CYKLUS DUSÍKA: CHARAKTERISTIKA, REZERVOÁRE A STUPNE - PROSTREDIE - 2024

Cyklus dusíka je proces pohybu dusíka medzi atmosférou a biosféry. Je to jeden z najdôležitejších biogeochemických cyklov. Dusík (N) je prvkom veľkého významu, pretože ho všetky organizmy potrebujú na svoj rast. Je súčasťou chemického zloženia nukleových kyselín (DNA a RNA) a proteínov.

Najväčšie množstvo dusíka na planéte je v atmosfére. Atmosférický dusík (N ₂ ) nemôže byť používaný väčšinou živých vecí. Existujú baktérie, ktoré ich dokážu fixovať a včleniť do pôdy alebo vody spôsobmi, ktoré môžu použiť iné organizmy.

Útvar vody eutrofizovaný obohatením dusíkom a fosforom v Lille (severne od Francúzska). Autor: F. lamiot (vlastné dielo), z Wikimedia Commons

Následne je dusík asimilovaný autotrofnými organizmami. Väčšina heterotrofných organizmov ich získava potravou. Potom uvoľňujú prebytok vo forme moču (cicavcov) alebo exkrementov (vtákov).

V ďalšej fáze procesu sú baktérie, ktoré sa podieľajú na premene amoniaku na dusitany a dusičnany, ktoré sú zabudované do pôdy. A na konci cyklu iná skupina mikroorganizmov využíva dýchanie kyslík dostupný v dusíkatých zlúčeninách. Pri tomto procese uvoľňujú dusík späť do atmosféry.

Najväčšie množstvo dusíka používaného v poľnohospodárstve v súčasnosti produkujú ľudia. To viedlo k prebytku tohto prvku v pôde a vodných zdrojoch, čo spôsobilo nerovnováhu v tomto biogeochemickom cykle.

Všeobecné charakteristiky

pôvod

Dusík je považovaný za vznik nukleosyntézy (tvorba nových atómových jadier). Hviezdy s veľkým množstvom hélia dosiahli tlak a teplotu potrebnú na vytvorenie dusíka.

Keď Zem vznikla, dusík bol v pevnom stave. Neskôr, sopečnou aktivitou, sa tento prvok stal plynným stavom a bol začlenený do atmosféry planéty.

Dusík bol vo forme N ₂ . Pravdepodobne chemické formy používané živé bytosti (NH ₃ amoniak ) sa objavil dusíka cyklov medzi more a sopky. Týmto spôsobom, NH ₃ by boli zahrnuté do atmosféry a spolu s ostatnými prvkami viedla k organických molekúl.

Chemické formy

Dusík sa vyskytuje v rôznych chemických formách, čo poukazuje na rôzne oxidačné stavy (strata elektrónov) tohto prvku. Tieto rôzne formy sa líšia svojimi charakteristikami aj správaním. Dusík (N ₂ ) nie je oxidovaný.

Oxidované formy sa klasifikujú na organické a anorganické. Organické formy sa vyskytujú hlavne v aminokyselinách a proteínoch. Anorganické stavy sú amoniak (NH ₃ ), amónny ion (NH ₄ ), dusitany (NO ₂ ) a dusičnanov (NO ₃ ), okrem iného.

histórie

Dusík objavili v roku 1770 traja vedci nezávisle (Scheele, Rutherford a Lavosier). V roku 1790 pomenoval francúzsky Chaptal plyn ako dusík.

V druhej polovici 19. storočia sa zistilo, že je podstatnou zložkou tkanív živých organizmov a rastu rastlín. Podobne sa dokázala existencia konštantného toku medzi organickými a anorganickými formami.

Zdroje dusíka sa pôvodne považovali za blesk a atmosférickú depozíciu. V roku 1838 určil Boussingault biologickú fixáciu tohto prvku v strukovinách. Potom, v roku 1888, sa zistilo, že mikroorganizmy spojené s koreňmi strukovín boli zodpovedné za fixáciu N ₂ .

Ďalším dôležitým objavom bola existencia baktérií, ktoré boli schopné oxidovať amoniak na dusitany. Rovnako ako iné skupiny, ktoré transformovali dusitany na dusičnany.

