе које садрже Н молекулу2 Захтева велику количину енергије и може се јавити на два начина: абиотички или биотички.
Абиотска фиксација
Нитрати се добијају високом енергетском фиксацијом у атмосфери. Она долази од електричне енергије муње и космичког зрачења.
Тхе Н2 у комбинацији са кисеоником ствара оксидисане облике азота као што је НО (азот диоксид) и НО2 (азотни оксид). Након тога, ова једињења се на површину земље доносе кишом као азотна киселина (ХНО3).
Висока енергетска фиксација садржи око 10% нитрата присутних у циклусу азота.
Биотиц фикатион
Изводи се путем микроорганизама у тлу. Генерално, ове бактерије су повезане са коренима биљака. Процењује се да је годишња биотска фиксација азота око 200 милиона тона годишње.
Атмосферски азот се трансформише у амонијум. У првој фази реакције, Н2 редукује на НХ3 (амонијак). На тај начин се инкорпорира у амино киселине.
У овом процесу, укључен је ензимски комплекс са различитим центрима за редукцију оксида. Овај комплекс азотазе се састоји од редуктазе (обезбеђује електроне) и азотазе. Потоњи користи електроне за смањење Н2 то НХ3. У процесу се троши велика количина АТП-а.
Комбинација азотазе је неповратно инхибирана у присуству високих концентрација О2. У радикалним чворићима присутан је протеин (легхемоглобин) који одржава садржај О врло низак2. Овај протеин се производи интеракцијом између корена и бактерија.
Асимилација
Биљке које немају симбиотску повезаност са бактеријама које фиксирају Н2, они узимају азот из тла. Апсорпција овог елемента врши се у облику нитрата кроз корење.
Када нитрати уђу у биљку, део се користи од стране ћелија корена. Други део се дистрибуира са ксилемом на целу биљку.
Када се користи, нитрат се редукује у нитрит у цитоплазми. Овај процес се катализира ензимом нитрат редуктазом. Нитрити се транспортују у хлоропласте и друге пластиде, где се редукују на амонијум јон (НХ.)4).
Амонијум јон у великим количинама је токсичан за биљку. Тако да је брзо уграђен у карбонатне скелете да би се формирале амино киселине и други молекули.
У случају потрошача, азот се добија храњењем директно из биљака или других животиња.
Амонифицатион
У овом процесу, азотна једињења присутна у земљишту деградирају се до једноставнијих хемијских облика. Азот се налази у мртвој органској материји и отпаду као што је уреа (урин од сисара) или мокраћна киселина (излучевине птица).
Азот који се налази у овим супстанцама је у облику комплексних органских једињења. Микроорганизми користе аминокиселине садржане у овим супстанцама за производњу својих протеина. У овом процесу ослобађају вишак азота у облику амонијака или амонијум јона.
Ова једињења су доступна у земљишту за друге микроорганизме да делују у следећим фазама циклуса.
Нитрификација
Током ове фазе бактерије бактерија оксидирају амонијак и амонијум јон. У процесу се ослобађа енергија коју бактерије користе у метаболизму.
У првом делу, нитрозирајуће бактерије рода Нитросомес оксидују амонијак и амонијум јон у нитрит. У мембрани ових микроорганизама налази се ензим амонијак моокигенаса. Ово оксидира НХ3 на хидроксиламин, који се затим оксидира у нитрит у периплазми бактерије.
Након тога, нитратне бактерије оксидирају нитрите до нитрата употребом ензима нитрит оксидоредуктазе. Нитрати су доступни у земљишту, гдје се биљке могу апсорбирати.
Денитрифицатион
У овој фази, оксидисани облици азота (нитрити и нитрати) се претварају назад у Н2 иу мањој мери душиков оксид.
Процес се изводи анаеробним бактеријама, које користе азотне спојеве као акцепторе електрона током дисања. Стопа денитрификације зависи од неколико фактора, као што су расположива засићеност нитратима и земљиштем и температура.
Када је земља засићена водом, О2 није лако доступан и бактерије користе НО3 као акцептор електрона. Када су температуре врло ниске, микроорганизми не могу извршити тај процес.
Ова фаза је једини начин на који се азот уклања из екосистема. На овај начин, Н2 који је фиксиран и враћа се у атмосферу и одржава се равнотежа овог елемента.
Значај
Овај циклус има велику биолошку важност. Као што смо раније објаснили, азот је важан део живих организама. Кроз овај процес постаје биолошки употребљив.
У развоју усјева, доступност азота је једно од главних ограничења продуктивности. Од почетка пољопривреде, земљиште је обогаћено овим елементом.
Узгој легуминоза за побољшање квалитета земљишта је уобичајена пракса. Исто тако, садња пиринча у поплављеном земљишту подстиче услове околине неопходне за употребу азота.
Током 19. века, гуано (птичје излучевине) се нашироко користило као спољни извор азота у усевима. Међутим, до краја овог века није било довољно за повећање производње хране.
Немачки хемичар Фритз Хабер, крајем 19. века, развио је процес који је касније продао Царло Босцх. То подразумева да Н реагује2 и гасовити водоник за формирање амонијака. Познат је као Хабер-Босцх процес.
Овај облик вештачког амонијака је један од главних извора азота који се може користити од живих бића. Сматра се да 40% свјетске популације овиси о овим ђубривима за своју храну.
Измене циклуса азота
Тренутна производња антропогеног амонијака износи око 85 тона годишње. То доноси негативне посљедице у циклусу душика.
Због високе употребе хемијских ђубрива долази до контаминације земљишта и водоносника. Сматра се да је више од 50% ове контаминације посљедица Хабер-Босцхеве синтезе.
Вишак азота доводи до еутрофикације (обогаћивања храњивим тварима) водних тијела. Антропогена еутрификација је веома брза и узрокује убрзани раст углавном алги.
Оне конзумирају велике количине кисеоника и могу акумулирати токсине. Због недостатка кисеоника, други организми присутни у екосистему умиру.
Поред тога, употреба фосилних горива ослобађа велике количине азотног оксида у атмосферу. Он реагује са озоном и формира азотну киселину, која је једна од компоненти киселих киша.
Референце
- Церон Л и А Аристизабал (2012) Динамика циклуса азота и фосфора у земљишту. Рев. Цоломб. Биотецхнол 14: 285-295.
- Еступинан Р и Б Куесада (2010) Хабер-Босцх процес у агроиндустријском друштву: опасности и алтернативе. Агроалиментарни систем: комодификација, борбе и отпор. ИЛСА Едиториал. Богота, Колумбија 75-95
- Галловаи ЈН (2003) Глобални циклус азота. Ин: Сцхелесингер В (ед.) Треатисе он Геоцхемистри. Елсевиер, САД. 557-583.
- Галловаи ЈН (2005) Глобални циклус азота: прошлост, садашњост и будућност. Наука у Кини Сер Ц Лифе Сциенцес 48: 669-677.
- Пајарес С (2016) Азотна каскада узрокована људским активностима. Оикос 16: 14-17.
- Стеин Л и М Клотз (2016) Циклус душика. Цуррент Биологи 26: 83-101.