Характеристики циклу азоту, резервуари, етапи, значення

The цикл азоту це процес переміщення азоту між атмосферою і біосферою. Це один з найбільш актуальних біогеохімічних циклів. Азот (N) є елементом, що має велике значення, оскільки він необхідний всім організмам для його зростання. Вона є частиною хімічного складу нуклеїнових кислот (ДНК і РНК) і білків.

Найбільша кількість азоту на планеті знаходиться в атмосфері. Атмосферний азот (N₂) не можуть бути використані безпосередньо більшістю живих істот. Є бактерії, здатні закріпити її і включити в грунт або воду способами, які можуть бути використані іншими організмами.

Згодом азот засвоюється автотрофними організмами. Більшість гетеротрофних організмів набувають її шляхом годування. Потім вони вивільняють ексцеси у вигляді сечі (ссавців) або екскрементів (птахів).

В іншій фазі процесу є бактерії, які беруть участь у перетворенні аміаку в нітрити і нітрати, що входять до грунту. І в кінці циклу інша група мікроорганізмів використовує кисень, доступний в азотних сполуках, при диханні. У цьому процесі вони відпускають азот назад в атмосферу.

В даний час найбільша кількість азоту, що використовується в сільському господарстві, виробляється людьми. Це призвело до надлишку цього елемента в ґрунтах і водних джерелах, що призвело до дисбалансу в цьому біогеохімічному циклі.

Індекс

• 1 Загальна характеристика
  • 1.1 Походження
  • 1.2 Хімічні форми 
  • 1.3 Історія
  • 1.4 Вимоги до організмів
• 2 Компоненти
  • 2.1-Резервуари
  • 2.2 - Участь мікроорганізмів
• 3 Етапи
  • 3.1 Фіксація
  • 3.2 Асиміляція
  • 3.3 Амонізація
  • 3.4 Нітрифікація
  • 3.5 Денітрифікація
• 4 Важливість
• 5 Зміни циклу азоту
• 6 Посилання

Загальна характеристика

Походження

Вважається, що азот походить від нуклеосинтезу (створення нових атомних ядер). Зірки з великими масами гелію досягали тиску і температури, необхідних для утворення азоту.

Коли Земля виникла, азот перебував у твердому стані. Потім, з вулканічною активністю, цей елемент пішов у газоподібний стан і був включений в атмосферу планети.

Азот перебував у вигляді N₂. Ймовірно, хімічні форми використовуються живими істотами (аміак NH₃) з'явилися азотними циклами між морем і вулканами. Таким чином, NH₃ були б включені в атмосферу і разом з іншими елементами дали початок органічних молекул.

Хімічні форми

Азот відбувається в різних хімічних формах, що відносяться до різних станів окислення (втрати електронів) цього елемента. Ці різні форми змінюються як за своїми характеристиками, так і за своєю поведінкою. Газ азоту (N₂) не іржавий.

Окислені форми класифікуються як органічні та неорганічні. Органічні форми в основному присутні в амінокислотах і білках. Неорганічними станами є аміак (NH₃), іон амонію (NH₄), нітрити (NO₂) і нітрати (NO₃), серед інших.

Історія

Азот був відкритий в 1770 році трьома вченими самостійно (Шееле, Резерфорд і Лавосьє). У 1790 році француз Чапталь назвав газ азотом.

У другій половині дев'ятнадцятого століття вона виявилася важливою складовою тканин живих організмів і зростанням рослин. Аналогічним чином було виявлено існування постійного потоку між органічними та неорганічними формами.

На початку вважалося, що джерелами азоту є блискавка і атмосферне осадження. У 1838 році Буссінго визначав біологічну фіксацію цього елемента в бобових. Потім, в 1888 році, було виявлено, що мікроорганізми, пов'язані з корінням бобових, відповідають за фіксацію N₂.

Іншим важливим відкриттям було існування бактерій, здатних окислювати аміак до нітритів. Як і інші групи, які перетворюють нітрити в нітрати.

Ще в 1885 році Гайон визначив, що інша група мікроорганізмів має здатність трансформувати нітрати в N₂. Таким чином, можна зрозуміти цикл азоту на планеті.

Вимоги організмів

Всі живі істоти вимагають азоту для своїх життєвих процесів, але не всі використовують його так само. Деякі бактерії здатні безпосередньо використовувати атмосферний азот. Інші використовують азотисті сполуки в якості джерела кисню.

Автотрофні організми вимагають постачання у вигляді нітратів. Зі свого боку, багато гетеротрофів можуть використовувати його лише у вигляді аміногруп, які вони отримують з їжі.

Компоненти

-Резервуари

Найбільшим природним джерелом азоту є атмосфера, де 78% цього елемента знаходиться в газоподібному вигляді (N₂), з деякими слідами закису азоту і монооксиду азоту.

