Karakteristike ciklusa dušika, rezervoari, faze, važnost

ciklus dušika to je proces kretanja dušika između atmosfere i biosfere. To je jedan od najvažnijih biogeokemijskih ciklusa. Dušik (N) je element od velike važnosti, budući da ga zahtijevaju svi organizmi za njegov rast. Dio je kemijskog sastava nukleinskih kiselina (DNA i RNA) i proteina.

Najveća količina dušika na planeti je u atmosferi. Atmosferski dušik (N₂) ne može izravno koristiti većina živih bića. Postoje bakterije koje mogu to popraviti i ugraditi u tlo ili vodu na načine koje mogu koristiti drugi organizmi.

Nakon toga se dušik asimilira s autotrofnim organizmima. Većina heterotrofnih organizama ga dobiva hranjenjem. Tada se oslobađaju ekscesi u obliku urina (sisavaca) ili izlučevina (ptice).

U drugoj fazi procesa postoje bakterije koje sudjeluju u transformaciji amonijaka u nitrite i nitrate koji su ugrađeni u tlo. I na kraju ciklusa, druga skupina mikroorganizama koristi kisik koji je dostupan u dušikovim spojevima u disanju. U tom procesu oslobađaju dušik natrag u atmosferu.

Trenutno najveću količinu dušika u poljoprivredi proizvode ljudi. To je rezultiralo viškom ovog elementa u tlima i izvorima vode, uzrokujući neravnotežu u ovom biogeokemijskom ciklusu.

indeks

• 1 Opće karakteristike
  • 1.1 Podrijetlo
  • 1.2. Kemijski oblici 
  • 1.3 Povijest
  • 1.4 Zahtjevi za organizme
• 2 Komponente
  • 2.1 -Reservorios
  • 2.2. Sudjelovanje mikroorganizama
• 3 Faze
  • 3.1 Fiksiranje
  • 3.2 Asimilacija
  • 3.3 Amonifikacija
  • 3.4 Nitrifikacija
  • 3.5 Denitrifikacija
• 4 Važnost
• 5 Promjene ciklusa dušika
• 6 Reference

Opće karakteristike

izvor

Smatra se da je dušik nastao nukleosintezom (stvaranje novih atomskih jezgri). Zvijezde s velikim masama helija dosegle su tlak i temperaturu potrebne za stvaranje dušika.

Kada je Zemlja nastala, dušik je bio u čvrstom stanju. Zatim, s vulkanskom aktivnošću, taj je element otišao u plinovito stanje i uključen u atmosferu planeta.

Dušik je bio u obliku N₂. Vjerojatno kemijski oblici koje koriste živa bića (amonijak NH₃) pojavili su se dušikovi ciklusi između mora i vulkana. Na taj način, NH₃ bio bi ugrađen u atmosferu i zajedno s drugim elementima doveo do stvaranja organskih molekula.

Kemijski oblici

Dušik se javlja u različitim kemijskim oblicima, a odnosi se na različita oksidacijska stanja (gubitak elektrona) ovog elementa. Ti različiti oblici razlikuju se kako u svojim osobinama tako iu ponašanju. Plin dušik (N₂) nije zahrđao.

Oksidirani oblici su klasificirani kao organski i anorganski. Organski oblici uglavnom su prisutni u aminokiselinama i proteinima. Anorganska stanja su amonijak (NH₃, amonijev ion (NH₄), nitriti (NO₂) i nitrate (NO₃), među ostalima.

povijest

Dušik je 1770. otkrio troje znanstvenika samostalno (Scheele, Rutherford i Lavosier). Godine 1790. Francuz Chaptal nazvao je plin dušikom.

U drugoj polovici 19. stoljeća utvrđeno je da je ona bitna komponenta tkiva živih organizama i rast biljaka. Isto tako, dokazano je postojanje stalnog protoka između organskih i anorganskih oblika.

