Azoto ciklo charakteristikos, rezervuarai, etapai, svarba
The azoto ciklas tai yra azoto judėjimo tarp atmosferos ir biosferos procesas. Tai vienas svarbiausių biogeocheminių ciklų. Azotas (N) yra labai svarbus elementas, nes jį reikia auginti visiems organizmams. Jis yra dalis nukleino rūgščių (DNR ir RNR) ir baltymų cheminės sudėties.
Didžiausias azoto kiekis planetoje yra atmosferoje. Atmosferos azotas (N2) negali naudoti tiesiogiai dauguma gyvų būtybių. Yra bakterijų, galinčių ją pataisyti ir įterpti į dirvą ar vandenį tokiais būdais, kuriuos gali naudoti kiti organizmai.
Vėliau azotą asimiliuoja autotrofiniai organizmai. Dauguma heterotrofinių organizmų jį įgyja maitindami. Tada jie išskiria perteklius šlapimo (žinduolių) arba išmatų (paukščių) pavidalu.
Kitame proceso etape yra bakterijų, kurios dalyvauja amoniako transformavime į nitritus ir į dirvožemį įterptus nitratus. Ir ciklo pabaigoje kita mikroorganizmų grupė kvėpavimo takuose naudoja azoto junginiuose esančią deguonį. Šiame procese jie atleidžia azotą atgal į atmosferą.
Šiuo metu didžiausią žemės ūkyje naudojamą azoto kiekį gamina žmonės. Dėl šios priežasties dirvožemyje ir vandens šaltiniuose šis elementas buvo pernelyg didelis, todėl šiame biogeocheminiame cikle atsirado disbalansas.
Indeksas
- 1 Bendrosios charakteristikos
- 1.1. Kilmė
- 1.2 Cheminės formos
- 1.3 Istorija
- 1.4 Reikalavimai organizmams
- 2 Komponentai
- 2.1-rezervuarai
- 2.2. Dalyvaujantys mikroorganizmai
- 3 etapai
- 3.1 Tvirtinimas
- 3.2 Asimiliacija
- 3.3 Tikrinimas
- 3.4 Nitrifikacija
- 3.5 Denitrifikacija
- 4 Svarba
- 5 Azoto ciklo pakeitimai
- 6 Nuorodos
Bendrosios charakteristikos
Kilmė
Manoma, kad nukleozės sintezės sukeltas azotas (naujų atominių branduolių sukūrimas). Žvaigždės, turinčios didelę helio masę, pasiekė azoto susidarymui reikalingą slėgį ir temperatūrą.
Kai Žemė kilo, azotas buvo kietoje būsenoje. Tuomet su vulkanine veikla šis elementas pateko į dujinę būseną ir buvo įtrauktas į planetos atmosferą.
Azotas buvo N formos2. Tikriausiai gyvos būtybės naudojamos cheminės formos (amoniakas NH3) atsirado dėl azoto ciklų tarp jūros ir ugnikalnių. Tokiu būdu NH3 būtų įtrauktos į atmosferą ir kartu su kitais elementais atsirado organinių molekulių.
Cheminės formos
Azotas pasireiškia įvairiomis cheminėmis formomis, vadinamas šio elemento skirtingomis oksidacijos būsenomis (elektronų praradimu). Šios skirtingos formos skiriasi atsižvelgiant į jų charakteristikas ir elgesį. Azoto dujos (N2) nėra rūdžių.
Oksiduotos formos klasifikuojamos kaip organinės ir neorganinės. Organinės formos yra daugiausia amino rūgščių ir baltymų. Neorganinės būsenos yra amoniakas (NH3), amonio joną (NH4), nitritai (NO2) ir nitratai (NO3), be kita ko.
Istorija
Azotą 1770 m. Aptiko trys mokslininkai (Scheele, Rutherford ir Lavosier). 1790 m. Prancūzas Chaptalas pavadino dujas azotu.
Antroje XIX a. Pusėje buvo nustatyta, kad tai yra gyvų organizmų audinių ir augalų augimo esminė dalis. Taip pat buvo įrodytas nuolatinio srauto tarp organinių ir neorganinių formų buvimas.
