ciclu de azot este procesul de mișcare a azotului între atmosferă și biosferă. Este unul dintre cele mai relevante cicluri biogeochimice. Azotul (N) este un element de mare importanță, deoarece este necesar de toate organismele pentru creșterea lor. Face parte din compoziția chimică a acizilor nucleici (ADN și ARN) și a proteinelor.
Cea mai mare cantitate de azot de pe planetă se găsește în atmosferă. Azot atmosferic (NDouă) nu poate fi folosit direct de majoritatea ființelor vii. Există bacterii capabile să o fixeze și să o încorporeze în sol sau apă în moduri care pot fi utilizate de alte organisme..
Ulterior, azotul este asimilat de organismele autotrofe. Majoritatea organismelor heterotrofe îl dobândesc prin alimente. Apoi eliberează excesele sub formă de urină (mamifere) sau excremente (păsări).
Într-o altă fază a procesului, există bacterii care participă la transformarea amoniacului în nitriți și nitrați care sunt încorporați în sol. Și la sfârșitul ciclului, un alt grup de microorganisme folosește oxigenul disponibil în compușii cu azot în respirație. În acest proces, eliberează azot înapoi în atmosferă.
În prezent, cea mai mare cantitate de azot utilizată în agricultură este produsă de oameni. Acest lucru a dus la un exces al acestui element în soluri și surse de apă, provocând un dezechilibru în acest ciclu biogeochimic..
Indice articol
Se consideră că azotul are originea prin nucleosinteză (crearea de noi nuclee atomice). Stelele cu mase mari de heliu au atins presiunea și temperatura necesare pentru formarea azotului.
Când a apărut Pământul, azotul era într-o stare solidă. Mai târziu, cu activitate vulcanică, acest element a devenit o stare gazoasă și a fost încorporat în atmosfera planetei..
Azotul a fost sub forma de NDouă. Probabil formele chimice folosite de ființele vii (amoniac NH3) a apărut prin cicluri de azot între mare și vulcani. În acest fel, NH3 ar fi fost încorporat în atmosferă și împreună cu alte elemente a dat naștere moleculelor organice.
Azotul apare sub diferite forme chimice, referindu-se la diferite stări de oxidare (pierdere de electroni) ale acestui element. Aceste forme diferite variază atât prin caracteristicile lor, cât și prin comportamentul lor. Azot gazos (NDouă) nu este ruginit.
Formele oxidate sunt clasificate în organice și anorganice. Formele organice apar în principal în aminoacizi și proteine. Stările anorganice sunt amoniacul (NH3), ionul de amoniu (NH4), nitriți (NODouă) și nitrați (NO3), printre alții.
Azotul a fost descoperit în 1770 de trei oameni de știință în mod independent (Scheele, Rutherford și Lavosier). În 1790, francezul Chaptal a numit gazul azot.
În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, sa constatat că este o componentă esențială a țesuturilor organismelor vii și în creșterea plantelor. La fel, a fost evidențiată existența unui flux constant între formele organice și cele anorganice..
Sursele de azot au fost considerate inițial ca fulgere și depuneri atmosferice. În 1838, Boussingault a determinat fixarea biologică a acestui element în leguminoase. Apoi, în 1888, s-a descoperit că microorganismele asociate cu rădăcinile leguminoaselor erau responsabile de fixarea NDouă.
O altă descoperire importantă a fost existența bacteriilor capabile să oxideze amoniacul în nitriți. La fel și alte grupuri care au transformat nitriții în nitrați.
Încă din 1885, Gayon a stabilit că un alt grup de microorganisme au capacitatea de a transforma nitrații în NDouă. În așa fel, încât ciclul azotului de pe planetă ar putea fi înțeles.
Toate ființele vii necesită azot pentru procesele lor vitale, dar nu toate îl folosesc în același mod. Unele bacterii sunt capabile să utilizeze azotul atmosferic direct. Alții folosesc compuși de azot ca sursă de oxigen.
Organismele autotrofe necesită o aprovizionare sub formă de nitrați. Pe de altă parte, mulți heterotrofi îl pot folosi doar sub formă de grupe amino pe care le obțin din hrana lor.
Cea mai mare sursă naturală de azot este atmosfera, unde 78% din acest element se găsește sub formă gazoasă (NDouă), cu unele urme de oxid de azot și monoxid de azot.
Rocile sedimentare conțin aproximativ 21% care sunt eliberate foarte lent. Restul de 1% este conținut în materie organică și oceane sub formă de azot organic, nitrați și amoniac.
