NITROGEN SYKLUS: EGENSKAPER, RESERVOARER OG STADIER - MILJØ - 2026

Den nitrogensyklusen er prosessen med nitrogen bevegelse mellom atmosfæren og biosfæren. Det er en av de mest relevante biogeokjemiske syklusene. Nitrogen (N) er et element av stor betydning, siden det kreves av alle organismer for deres vekst. Det er en del av den kjemiske sammensetningen av nukleinsyrer (DNA og RNA) og proteiner.

Den største mengden nitrogen på planeten er i atmosfæren. Atmosfærisk nitrogen (N ₂ ) kan ikke brukes direkte av de fleste levende ting. Det er bakterier som er i stand til å fikse det og innlemme det i jorden eller vannet på måter som kan brukes av andre organismer.

Vannmasse overgjødslet ved berikelse med nitrogen og fosfor, i Lille (Nord-Frankrike). Forfatter: F. lamiot (eget arbeid), fra Wikimedia Commons

Deretter blir nitrogen assimilert av autotrofiske organismer. De fleste heterotrofiske organismer skaffer den gjennom mat. Deretter frigjør de overskuddet i form av urin (pattedyr) eller ekskrement (fugler).

I en annen fase av prosessen er det bakterier som deltar i transformasjonen av ammoniakk til nitrater og nitrater som er innlemmet i jorden. Og på slutten av syklusen bruker en annen gruppe mikroorganismer oksygenet som er tilgjengelig i nitrogenholdige forbindelser i respirasjon. I denne prosessen slipper de nitrogen tilbake i atmosfæren.

For tiden produseres den største mengden nitrogen som brukes i landbruket av mennesker. Dette har resultert i et overskudd av dette elementet i jordsmonn og vannkilder, forårsaker en ubalanse i denne biogeokjemiske syklusen.

Generelle egenskaper

Opprinnelse

Nitrogen anses å ha sin opprinnelse ved nukleosyntese (opprettelse av nye atomkjerner). Stjerner med store masser av helium nådde trykket og temperaturen som var nødvendig for at nitrogen skulle dannes.

Da jorden oppsto, var nitrogen i fast tilstand. Senere, med vulkansk aktivitet, ble dette elementet en gassformig tilstand og ble innlemmet i planetens atmosfære.

Nitrogen var i form av N ₂ . Sannsynligvis dukket de kjemiske formene som ble brukt av levende vesener (NH _3- ammoniakk ) ut av nitrogen-sykluser mellom havet og vulkanene. På denne måten ville NH ₃ blitt innlemmet i atmosfæren og sammen med andre elementer gitt opphav til organiske molekyler.

Kjemiske former

Nitrogen forekommer i forskjellige kjemiske former, og refererer til forskjellige oksidasjonstilstander (tap av elektroner) av dette elementet. Disse forskjellige formene varierer både i kjennetegn og oppførsel. Nitrogengass (N ₂ ) oksideres ikke.

Oksiderte former er klassifisert i organiske og uorganiske. De organiske formene forekommer hovedsakelig i aminosyrer og proteiner. De uorganiske tilstander er ammoniakk (NH ₃ ), ammoniumion (NH ₄ ), nitritter (NO ₂ ) og nitrat (NO ₃ ), blant andre.

Historie

Nitrogen ble oppdaget i 1770 av tre forskere uavhengig (Scheele, Rutherford og Lavosier). I 1790 benevnte den franske Chaptal gassen som nitrogen.

I andre halvdel av 1800-tallet ble det funnet å være en viktig komponent i vevene til levende organismer og i veksten av planter. På samme måte ble det påvist eksistensen av en konstant flyt mellom organiske og uorganiske former.

Nitrogenkilder ble opprinnelig ansett for å være lyn og atmosfærisk avsetning. I 1838 bestemte Boussingault den biologiske fiksering av dette elementet i belgfrukter. Så, i 1888, ble det oppdaget at mikroorganismene assosiert med røttene til belgfrukter var ansvarlige for fiksering av N ₂ .