Pradžioje buvo nuspręsta, kad azoto šaltiniai buvo žaibo ir atmosferos nusėdimo šaltiniai. 1838 m. Boussingault nustatė šio elemento biologinį fiksavimą ankštiniuose augaluose. Tada, 1888 m., Buvo nustatyta, kad mikroorganizmai, susiję su ankštinių augalų šaknimis, buvo atsakingi už N \ t2.
Kitas svarbus atradimas buvo bakterijų, galinčių oksiduoti amoniaką į nitritus, buvimas. Kaip ir kitos grupės, kurios nitritus pavertė nitratais.
Jau 1885 m. Gayon nusprendė, kad kita mikroorganizmų grupė sugebėjo transformuoti nitratus į N2. Tokiu būdu galima suprasti azoto ciklą planetoje.
Reikalavimas organizmams
Visoms gyvoms būtybėms gyvybiškai svarbūs procesai reikalauja azoto, tačiau ne visi juos naudoja taip pat. Kai kurios bakterijos gali tiesiogiai naudoti atmosferos azotą. Kiti naudoja azoto junginius kaip deguonies šaltinį.
Autotrofiniams organizmams reikalingas nitratų tiekimas. Savo ruožtu, daugelis heterotrofų gali jį naudoti tik amino grupėse, kurias jie gauna iš maisto.
Komponentai
-Rezervuarai
Didžiausias natūralus azoto šaltinis yra atmosfera, kurioje 78% šio elemento randama dujine forma (N2), kai kurių azoto oksido ir azoto monoksido pėdsakų.
Nuosėdų uolienos yra apie 21%, kurios išsiskiria labai lėtai. Likusius 1% sudaro organinės medžiagos ir vandenynai organinio azoto, nitratų ir amoniako pavidalu.
-Dalyvaujantys mikroorganizmai
Azoto cikle dalyvauja trijų tipų mikroorganizmai. Tai fiksatoriai, slopintuvai ir denitrieriai.
N-fiksavimo bakterijos2
Jie koduoja azoto fermentų kompleksą, kuris dalyvauja fiksavimo procese. Dauguma šių mikroorganizmų kolonizuoja augalų rizosferą ir vystosi jų audiniuose.
Dažniausias tvirtinimo bakterijų tipas yra Rhizobium, kuris yra susijęs su ankštinių augalų šaknimis. Yra ir kitų žanrų Frankija, Nostoc ir Pasasponia tai daro simbiozę su kitų augalų grupių šaknimis.
Laisvos formos mėlynosios bakterijos gali nustatyti atmosferos azotą vandens aplinkoje
Nitrifikuojančios bakterijos
Nitrifikacijos procese dalyvauja trijų tipų mikroorganizmai. Šios bakterijos sugeba oksiduoti dirvožemyje esantį amoniaką arba amonio joną. Jie yra chemolitotrofiniai organizmai (galintys oksiduoti neorganines medžiagas kaip energijos šaltinį).
Įvairių genčių bakterijos vyksta nuosekliai. Nitrosoma ir Nitrocystis oksiduoti NH3 ir NH4 nitritais. Tada Nitrobacter ir Nitrosokokas oksiduoti šį junginį į nitratus.
2015 m. Buvo atrasta kita šiame procese dalyvaujančių bakterijų grupė. Jie gali tiesiogiai oksiduoti amoniaką į nitratus ir yra gentyje Nitrospira. Kai kurie grybai taip pat sugeba nitrifikuoti amoniaką.
Denitrifikuojančios bakterijos
Pažymėta, kad daugiau kaip 50 skirtingų bakterijų genų gali sumažinti nitratus į N2. Tai įvyksta anaerobinėmis sąlygomis (deguonies nebuvimas).
Dažniausios denitrifikuojančios gentys yra Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus ir Thiosphaera. Dauguma šių grupių yra heterotrofiniai.
2006 m. Buvo aptikta bakterija (Methylomirabilis oxyfera), kuris yra aerobinis. Jis yra metanotrofinis (gauna anglies ir metano energiją) ir gali gauti deguonį iš denitrifikacijos proceso.
Etapai
Azoto ciklas vyksta keliais etapais mobilizuojant visą planetą. Šie etapai yra:
Tvirtinimas
Tai atmosferos azoto konversija į formas, kurios laikomos reaktyviomis (kurias gali naudoti gyvos būtybės). Trijų obligacijų, kuriose yra N molekulės, lūžimas2 Tam reikia daug energijos ir gali pasireikšti dviem būdais: abiotiniu ar biotiniu.