Na početku se smatralo da su izvori dušika munja i atmosferska taloženja. Godine 1838. Boussingault je odredio biološku fiksaciju tog elementa u mahunarkama. Tada je 1888. otkriveno da su mikroorganizmi povezani s korijenjem mahunarki odgovorni za fiksiranje N₂.

Još jedno važno otkriće bilo je postojanje bakterija koje su sposobne oksidirati amonijak do nitrita. Kao i druge skupine koje su nitrite pretvorile u nitrate.

Već 1885. Gayon je utvrdio da druga skupina mikroorganizama ima sposobnost transformacije nitrata u N₂. Na taj način bi se mogao razumjeti ciklus dušika na planeti.

Zahtjev organizama

Sva živa bića traže dušik za svoje vitalne procese, ali ne koriste ga svi na isti način. Neke bakterije mogu izravno koristiti atmosferski dušik. Drugi koriste dušične spojeve kao izvor kisika.

Autotrofni organizmi zahtijevaju opskrbu u obliku nitrata. Sa svoje strane, mnogi heterotrofi mogu ga koristiti samo u obliku amino skupina koje dobivaju iz svoje hrane.

komponente

-rezervoari

Najveći prirodni izvor dušika je atmosfera u kojoj se 78% ovog elementa nalazi u plinovitom obliku (N₂), s nekim tragovima dušikovog oksida i dušikovog monoksida.

Sedimentne stijene sadrže otprilike 21% koje se oslobađaju vrlo sporo. Preostalih 1% sadrži organska tvar i oceane u obliku organskog dušika, nitrata i amonijaka.

-Sudjelujući mikroorganizmi

Postoje tri vrste mikroorganizama koji sudjeluju u ciklusu dušika. To su fikseri, nitrifici i denitrifiri.

Bakterije koje fiksiraju N₂

Oni kodiraju za kompleks enzima dušikoze koji su uključeni u proces fiksacije. Većina tih mikroorganizama kolonizira rizosferu biljaka i razvija se unutar njihovih tkiva.

Najčešći tip bakterija za fiksiranje je Rhizobium, koja je povezana s korijenjem mahunarki. Postoje i drugi žanrovi Frankia, Nostoc i Pasasponia koji čine simbiozu s korijenima drugih skupina biljaka.

Cijanobakterije u slobodnom obliku mogu fiksirati atmosferski dušik u vodenim sredinama

Nitrificirajuće bakterije

Postoje tri vrste mikroorganizama koji su uključeni u proces nitrifikacije. Ove bakterije su sposobne oksidirati amonijak ili amonijev ion prisutan u tlu. To su kemolitotrofni organizmi (sposobni za oksidaciju anorganskih materijala kao izvora energije).

Bakterije različitih rodova interveniraju sekvencijalno u procesu. Nitrosoma i Nitrocystis oksidiraju NH3 i NH4 u nitrite. tada Nitrobacter i Nitrosococcus oksidiraju ovaj spoj na nitrate.

U 2015. godini otkrivena je još jedna skupina bakterija uključenih u ovaj proces. Oni su sposobni izravno oksidirati amonijak do nitrata i nalaze se u rodu Nitrospira. Neke su gljive također sposobne za nitrifikaciju amonijaka.

Denitrificirajuće bakterije

Istaknuto je da više od 50 različitih rodova bakterija može reducirati nitrate u N₂. To se događa u anaerobnim uvjetima (odsustvo kisika).

Najčešći su denitrifying rodovi Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus i Thiosphaera. Većina tih skupina je heterotrofna.

2006. godine otkrivena je bakterija (Methylomirabilis oxyfera) koja je aerobna. Metanotrofna je (dobiva energiju ugljika i metana) i može dobiti kisik iz procesa denitrifikacije..

faze

Ciklus dušika prolazi kroz nekoliko faza svoje mobilizacije diljem planeta. Ove faze su:

popravljanje

To je pretvaranje atmosferskog dušika u oblike koji se smatraju reaktivnima (koje mogu koristiti živa bića). Razbijanje tri veze koje sadrže molekulu N₂ To zahtijeva veliku količinu energije i može se pojaviti na dva načina: abiotički ili biotički.