Už v roku 1885, Gayon stanovené, že ďalšia skupina mikroorganizmov mal schopnosť premeniť dusičnany na N ₂ . Týmto spôsobom bolo možné porozumieť cyklu dusíka na planéte.

Požiadavka agentúry

Všetky živé bytosti potrebujú dusík pre svoje životne dôležité procesy, ale nie všetky ho používajú rovnako. Niektoré baktérie sú schopné priamo používať atmosférický dusík. Iní používajú zlúčeniny dusíka ako zdroj kyslíka.

Autotrofné organizmy si vyžadujú prívod vo forme dusičnanov. Mnoho heterotrofov ich môže používať iba vo forme aminoskupín, ktoré získajú z potravy.

súčasti

-Reserves

Najväčším prírodným zdrojom dusíka je atmosféra, kde 78% tohto prvku sa nachádza v plynnej forme (N ₂ ), s niektorými stopami oxidu dusného a oxidu dusnatého.

Sedimentárne horniny obsahujú približne 21%, ktoré sa uvoľňujú veľmi pomaly. Zvyšných 1% je obsiahnutých v organických látkach a oceánoch vo forme organického dusíka, dusičnanov a amoniaku.

- Účasť na mikroorganizmoch

Na cykle dusíka sa podieľajú tri typy mikroorganizmov. Sú to fixatíva, nitrifikátory a denitrifikátory.

N-fixujúce baktérie

Kódujú komplex enzýmov dusíkatých, ktoré sú zapojené do procesu fixácie. Väčšina z týchto mikroorganizmov kolonizuje rhizosféru rastlín a vyvíja sa v ich tkanivách.

Najbežnejším rodom fixujúcich baktérií je Rhizobium, ktoré je spojené s koreňmi strukovín. Existujú aj ďalšie rody ako Frankia, Nostoc a Pasasponia, ktoré vytvárajú symbiózu s koreňmi iných skupín rastlín.

Cyanobaktérie vo voľnej forme môžu vo vodnom prostredí fixovať atmosférický dusík

Nitrifikačné baktérie

Do nitrifikačného procesu sú zapojené tri typy mikroorganizmov. Tieto baktérie sú schopné oxidovať amoniak alebo amónny ión prítomný v pôde. Sú to chemolyttrofické organizmy (schopné oxidovať anorganické materiály ako zdroj energie).

Baktérie rôznych rodov zasahujú do procesu postupne. Nitrozóm a nitrocystis oxidujú NH3 a NH4 na dusitany. Nitrobacter a Nitrosococcus potom oxidujú túto zlúčeninu na dusičnany.

V roku 2015 bola objavená ďalšia skupina baktérií, ktorá zasahuje do tohto procesu. Sú schopné priamo oxidovať amoniak na dusičnany a nachádzajú sa v rode Nitrospira. Niektoré huby sú tiež schopné nitrifikovať amoniak.

Denitrifikačné baktérie

Bolo navrhnuté, že viac ako 50 rôznych rodov baktérií môže znížiť dusičnanov N ₂ . K tomu dochádza za anaeróbnych podmienok (neprítomnosť kyslíka).

Najbežnejšie denitrifikačné rody sú Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus a Thiosphaera. Väčšina z týchto skupín sú heterotrofy.

V roku 2006 bola objavená baktéria (Methylomirabilis oxyfera), ktorá je aeróbna. Je metanotropný (získava uhlík a energiu z metánu) a je schopný získavať kyslík z denitrifikačného procesu.

etapy

Cyklus dusíka prechádza rôznymi fázami svojej mobilizácie na celej planéte. Tieto fázy sú:

Fixačný

Je to premena atmosférického dusíka na formy považované za reaktívne (ktoré môžu živé bytosti použiť). Medza z troch väzieb obsiahnutých v N ₂ molekuly vyžaduje veľké množstvo energie a môže dôjsť dvoma spôsobmi: abiotické a biotické.

Cyklus dusíka. Vymyslel YanLebrel z obrázka agentúry na ochranu životného prostredia: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, prostredníctvom Wikimedia Commons

Abiotická fixácia

Dusičnany sa získavajú vysokoenergetickou fixáciou v atmosfére. Pochádza z elektrickej energie blesku a kozmického žiarenia.