En annen viktig oppdagelse var eksistensen av bakterier som var i stand til å oksidere ammoniakk til nitritter. I tillegg til andre grupper som transformerte nitriter til nitrater.

Allerede i 1885 bestemte Gayon at en annen gruppe mikroorganismer hadde evnen til å omdanne nitrater til N ₂ . På en slik måte at nitrogensyklusen på planeten kunne forstås.

Byråskrav

Alle levende ting krever nitrogen for de viktige prosessene sine, men ikke alle bruker det på samme måte. Noen bakterier er i stand til å bruke atmosfærisk nitrogen direkte. Andre bruker nitrogenforbindelser som oksygenkilde.

Autotrofiske organismer krever tilførsel i form av nitrater. For deres del kan mange heterotrofer bare bruke den i form av aminogrupper som de får fra maten.

komponenter

-Reserves

Den største naturlige kilden til nitrogen er atmosfæren, der 78% av dette elementet finnes i gassform (N ₂ ), med noen spor av lystgass og nitrogenmonoksid.

Sedimentære bergarter inneholder omtrent 21% som frigjøres veldig sakte. De resterende 1% er inneholdt i organisk materiale og havene i form av organisk nitrogen, nitrater og ammoniakk.

-Deltakende mikroorganismer

Det er tre typer mikroorganismer som deltar i nitrogensyklusen. Dette er fikseringsmidler, nitrifiseringsmidler og denitifiseringsmidler.

N-fikserende bakterier

De koder for et kompleks av nitrogenaseenzymer som er involvert i fikseringsprosessen. De fleste av disse mikroorganismer koloniserer rhizosfæren til planter og utvikler seg i vevet.

Den vanligste slekten for å fikse bakterier er Rhizobium, som er assosiert med røtter av belgfrukter. Det er andre slekter som Frankia, Nostoc og Pasasponia som lager symbiose med røtter fra andre grupper av planter.

Cyanobakterier i fri form kan fikse atmosfærisk nitrogen i vannmiljøer

Nitrifiserende bakterier

Det er tre typer mikroorganismer involvert i nitrifikasjonsprosessen. Disse bakteriene er i stand til å oksidere ammoniakk eller ammoniumionet som finnes i jorden. De er kjemolyttrofiske organismer (som er i stand til å oksidere uorganiske forhold som energikilde).

Bakterier av forskjellige slekter griper inn i prosessen sekvensielt. Nitrosoma og Nitrocystis oksiderer NH3 og NH4 til nitritter. Nitrobacter og Nitrosococcus oksiderer deretter denne forbindelsen til nitrater.

I 2015 ble en annen gruppe bakterier oppdaget som griper inn i denne prosessen. De er i stand til å direkte oksidere ammoniakk til nitrater og er lokalisert i Nitrospira-slekten. Noen sopp er også i stand til å nitrifisere ammoniakk.

Denitrifiserende bakterier

Det har blitt antydet at mer enn 50 forskjellige slekt av bakterier kan redusere nitrater til N ₂ . Dette skjer under anaerobe forhold (fravær av oksygen).

De vanligste denitrifiserende slektene er Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus og Thiosphaera. De fleste av disse gruppene er heterotrofer.

I 2006 ble det oppdaget en bakterie (Methylomirabilis oxyfera) som er aerob. Det er metanotrofisk (det henter karbon og energi fra metan) og er i stand til å få oksygen fra denitrifiseringsprosessen.

Stages

Nitrogensyklusen går gjennom forskjellige stadier i sin mobilisering over hele planeten. Disse fasene er:

Fiksering

Det er konvertering av atmosfærisk nitrogen til former som anses som reaktive (som kan brukes av levende vesener). Brudd på de tre bindingene som er inneholdt i N _2- molekylet krever en stor mengde energi og kan skje på to måter: abiotisk eller biotisk.