Осадові породи містять приблизно 21%, які вивільняються дуже повільно. Решта 1% міститься в органічній речовині і в океанах у вигляді органічного азоту, нітратів і аміаку.

-Участь мікроорганізмів

Існують три типи мікроорганізмів, які беруть участь в циклі азоту. Це фіксатори, нітрифікатори та денітріфікатори.

N-фіксуючі бактерії₂

Вони кодують комплекс ферментів нітрогенази, які беруть участь у процесі фіксації. Більшість цих мікроорганізмів колонізують ризосферу рослин і розвиваються в межах своїх тканин.

Найбільш поширеним типом фіксуючих бактерій є Rhizobium, яка пов'язана з корінням бобових. Є й інші жанри Франка, Nostoc і Пасаспонія що роблять симбіоз з корінням інших груп рослин.

Ціанобактерії у вільній формі можуть фіксувати атмосферний азот у водних середовищах

Нітрифікуючі бактерії

Існують три типи мікроорганізмів, які беруть участь у процесі нітрифікації. Ці бактерії здатні окислювати аміак або іон амонію, присутній у ґрунті. Це хемолітотрофні організми (здатні окислювати неорганічні матеріали як джерело енергії).

Бактерії різних родів послідовно втручаються в процес. Нітросоми і нітроцисти окислюють NH3 і NH4 до нітритів. Потім Nitrobacter і Nitrosococcus окисляють це з'єднання до нітратів.

У 2015 році була виявлена ​​ще одна група бактерій, залучених до цього процесу. Вони здатні безпосередньо окислювати аміак до нітратів і розташовуються в роді Нітроспіра. Деякі гриби також здатні до нітрифікації аміаку.

Денитрифицирующие бактерії

Було зазначено, що більше 50 різних родів бактерій можуть зменшити вміст нітратів до N₂. Це відбувається в анаеробних умовах (відсутність кисню).

Найбільш поширеними є денітрифікуючі пологи Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus і Тіосфора. Більшість цих груп є гетеротрофними.

У 2006 році була виявлена ​​бактерія (Methylomirabilis oxyfera), який є аеробним. Він є метанотрофним (отримує енергію вуглецю і метану) і здатний отримувати кисень з процесу денітрифікації.

Етапи

Цикл азоту проходить кілька етапів мобілізації на всій планеті. Ці етапи:

Фіксація

Це перетворення атмосферного азоту у форми, що вважаються реактивними (які можуть бути використані живими істотами). Розрив трьох зв'язків, що містить молекулу N₂ Він вимагає великої кількості енергії і може відбуватися двома способами: абіотичним або біотичним.

Абіотична фіксація

Нітрати отримують шляхом високої енергетичної фіксації в атмосфері. Він надходить від електричної енергії блискавки і космічного випромінювання.

N₂ воно поєднується з киснем для одержання окислених форм азоту, таких як NO (діоксид азоту) і NO₂ (закис азоту). Згодом ці сполуки доводяться до земної поверхні дощем як азотна кислота (HNO₃).

Фіксація високої енергії включає приблизно 10% нітратів, присутніх в азотному циклі.

Біотична фіксація

Це здійснюється грунтовими мікроорганізмами. Взагалі ці бактерії пов'язані з корінням рослин. Підраховано, що річна біотична фіксація азоту становить приблизно 200 млн. Тонн на рік.

Атмосферний азот перетворюється в амоній. У першій фазі реакції N₂ знижується до NH₃ (аміак). Таким чином вона вбудовується в амінокислоти.

У цьому процесі бере участь ензиматичний комплекс з різними оксид-відновними центрами. Цей комплекс нітрогенази складається з редуктази (забезпечує електрони) і нітрогенази. Останній використовує електрони для зменшення N₂ до NH₃. У процесі споживання витрачається велика кількість АТФ.

Комплекс нітрогенази необоротно інгібується в присутності високих концентрацій О₂. У радикальних конкреціях присутній білок (легемоглобін), який зберігає вміст O дуже низьким₂. Цей білок виробляється взаємодією між корінням і бактеріями.

Асиміляція

Рослини, які не мають симбіотичної асоціації з N-фіксуючими бактеріями₂, вони беруть азот з грунту. Поглинання цього елемента здійснюється у вигляді нітратів через коріння.

Після того, як нітрати потрапляють в рослину, частину використовують клітини кореня. Інша частина розподіляється ксилемою на всю рослину.

Коли вона буде використана, нітрати зводяться до нітриту в цитоплазмі. Цей процес каталізується ферментом нітратредуктазой. Нітрити транспортуються до хлоропластів та інших пластид, де вони зводяться до іона амонію (NH₄).

Іон амонію у великих кількостях токсичний для рослини. Таким чином, він швидко вбудовується в карбонатні скелети, утворюючи амінокислоти та інші молекули.

У випадку споживачів азот отримують шляхом подачі безпосередньо з рослин або інших тварин.