Abiotinė fiksacija
Nitratai gaunami dideliu energijos fiksavimu atmosferoje. Jis yra kilęs iš elektros ir kosminės spinduliuotės elektros energijos.
N2 jis yra derinamas su deguonimi, kad susidarytų oksiduotos azoto formos, pvz., NO (azoto dioksidas) ir NO2 (azoto oksidas). Vėliau šie junginiai į žemę patenka į lietaus kaip azoto rūgštį (HNO)3).
Didelis energijos fiksavimas apima maždaug 10% azoto ciklo nitratų.
Biotinė fiksacija
Tai atlieka dirvožemio mikroorganizmai. Paprastai šios bakterijos yra susijusios su augalų šaknimis. Apskaičiuota, kad metinė azoto biotinė fiksacija yra maždaug 200 mln. Tonų per metus.
Atmosferos azotas transformuojamas į amonį. Pirmajame reakcijos etape N2 sumažinamas iki NH3 (amoniako). Tokiu būdu jis yra įtrauktas į aminorūgštis.
Šiame procese dalyvauja fermentinis kompleksas su įvairiais oksidą mažinančiais centrais. Šį azotozės kompleksą sudaro reduktazė (suteikia elektronus) ir azotas. Pastarasis naudoja elektronus, kad sumažintų N2 į NH3. Šiame procese sunaudojama daug ATP.
Azoto bazės kompleksas negrįžtamai slopinamas esant didelėms O koncentracijoms2. Radikaliuose mazgeliuose yra baltymas (leghemoglobinas), kuris išlaiko O kiekį labai mažai2. Šis baltymas gaminamas dėl šaknų ir bakterijų sąveikos.
Asimiliacija
Augalai, neturintys simbiotinio ryšio su N-fiksavimo bakterijomis2, jie paima azotą iš dirvožemio. Šio elemento absorbcija atliekama nitratų pavidalu per šaknis.
Kai nitratai patenka į augalą, šaknis naudoja dalis. Kita dalis xylem platinama visai gamyklai.
Kai jis bus naudojamas, citoplazmoje nitratas sumažinamas iki nitrito. Šį procesą katalizuoja nitrato reduktazės fermentas. Nitritai gabenami į chloroplastus ir kitus plastidus, kuriuose jie redukuojami į amonio joną (NH4).
Amonio jonas dideliais kiekiais yra toksiškas augalui. Taigi, greitai susidaro karbonato skeletas, kad susidarytų amino rūgštys ir kitos molekulės.
Vartotojų atveju azotas gaunamas tiesiogiai iš augalų ar kitų gyvūnų.
Atlikimas
Šiame procese dirvožemyje esantys azoto junginiai degraduojami iki paprastesnių cheminių formų. Azotas yra negyvose organinėse medžiagose ir atliekose, tokiose kaip karbamidas (šlapimas iš žinduolių) arba šlapimo rūgštis (išmatos iš paukščių)..
Šių medžiagų sudėtyje esantis azotas yra sudėtingų organinių junginių pavidalu. Mikroorganizmai naudoja šių medžiagų aminorūgštis, kad gautų baltymus. Šiame procese jie išskiria azoto perteklių amoniako arba amonio jonų pavidalu.
Šie junginiai yra prieinami dirvožemyje, kad kiti mikroorganizmai veiktų sekančiuose ciklo etapuose.
Nitrifikacija
Šio etapo metu dirvožemio bakterijos oksiduoja amoniaką ir amonio joną. Proceso metu išleidžiama energija, kurią naudoja bakterijos jų metabolizme.
Pirmojoje dalyje, genties nitrozuojančios bakterijos Nitrosomos oksiduoti amoniaką ir amonio joną į nitritą. Šių mikroorganizmų membranoje yra amoniako mooxigenasa fermentas. Tai oksiduoja NH3 hidroksilaminu, kuris po to bakterijos periplazmoje oksiduojamas į nitritą.
Vėliau nitratuojančios bakterijos oksiduoja nitritus nitratais, naudodami fermentą nitrito oksidoreduktazę. Dirvožemyje yra nitratų, kuriuose augalai gali absorbuoti.
Denitrifikacija
Šiame etape oksiduotos azoto formos (nitritai ir nitratai) paverčiami atgal į N2 ir kiek mažiau - azoto oksido.