Abiotička fiksacija

Nitrati se dobivaju visokom energetskom fiksacijom u atmosferi. Ona dolazi iz električne energije munje i kozmičkog zračenja.

N₂ on se kombinira s kisikom da bi nastao oksidirani oblik dušika kao što je NO (dušikov dioksid) i NO₂ (dušikov oksid). Nakon toga, ovi spojevi na površinu Zemlje donose kiša kao dušična kiselina (HNO₃).

Fiksiranje visoke energije uključuje približno 10% nitrata prisutnih u ciklusu dušika.

Biotska fiksacija

Provodi se pomoću mikroorganizama u tlu. Općenito, te su bakterije povezane s korijenjem biljaka. Procjenjuje se da je godišnja biotska fiksacija dušika oko 200 milijuna tona godišnje.

Atmosferski dušik se pretvara u amonij. U prvoj fazi reakcije, N₂ se reducira u NH₃ (Amonijak). Na taj se način ugrađuje u aminokiseline.

U tom procesu, uključen je enzimski kompleks s različitim centrima za redukciju oksida. Ovaj kompleks dušikovog kompleksa sastoji se od reduktaze (daje elektrone) i dušikaze. Potonji koristi elektrone za smanjenje N₂ u NH₃. U procesu se troši velika količina ATP-a.

Kompleks dušikovog spoja je ireverzibilno inhibiran u prisutnosti visokih koncentracija O₂. U radikalnim čvorištima prisutan je protein (leghemoglobin) koji održava sadržaj O vrlo nizak₂. Ovaj protein nastaje interakcijom između korijena i bakterija.

asimilacija

Biljke koje nemaju simbiotsku povezanost s bakterijama koje fiksiraju N₂, uzimaju dušik iz tla. Apsorpcija ovog elementa vrši se u obliku nitrata kroz korijen.

Kada nitrati uđu u biljku, dio korijena koriste stanice korijena. Drugi dio distribuira ksilem cijeloj biljci.

Kada se koristi, nitrat se u citoplazmi reducira u nitrit. Ovaj proces katalizira enzim nitrat reduktaza. Nitriti se transportiraju u kloroplaste i druge plastide, gdje se reduciraju na amonijev ion (NH₄).

Amonijev ion u velikim količinama je otrovan za biljku. Tako je brzo ugrađen u karbonatne kosture da bi se formirale aminokiseline i druge molekule.

U slučaju potrošača, dušik se dobiva hranjenjem izravno iz biljaka ili drugih životinja.

amonificación

U tom procesu dušični spojevi prisutni u tlu degradiraju se na jednostavnije kemijske oblike. Dušik se nalazi u mrtvoj organskoj tvari i otpadu kao što je urea (mokraća iz sisavaca) ili mokraćna kiselina (izlučevine od ptica).

Dušik sadržan u tim tvarima je u obliku složenih organskih spojeva. Mikroorganizmi koriste aminokiseline sadržane u tim tvarima za proizvodnju svojih proteina. U tom procesu oslobađaju višak dušika u obliku amonijaka ili amonijevog iona.

Ovi spojevi su dostupni u tlu kako bi drugi mikroorganizmi djelovali u sljedećim fazama ciklusa.

nitrovanje

Tijekom ove faze bakterijske bakterije oksidiraju amonijak i amonijev ion. U procesu se oslobađa energija koju bakterije koriste u metabolizmu.

U prvom dijelu, nitrozirajuće bakterije iz roda Nitrosomas oksidiraju amonijak i amonijev ion u nitrit. U membrani tih mikroorganizama nalazi se enzim amonijak mooxigenasa. To oksidira NH₃ na hidroksilamin, koji se zatim oksidira u nitrit u periplazmi bakterije.

Nakon toga, nitrirajuće bakterije oksidiraju nitrite do nitrata upotrebom enzima nitrit oksidoreduktaze. Nitrati su dostupni u tlu, gdje ih biljke mogu apsorbirati.

denitrifikacije

U ovoj fazi se oksidirani oblici dušika (nitriti i nitrati) pretvaraju natrag u N₂ i u manjoj mjeri dušikov oksid.