N ₂ sa zlučuje s kyslíkom za vzniku oxidované formy dusíka, ako je NO (oxid dusíka) a NO ₂ (oxid dusný). Neskôr sa tieto zlúčeniny prenesú na zemský povrch dažďom ako kyselina dusičná (HNO ₃ ).

Vysokoenergetická fixácia obsahuje približne 10% dusičnanov prítomných v dusíkovom cykle.

Biotická fixácia

Vykonáva sa mikroorganizmami v pôde. Tieto baktérie sú zvyčajne spojené s koreňmi rastlín. Ročná fixácia biotického dusíka sa odhaduje na približne 200 miliónov ton ročne.

Atmosférický dusík sa mení na amoniak. V prvej fáze reakcie, N ₂ sa redukuje na NH ₃ (amoniak). V tejto forme je inkorporovaný do aminokyselín.

V tomto procese je zahrnutý enzymatický komplex s rôznymi oxidačno-redukčnými centrami. Tento komplex dusíkázy je tvorený reduktázou (poskytuje elektróny) a dusičnanom. Ktorá využíva pre elektróny k zníženiu N ₂ na NH ₃ . Pritom sa spotrebuje veľké množstvo ATP.

Nitrogenase komplex sa nevratne inhibovaná v prítomnosti vysokých koncentrácií O ₂ . V radikálových uzlinách je prítomný proteín (leghemoglobín), ktorý udržuje veľmi nízky obsah O ₂ . Tento proteín je produkovaný interakciou medzi koreňmi a baktériami.

asimilácia

Rastliny, ktoré nemajú symbiotický vzťah s N _-2- , ktorým sa baktérie sa dusík z pôdy. Absorpcia tohto prvku sa uskutočňuje vo forme dusičnanov cez korene.

Akonáhle dusičnany vstúpia do rastliny, niektoré z nich sa používajú v koreňových bunkách. Ďalšia časť je distribuovaná xylémom do celého závodu.

Ak sa má dusičnan použiť, v cytoplazme sa redukuje na dusitan. Tento proces je katalyzovaný enzýmom dusičnan reduktáza. Dusitany sú transportované do chloroplastov a iných plastidov, kde sú redukované na iónu amónneho (NH ₄ ).

Amónny ión vo veľkých množstvách je pre rastlinu toxický. Takže sa rýchlo inkorporuje do karbonátových skeletov za vzniku aminokyselín a ďalších molekúl.

V prípade spotrebiteľov sa dusík získava kŕmením priamo z rastlín alebo iných zvierat.

amonifikace

Pri tomto postupe sa dusíkaté zlúčeniny prítomné v pôde štiepia na jednoduchšie chemické formy. Dusík je obsiahnutý v mŕtvych organických látkach a odpadoch, ako je močovina (moč cicavcov) alebo kyselina močová (vtáčie výkaly).

Dusík obsiahnutý v týchto látkach je vo forme komplexných organických zlúčenín. Mikroorganizmy používajú aminokyseliny obsiahnuté v týchto látkach na produkciu svojich proteínov. Pri tomto postupe uvoľňujú prebytočný dusík vo forme amoniaku alebo amónneho iónu.

Tieto zlúčeniny sú v pôde k dispozícii pre ďalšie mikroorganizmy, ktoré pôsobia v nasledujúcich fázach cyklu.

nitrifikácie

Počas tejto fázy pôdne baktérie oxidujú amoniak a amónny ión. V procese sa uvoľňuje energia, ktorú používajú baktérie pri svojom metabolizme.

V prvej časti nitrozifikačné baktérie rodu Nitrosomas oxidujú amoniak a amónny ión na dusitany. V membráne týchto mikroorganizmov sa nachádza enzým amoniaková mooxygenáza. Tento oxiduje NH ₃ na hydroxylamín, ktorý sa potom oxiduje na dusitan v periplazmě baktérií.