Există trei tipuri de microorganisme care participă la ciclul azotului. Acestea sunt fixative, nitrificatoare și denitrificatoare.
Acestea codifică un complex de enzime azotaza care sunt implicate în procesul de fixare. Majoritatea acestor microorganisme colonizează rizosfera plantelor și se dezvoltă în țesuturile lor..
Cel mai comun gen de bacterii fixatoare este Rhizobium, care este asociat cu rădăcinile leguminoase. Există și alte genuri precum Frankia, Nostoc Da Stafide care fac simbioză cu rădăcinile altor grupuri de plante.
Cianobacteriile în formă liberă pot fixa azotul atmosferic în mediile acvatice
Există trei tipuri de microorganisme implicate în procesul de nitrificare. Aceste bacterii sunt capabile să oxideze amoniacul sau ionul de amoniu prezent în sol. Sunt organisme chemolittrofice (capabile să oxideze materiale anorganice ca sursă de energie).
Bacteriile din diferite genuri intervin în proces secvențial. Nitrosom și Nitrocystis oxidează NH3 și NH4 în nitriți. Mai tarziu Nitrobacter Da Nitrosococ oxidați acest compus la nitrați.
În 2015, a fost descoperit un alt grup de bacterii care intervin în acest proces. Sunt capabili să oxideze direct amoniacul în nitrați și sunt localizați în gen Nitrospira. Unele ciuperci sunt, de asemenea, capabile să nitrifieze amoniacul.
S-a sugerat că peste 50 de genuri diferite de bacterii pot reduce nitrații la NDouă. Acest lucru se întâmplă în condiții anaerobe (absența oxigenului).
Cele mai comune genuri denitrificatoare sunt Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus Da Thiosphaera. Majoritatea acestor grupuri sunt heterotrofi.
În 2006, o bacterie (Methylomirabilis oxyfera) care este aerob. Este metanotrofă (obține carbon și energie din metan) și este capabilă să obțină oxigen din procesul de denitrificare..
Ciclul azotului trece prin mai multe etape în mobilizarea sa pe toată planeta. Aceste faze sunt:
Este conversia azotului atmosferic în forme considerate reactive (care pot fi folosite de ființele vii). Spargerea celor trei legături pe care le conține molecula NDouă necesită o cantitate mare de energie și poate apărea în două moduri: abiotice sau biotice.
Nitrații sunt obținuți prin fixare cu energie ridicată în atmosferă. Este din energia electrică a fulgerului și a radiației cosmice.
AtunciDouă se combină cu oxigenul pentru a forma forme oxidate de azot precum NO (dioxid de azot) și NODouă (oxid de azot). Ulterior, acești compuși sunt transportați la suprafața pământului de ploaie sub formă de acid azotic (HNO3).
Fixarea cu energie ridicată încorporează aproximativ 10% din nitrații prezenți în ciclul azotului.
Este efectuat de microorganisme din sol. Aceste bacterii sunt în general asociate cu rădăcinile plantelor. Fixarea anuală a azotului biotic este estimată la aproximativ 200 de milioane de tone pe an.
Azotul atmosferic este transformat în amoniac. Într-o primă fază a reacției, NDouă este redus la NH3 (amoniac). În această formă este încorporat în aminoacizi.
În acest proces, este implicat un complex enzimatic cu diverși centri de reducere a oxidării. Acest complex azotazazic este alcătuit dintr-o reductază (furnizează electroni) și o azotazază. Acesta din urmă folosește electroni pentru a reduce NDouă la NH3. O cantitate mare de ATP este consumată în acest proces.
Complexul azotazazic este inhibat ireversibil în prezența concentrațiilor ridicate de ODouă. În nodulii radicali, este prezentă o proteină (leghemoglobina) care menține conținutul de O foarte scăzut.Două. Această proteină este produsă de interacțiunea dintre rădăcini și bacterii.
Plantele care nu au o asociere simbiotică cu bacteriile care fixează NDouă, iau azot din sol. Absorbția acestui element se efectuează sub formă de nitrați prin rădăcini.
Odată ce nitrații intră în plantă, o parte din aceasta este utilizată de celulele rădăcinii. O altă parte este distribuită de xilem întregii plante.
Când se folosește, nitratul se reduce la nitrit în citoplasmă. Acest proces este catalizat de enzima nitrat reductază. Nitriții sunt transportați la cloroplaste și alte plastide, unde sunt reduse la ionul de amoniu (NH4).
Ionul de amoniu în cantități mari este toxic pentru plantă. Deci, este rapid încorporat în scheletele carbonatate pentru a forma aminoacizi și alte molecule..