Syklus av nitrogen. Gjengitt av YanLebrel fra et bilde fra Environmental Protection Agency: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, via Wikimedia Commons

Abiotisk fiksering

Nitrater oppnås ved fiksering av høy energi i atmosfæren. Det kommer fra den elektriske energien til lynet og kosmisk stråling.

N ₂ kombineres med oksygen for å danne oksyderte nitrogenformer som NO (nitrogen dioxide) og NO ₂ (lystgass). Senere blir disse forbindelsene ført til jordoverflaten av regn som salpetersyre (HNO ₃ ).

Høysenergifiksering innlemmer omtrent 10% av nitratene som er tilstede i nitrogensyklusen.

Biotisk fiksering

Det utføres av mikroorganismer i jorda. Disse bakteriene er vanligvis assosiert med røttene til planter. Årlig biotisk nitrogenfiksering anslås å være omtrent 200 millioner tonn per år.

Atmosfærisk nitrogen omdannes til ammoniakk. I en første fase av reaksjonen, N ₂ er redusert til NH ₃ (ammoniakk). I denne formen er den inkorporert i aminosyrer.

I denne prosessen er et enzymatisk kompleks med forskjellige oksidasjonsreduksjonssentre involvert. Dette nitrogenasekomplekset består av en reduktase (gir elektroner) og en nitrogenase. De sistnevnte bruker elektroner for å redusere N- ₂ til NH ₃ . En stor mengde ATP konsumeres i prosessen.

Den nitrogenase Komplekset er irreversibelt inhibert i nærvær av høye konsentrasjoner av O ₂ . I radikale knuter, et protein (leghemoglobin) er til stede som holder O ₂ innholdet meget lavt . Dette proteinet produseres av samspillet mellom røttene og bakteriene.

Assimilering

Planter som ikke har en symbiotisk tilknytning til N _2- fikserende bakterier, tar nitrogen fra jorda. Opptaket av dette elementet utføres i form av nitrater gjennom røttene.

Når nitrater kommer inn i planten, brukes noe av det av rotcellene. En annen del blir distribuert av xylem til hele anlegget.

Når det skal brukes, reduseres nitrat til nitritt i cytoplasma. Denne prosessen katalyseres av enzymnitratreduktase. Nitritter blir transportert til kloroplaster og andre plastider, hvor de reduseres til ammoniumioner (NH ₄ ).

Ammoniumionet i store mengder er giftig for planten. Så det blir raskt innlemmet i karbonatskjelett for å danne aminosyrer og andre molekyler.

For forbrukere oppnås nitrogen ved å mate direkte fra planter eller andre dyr.

av ammoniakk

I denne prosessen blir de nitrogenholdige forbindelsene som er tilstede i jorda brutt ned til enklere kjemiske former. Nitrogen er inneholdt i dødt organisk materiale og avfall som urea (pattedyrurin) eller urinsyre (utskillelse av fugler).

Nitrogenet i disse stoffene er i form av komplekse organiske forbindelser. Mikroorganismer bruker aminosyrene i disse stoffene for å produsere sine proteiner. I denne prosessen frigjør de overflødig nitrogen i form av ammoniakk eller ammoniumion.

Disse forbindelsene er tilgjengelige i jorda for at andre mikroorganismer kan virke i de følgende faser av syklusen.

nitrifikasjon

I denne fasen oksiderer jordbakterier ammoniakk og ammoniumion. I prosessen frigjøres energi som brukes av bakteriene i deres metabolisme.

I den første delen oksiderer nitrosifiserende bakterier av slekten Nitrosomas ammoniakk og ammoniumion til nitritt. Enzymet ammoniak mooxygenase finnes i membranen til disse mikroorganismer. Dette oksyderer NH ₃ til hydroksylamin, som deretter oksyderes til nitritt i periplasmaet av bakteriene.

Deretter oksiderer nitrerende bakterier nitrittene til nitrater ved bruk av enzymet nitritt oksidoreduktase. Nitrat forblir tilgjengelig i jorden, hvor de kan tas opp av planter.

denitrifikasjon

I dette stadiet blir oksyderte former for nitrogen (nitriter og nitrater) omdannet til N ₂ og i mindre grad til lystgass.