Амонізація

У цьому процесі сполуки азоту, присутні в ґрунті, деградують до більш простих хімічних форм. Азот міститься в мертвих органічних речовинах і відходах, таких як сечовина (сеча від ссавців) або сечова кислота (екскрети з птахів).

Азот, що міститься в цих речовинах, знаходиться у формі складних органічних сполук. Мікроорганізми використовують амінокислоти, що містяться в цих речовинах, для отримання своїх білків. У цьому процесі вони виділяють надлишковий азот у вигляді аміаку або іона амонію.

Ці сполуки доступні в ґрунті для інших мікроорганізмів, щоб діяти в наступних фазах циклу.

Нітрифікація

Під час цієї фази грунтові бактерії окислюють аміак і іон амонію. У процесі цього процесу виділяється енергія, яку використовують бактерії в їх метаболізмі.

У першій частині нітрозирующіе бактерії роду Нітросоми окислюють аміак і іон амонію в нітрит. У мембрані цих мікроорганізмів знаходиться фермент аміак мооксигеназа. Це окислює NH₃ до гідроксиламіну, який потім окислюється до нітриту в периплазму бактерії.

Згодом нітрати окислять нітрити до нітратів, використовуючи фермент нітрит оксидоредуктазу. Нітрати доступні в грунті, де вони можуть бути поглинені рослинами.

Денітрифікація

На цій стадії окислені форми азоту (нітрити і нітрати) перетворюються назад в N₂ і в меншій мірі закис азоту.

Процес виконується анаеробними бактеріями, які використовують сполуки азоту в якості акцепторів електронів під час дихання. Швидкість денітрифікації залежить від декількох факторів, таких як наявність насиченого нітрату і грунту і температура.

Коли грунт насичується водою, O₂ це неможливо, і бактерії використовують NO₃ як акцептор електронів. Коли температура дуже низька, мікроорганізми не можуть виконувати цей процес.

Ця фаза є єдиним способом видалення азоту з екосистеми. Таким чином, N₂ що було зафіксовано повернення в атмосферу і баланс цього елемента зберігається.

Значення

Цей цикл має велике біологічне значення. Як ми пояснили раніше, азот є важливою частиною живих організмів. Через цей процес він стає біологічно придатним для використання.

При розробці сільськогосподарських культур наявність азоту є одним з основних обмежень на продуктивність. З початку сільського господарства цей грунт збагачувався цим елементом.

Вирощування бобових культур для поліпшення якості ґрунтів є звичайною практикою. Крім того, посадка рису в затопленому грунті сприяє екологічним умовам, необхідним для використання азоту.

Протягом 19 століття гуано (пташині екскременти) широко використовувався як зовнішній джерело азоту в посівах. Однак до кінця цього століття цього було недостатньо для збільшення виробництва продуктів харчування.

Німецький хімік Фріц Хабер наприкінці XIX століття розробив процес, який згодом продавав Карло Бош. Це включає в себе реагування N₂ і газоподібний водень з утворенням аміаку. Він відомий як процес Хабер-Бош.

Ця форма штучного аміаку є одним з основних джерел азоту, що використовується живими істотами. Вважається, що 40% населення світу залежить від цих добрив для своєї їжі.

Зміни циклу азоту

Сучасна антропогенна продукція аміаку становить приблизно 85 тонн на рік. Це призводить до негативних наслідків у циклі азоту.

Через високе використання хімічних добрив спостерігається забруднення ґрунтів і водоносних горизонтів. Вважається, що більше 50% цього забруднення є наслідком синтезу Хабера-Боша.

Надлишки азоту призводять до евтрофікації (збагачення поживними речовинами) водних об'єктів. Антропогенна евтріфікація дуже швидка і викликає прискорене зростання переважно водоростей.

Вони споживають велику кількість кисню і можуть накопичувати токсини. Через брак кисню інші організми, присутні в екосистемі, в кінцевому підсумку помирають.

Крім того, використання викопного палива вивільняє в атмосферу велику кількість закису азоту. Це реагує з озоном і утворює азотну кислоту, яка є одним з компонентів кислотних дощів.

Список літератури

1. Cerón L і A Aristizábal (2012) Динаміка циклу азоту та фосфору в грунтах. Коломб. Biotechnol 14: 285-295.
2. Estupiñan R і B Quesada (2010) Haber-Bosch процес в агропромисловому суспільстві: небезпеки і альтернативи. Агро-аліментарна система: торгівля, боротьба і опір. Редакція ILSA. Богота, Колумбія 75-95
3. Galloway JN (2003) Світовий цикл азоту. В: Schelesinger W (ed.) Трактат про геохімії. Elsevier, США. 557-583.
4. Galloway JN (2005) Світовий цикл азоту: минуле, сьогодення і майбутнє. Наука в Китаї Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Азотний каскад, викликаний діяльністю людини. Ойкос 16: 14-17.
6. Stein L та M Klotz (2016) Цикл азоту. Current Biology 26: 83-101.