În cazul consumatorilor, azotul se obține prin hrănirea directă din plante sau alte animale.
În acest proces, compușii azotoși prezenți în sol sunt degradați în forme chimice mai simple. Azotul este conținut în materie organică moartă și în deșeuri precum ureea (urina mamiferelor) sau acidul uric (excrementele păsărilor).
Azotul conținut în aceste substanțe este sub formă de compuși organici complecși. Microorganismele folosesc aminoacizii conținuți în aceste substanțe pentru a-și produce proteinele. În acest proces eliberează exces de azot sub formă de amoniac sau ion de amoniu..
Acești compuși sunt disponibili în sol pentru ca alte microorganisme să acționeze în următoarele faze ale ciclului.
În această fază, bacteriile solului oxidează amoniacul și ionul de amoniu. În acest proces, se eliberează energie utilizată de bacterii în metabolismul lor..
În prima parte, bacteriile nitrozante ale genului Nitrozomi oxidează amoniacul și ionul de amoniu la nitriți. Enzima amoniac mooxigenază se găsește în membrana acestor microorganisme. Oxidează NH3 la hidroxilamină, care este apoi oxidată la nitrit în periplasma bacteriei.
Ulterior, bacteriile nitrante oxidează nitriții în nitrați folosind enzima nitrit oxidoreductază. Nitrații rămân disponibili în sol, unde pot fi absorbiți de plante.
În acest stadiu, formele oxidate de azot (nitriți și nitrați) sunt transformate înapoi în NDouă și într-o măsură mai mică oxidul de azot.
Procesul este realizat de bacteriile anaerobe, care utilizează compuși azotați ca acceptori de electroni în timpul respirației. Rata denitrificării depinde de mai mulți factori, cum ar fi nitrații disponibili și saturația solului și temperatura..
Când solul este saturat cu apă, ODouă nu mai este ușor disponibil, iar bacteriile folosesc NO3 ca acceptor de electroni. Când temperaturile sunt foarte scăzute, microorganismele nu pot efectua procesul.
Această fază este singura modalitate prin care azotul este eliminat dintr-un ecosistem. În acest fel, NDouă care a fost fix revine la atmosferă și echilibrul acestui element este menținut.
Acest ciclu are o mare relevanță biologică. După cum am explicat anterior, azotul este o parte importantă a organismelor vii. Prin acest proces devine utilizabil biologic.
În dezvoltarea culturilor, disponibilitatea azotului este una dintre principalele limitări ale productivității. De la începutul agriculturii, solul a fost îmbogățit cu acest element.
Cultivarea leguminoaselor pentru îmbunătățirea calității solului este o practică obișnuită. La fel, însămânțarea orezului în soluri inundate promovează condițiile de mediu necesare pentru utilizarea azotului..
În secolul al XIX-lea, guano (excrementul păsărilor) a fost utilizat pe scară largă ca sursă externă de azot în culturi. Cu toate acestea, până la sfârșitul acestui secol era insuficientă creșterea producției de alimente.
Chimistul german Fritz Haber, la sfârșitul secolului al XIX-lea, a dezvoltat un proces care a fost ulterior comercializat de Carlo Bosch. Aceasta constă în reacția NDouă și hidrogen gazos pentru a forma amoniac. Este cunoscut sub numele de procesul Haber-Bosch.
Această formă de producție artificială de amoniac este una dintre principalele surse de azot care pot fi folosite de ființele vii. Se consideră că 40% din populația lumii depinde de aceste îngrășăminte pentru hrana lor.
Producția antropică actuală de amoniac este de aproximativ 85 de tone pe an. Acest lucru are consecințe negative asupra ciclului azotului..
Datorită utilizării ridicate a îngrășămintelor chimice, există contaminarea solurilor și a acviferelor. Se consideră că peste 50% din această contaminare este o consecință a sintezei Haber-Bosch.
Excesele de azot duc la eutrificarea (îmbogățirea nutrienților) a corpurilor de apă. Euutrificarea antropică este foarte rapidă și determină o creștere accelerată în principal a algelor.
Acestea consumă mult oxigen și pot acumula toxine. Din cauza lipsei de oxigen, celelalte organisme prezente în ecosistem ajung să moară.
În plus, utilizarea combustibililor fosili eliberează o cantitate mare de oxid de azot în atmosferă. Acesta reacționează cu ozonul și formează acidul azotic, care este una dintre componentele ploii acide..
Nimeni nu a comentat acest articol încă.