Prosessen utføres av anaerobe bakterier, som bruker nitrogenholdige forbindelser som elektronakseptorer under respirasjon. Denitrifikasjonshastigheten avhenger av flere faktorer, for eksempel tilgjengelig nitrat og jordmetning og temperatur.

Når jorden er mettet med vann, er O _{2 ikke} lenger lett tilgjengelig og bakterier bruker NO ₃ som elektronakseptor. Når temperaturene er veldig lave, kan ikke mikroorganismer utføre prosessen.

Denne fasen er den eneste måten nitrogen fjernes fra et økosystem. På denne måten vender N ₂ som var fast tilbake til atmosfæren og balansen i dette elementet opprettholdes.

Betydning

Denne syklusen har stor biologisk relevans. Som vi forklarte tidligere, er nitrogen en viktig del av levende organismer. Gjennom denne prosessen blir den biologisk brukbar.

I utviklingen av avlinger er tilgjengeligheten av nitrogen en av hovedbegrensningene i produktiviteten. Siden begynnelsen av jordbruket har jorda blitt beriket med dette elementet.

Dyrking av belgfrukter for å forbedre jordkvaliteten er en vanlig praksis. På samme måte fremmer plantingen av ris i oversvømte jord de miljøforholdene som er nødvendige for bruk av nitrogen.

I løpet av 1800-tallet ble guano (bird excreta) mye brukt som en ekstern kilde til nitrogen i avlinger. Mot slutten av dette århundret var det imidlertid utilstrekkelig for å øke matproduksjonen.

Den tyske kjemikeren Fritz Haber utviklet på slutten av 1800-tallet en prosess som senere ble kommersialisert av Carlo Bosch. Denne består av omsetning av N ₂ og hydrogengass for å danne ammoniakk. Det er kjent som Haber-Bosch-prosessen.

Denne formen for kunstig produksjon av ammoniakk er en av de viktigste kildene til nitrogen som kan brukes av levende vesener. Det anses at 40% av verdensbefolkningen er avhengig av disse gjødselene for maten deres.

Forstyrrelser i nitrogenomsyklus

Den nåværende antropiske produksjonen av ammoniakk er omtrent 85 tonn per år. Dette har negative konsekvenser for nitrogensyklusen.

På grunn av den høye bruken av kjemisk gjødsel er det forurensning av jordsmonn og akviferer. Det anses at mer enn 50% av denne forurensningen er en konsekvens av Haber-Bosch-syntesen.

Nitrogenoverskudd fører til overgjødsling (berikelse med næringsstoffer) av vannforekomster. Antropisk euutrififisering er veldig rask og forårsaker akselerert vekst hovedsakelig av alger.

De bruker mye oksygen og kan samle giftstoffer. På grunn av mangel på oksygen ender de andre organismer som er til stede i økosystemet, ut.

I tillegg frigjør bruk av fossile brensler en stor mengde lystgass i atmosfæren. Dette reagerer med ozon og danner salpetersyre, som er en av komponentene i sur nedbør.

referanser

1. Cerón L og A Aristizábal (2012) Dynamikk for nitrogen- og fosforsyklusen i jordsmonn. Pastor Colomb. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R og B Quesada (2010) Haber-Bosch-prosessen i det agroindustrielle samfunnet: farer og alternativer. Agrifood-systemet: kommodifisering, kamp og motstand. Redaksjonell ILSA. Bogota Colombia. 75-95
3. Galloway JN (2003) Den globale nitrogensyklusen. I: Schelesinger W (red.) Avhandling om geokjemi. Elsevier, USA. s 557-583.
4. Galloway JN (2005) Den globale nitrogensyklusen: fortid, nåtid og fremtid. Science in China Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Nitrogenkaskaden forårsaket av menneskelige aktiviteter. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L og M Klotz (2016) Nitrogensyklusen. Current Biology 26: 83-101.