Procesą atlieka anaerobinės bakterijos, kurios kvėpavimo metu naudoja azoto junginius kaip elektronų akceptorius. Denitrifikacijos greitis priklauso nuo kelių veiksnių, tokių kaip galimas nitratų ir dirvožemio prisotinimas ir temperatūra.
Kai dirvožemis prisotintas vandeniu, O2 ji nėra lengvai prieinama ir bakterijos naudoja NO3 kaip elektronų priėmėjas. Kai temperatūra yra labai maža, mikroorganizmai negali atlikti šio proceso.
Šis etapas yra vienintelis būdas pašalinti azotą iš ekosistemos. Tokiu būdu, N2 kuri buvo nustatyta, grįžta į atmosferą ir išlaikomas šio elemento balansas.
Reikšmė
Šis ciklas turi didelę biologinę reikšmę. Kaip minėjome anksčiau, azotas yra svarbi gyvų organizmų dalis. Per šį procesą jis tampa biologiškai tinkamas.
Plėtojant pasėlius, vienas iš pagrindinių našumo apribojimų yra azoto prieinamumas. Nuo žemės ūkio pradžios dirvožemis buvo praturtintas šiuo elementu.
Blauzdų auginimas dirvožemio kokybei gerinti yra įprasta praktika. Taip pat ryžių sodinimas užtvindytame dirvožemyje skatina aplinkos sąlygas, būtinas azoto naudojimui.
XIX a. Gvanas (paukščių išmatos) buvo plačiai naudojamas kaip išorinis azoto šaltinis augaluose. Tačiau šio amžiaus pabaigoje nepakako maisto gamybai didinti.
Vokietijos chemikas Fritz Haber, XIX a. Pabaigoje, sukūrė procesą, kurį vėliau pardavė Carlo Bosch. Tai reiškia, kad N reaguoja2 ir dujinis vandenilis, sudarantis amoniaką. Jis žinomas kaip „Haber-Bosch“ procesas.
Ši dirbtinio amoniako forma yra vienas iš pagrindinių azoto šaltinių, kuriuos gali naudoti gyvos būtybės. Manoma, kad 40% pasaulio gyventojų priklauso nuo šių trąšų jų maistui.
Azoto ciklo pakeitimai
Dabartinė antropogeninė amoniako gamyba yra apie 85 tonos per metus. Tai duoda neigiamų pasekmių azoto ciklui.
Dėl didelės cheminių trąšų naudojimo yra dirvožemio ir vandeningųjų sluoksnių užteršimas. Manoma, kad daugiau kaip 50% šio užteršimo yra Haber-Bosch sintezės pasekmė.
Azoto perteklius lemia vandens telkinių eutrofikaciją (praturtinimą maistinėmis medžiagomis). Antropogeninis eutrifikavimas yra labai greitas ir sukelia pagreitintą augimą daugiausia dumblių.
Jie sunaudoja daug deguonies ir gali kaupti toksinus. Dėl deguonies trūkumo kiti ekosistemoje esantys organizmai miršta.
Be to, naudojant iškastinį kurą į atmosferą išmetama daug azoto oksido. Tai reaguoja su ozonu ir sudaro azoto rūgštį, kuri yra viena iš rūgštinio lietaus sudedamųjų dalių.
Nuorodos
- Cerón L ir A Aristizábal (2012) Azoto ir fosforo ciklo dirvožemyje dinamika. Kolonas. Biotechnol 14: 285-295.
- Estupiñan R ir B Quesada (2010) - Haber-Bosch procesas žemės ūkio pramonėje: pavojai ir alternatyvos. Agroaliacinė sistema: pakuotė, kova ir pasipriešinimas. ILSA redakcija. Bogota, Kolumbija 75-95
- Galloway JN (2003) Pasaulinis azoto ciklas. In: Schelesinger W (red.) Geochemijos traktatas. Elsevier, JAV. p. 557-583.
- Galloway JN (2005) Pasaulinis azoto ciklas: praeitis, dabartis ir ateitis. Mokslas Kinijoje Ser C Life Sciences 48: 669-677.
- Pajares S (2016) Žmogaus veiklos sukeliama azoto kaskada. Oikos 16: 14-17.
- Stein L ir M Klotz (2016) Azoto ciklas. Dabartinė biologija 26: 83-101.