Proces se provodi anaerobnim bakterijama koje koriste dušikove spojeve kao akceptore elektrona tijekom disanja. Brzina denitrifikacije ovisi o nekoliko čimbenika, kao što su raspoloživa zasićenost nitratima i tlu i temperatura.

Kada je tlo zasićeno vodom, O₂ nije lako dostupan i bakterije koriste NO₃ kao akceptor elektrona. Kada su temperature vrlo niske, mikroorganizmi ne mogu provesti proces.

Ova faza je jedini način na koji se dušik uklanja iz ekosustava. Na taj način, N₂ koji je fiksiran i vraća se u atmosferu, te se održava ravnoteža ovog elementa.

važnost

Ovaj ciklus ima veliku biološku važnost. Kao što smo ranije objasnili, dušik je važan dio živih organizama. Kroz ovaj proces postaje biološki upotrebljiv.

U razvoju usjeva dostupnost dušika je jedno od glavnih ograničenja produktivnosti. Od početka poljoprivrede tlo je obogaćeno ovim elementom.

Uzgoj leguminoza za poboljšanje kvalitete tla je uobičajena praksa. Isto tako, sadnja riže u poplavljenom tlu potiče uvjete okoliša potrebne za korištenje dušika.

Tijekom 19. stoljeća, guano (ptičje izlučevine) naširoko je korišten kao vanjski izvor dušika u usjevima. Međutim, do kraja ovog stoljeća nije bilo dovoljno za povećanje proizvodnje hrane.

Njemački kemičar Fritz Haber krajem 19. stoljeća razvio je proces koji je kasnije prodao Carlo Bosch. To uključuje da N reagira₂ i plinoviti vodik da se dobije amonijak. Poznat je kao Haber-Bosch proces.

Ovaj oblik umjetnog amonijaka jedan je od glavnih izvora dušika koji se može koristiti od živih bića. Smatra se da 40% svjetske populacije ovisi o ovim gnojivima za svoju hranu.

Izmjene ciklusa dušika

Trenutna proizvodnja antropogenog amonijaka iznosi oko 85 tona godišnje. To donosi negativne posljedice u ciklusu dušika.

Zbog visoke uporabe kemijskih gnojiva dolazi do onečišćenja tla i vodonosnika. Smatra se da je više od 50% ove kontaminacije posljedica Haber-Boscheve sinteze.

Višak dušika dovodi do eutrofikacije (obogaćivanja hranjivim tvarima) vodnih tijela. Antropogena eutrifikacija je vrlo brza i uzrokuje ubrzani rast uglavnom algi.

One konzumiraju velike količine kisika i mogu akumulirati toksine. Zbog nedostatka kisika, drugi organizmi prisutni u ekosustavu na kraju umiru.

Osim toga, upotreba fosilnih goriva oslobađa velike količine dušičnog oksida u atmosferu. On reagira s ozonom i tvori dušičnu kiselinu, koja je jedna od komponenti kiselih kiša.

reference

1. Cerón L i A Aristizábal (2012) Dinamika ciklusa dušika i fosfora u tlima. Rev. Colomb. Biotehnologiji. 14: 285-295.
2. Estupiñan R i B Quesada (2010) Haber-Bosch proces u agroindustrijskom društvu: opasnosti i alternative. Agroalimentarni sustav: komodifikacija, borbe i otpor. ILSA Editorial. Bogota, Kolumbija 75-95
3. Galloway JN (2003) Globalni ciklus dušika. U: Schelesinger W (ur.) Tretura o geokemiji. Elsevier, SAD. 557-583.
4. Galloway JN (2005) Globalni ciklus dušika: prošlost, sadašnjost i budućnost. Znanost u Kini Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Kaskada dušika uzrokovana ljudskim aktivnostima. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L i M Klotz (2016) Ciklus dušika. Current Biology 26: 83-101.