Následne nitračné baktérie oxidujú dusitany na dusičnany pomocou enzýmu dusitan oxidoreduktázy. Dusičnany zostávajú dostupné v pôde, kde ich môžu absorbovať rastliny.

denitrifikácia

V tejto fáze, oxidované formy dusíka (dusitanov a dusičnanov), sú prevedené späť na N _2, a v menšej miere na oxid dusný.

Tento proces sa uskutočňuje pomocou anaeróbnych baktérií, ktoré pri dýchaní používajú ako dusíkaté zlúčeniny dusíkaté zlúčeniny. Miera denitrifikácie závisí od niekoľkých faktorov, ako je napríklad dostupný dusičnan a nasýtenie pôdy a teplota.

Keď je pôda nasýtená vodou, O2 _{už nie} je ľahko dostupný a baktérie používajú NO ₃ ako akceptor elektrónov. Ak sú teploty veľmi nízke, mikroorganizmy nemôžu tento proces vykonať.

Táto fáza je jediný spôsob, ako sa z ekosystému odstraňuje dusík. Týmto spôsobom, N ₂ , ktorá bola stanovená sa vráti do atmosféry a zvyšok tohto prvku je zachovaná.

dôležitosť

Tento cyklus má veľký biologický význam. Ako sme už vysvetlili, dusík je dôležitou súčasťou živých organizmov. Týmto procesom sa stáva biologicky použiteľným.

Pri vývoji plodín je dostupnosť dusíka jedným z hlavných obmedzení produktivity. Od začiatku poľnohospodárstva bola pôda obohatená o tento prvok.

Pestovanie strukovín na zlepšenie kvality pôdy je bežnou praxou. Podobne výsadba ryže v zaplavených pôdach podporuje podmienky prostredia potrebné na použitie dusíka.

V 19. storočí sa guano (vtáčie výkaly) široko používalo ako vonkajší zdroj dusíka v plodinách. Do konca tohto storočia však nestačilo zvýšiť produkciu potravín.

Nemecký chemik Fritz Haber koncom 19. storočia vyvinul proces, ktorý neskôr komercializoval Carlo Bosch. Tá sa skladá z reakcie N ₂ a plynného vodíka za vzniku amoniaku. Je známy ako proces Haber-Bosch.

Táto forma umelej výroby amoniaku je jedným z hlavných zdrojov dusíka, ktorý môžu živé bytosti využiť. Predpokladá sa, že 40% svetovej populácie závisí od týchto hnojív pre ich jedlo.

Poruchy cyklu dusíka

Súčasná antropická výroba amoniaku je približne 85 ton ročne. To má negatívne dôsledky na cyklus dusíka.

Kvôli vysokému použitiu chemických hnojív dochádza ku kontaminácii pôdy a kolektorov. Usudzuje sa, že viac ako 50% tejto kontaminácie je dôsledkom Haber-Boschovej syntézy.

Prebytky dusíka vedú k eutrifikácii (obohateniu živinami) vodných útvarov. Antropická euutrifikácia je veľmi rýchla a spôsobuje zrýchlený rast hlavne rias.

Konzumujú veľa kyslíka a môžu akumulovať toxíny. Kvôli nedostatku kyslíka nakoniec ostatné organizmy prítomné v ekosystéme umierajú.

Okrem toho použitie fosílnych palív uvoľňuje do atmosféry veľké množstvo oxidu dusného. Reaguje s ozónom a tvorí kyselinu dusičnú, ktorá je jednou zo zložiek kyslého dažďa.

Referencie

1. Cerón L a A Aristizábal (2012) Dynamika cyklu dusíka a fosforu v pôdach. Kolumbia. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R a B Quesada (2010) Haber-Boschov proces v agropriemyselnej spoločnosti: nebezpečenstvá a alternatívy. Agrifood System: komodifikácia, boje a odpor. Redakčný ILSA. Bogota, Kolumbia. 75-95
3. Galloway JN (2003) Globálny cyklus dusíka. In: Schelesinger W (ed.) Pojem o geochémii. Elsevier, USA. 557-583.
4. Galloway JN (2005) Globálny cyklus dusíka: minulosť, prítomnosť a budúcnosť. Science in China Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Kaskáda dusíka spôsobená ľudskou činnosťou. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L a M Klotz (2016) Cyklus dusíka. Current Biology 26: 83-101.