AZOT DÖNGÜSÜ: ÖZELLIKLERI, REZERVUARLARI VE AŞAMALARI - ÇEVRE - 2025

Nitrojen çemberi atmosferi biyosferdeki arasındaki nitrojen hareket işlemidir. En alakalı biyojeokimyasal döngülerden biridir. Azot (N), tüm organizmalar tarafından büyümeleri için gerekli olduğu için büyük önem taşıyan bir elementtir. Nükleik asitlerin (DNA ve RNA) ve proteinlerin kimyasal bileşiminin bir parçasıdır.

Gezegendeki en büyük nitrojen miktarı atmosferdedir. Atmosferik nitrojen (N ₂ ) çoğu canlı tarafından doğrudan kullanılamaz. Onu sabitleyebilen ve diğer organizmalar tarafından kullanılabilecek şekillerde toprağa veya suya dahil edebilen bakteriler vardır.

Lille'de (Kuzey Fransa) nitrojen ve fosforla zenginleştirilerek ötrofikasyona uğratılmış su kütlesi. Yazar: F. lamiot (kendi çalışması), Wikimedia Commons'tan

Daha sonra azot, ototrofik organizmalar tarafından asimile edilir. Çoğu heterotrofik organizma bunu gıda yoluyla alır. Daha sonra fazlalığı idrar (memeliler) veya dışkı (kuşlar) şeklinde serbest bırakırlar.

İşlemin başka bir aşamasında, amonyağın toprağa katılan nitritlere ve nitratlara dönüşümüne katılan bakteriler vardır. Ve döngünün sonunda, başka bir mikroorganizma grubu, solunumda azotlu bileşiklerde bulunan oksijeni kullanır. Bu süreçte nitrojeni atmosfere geri salarlar.

Şu anda, tarımda kullanılan en büyük nitrojen miktarı insanlar tarafından üretilmektedir. Bu, toprakta ve su kaynaklarında bu elementin fazlalığına yol açarak bu biyojeokimyasal döngüde bir dengesizliğe neden oldu.

Genel özellikleri

Menşei

Nitrojenin nükleosentezden (yeni atom çekirdeğinin yaratılması) kaynaklandığı düşünülmektedir. Büyük helyum kütlelerine sahip yıldızlar, nitrojenin oluşması için gereken basınca ve sıcaklığa ulaştı.

Dünya ortaya çıktığında nitrojen katı haldeydi. Daha sonra, volkanik aktiviteyle bu element gaz halini aldı ve gezegenin atmosferine dahil edildi.

Azot, N formunda olduğu ₂ . Muhtemelen canlı varlıklar tarafından kullanılan kimyasal formları (NH ₃ amonyak ), deniz ve volkan arasındaki nitrojen döngü ortaya çıktı. Bu şekilde, NH ₃ atmosfere dahil edildi ve birlikte diğer elemanları ile organik moleküllere yol açan olurdu.

Kimyasal formlar

Nitrojen, bu elementin farklı oksidasyon durumlarına (elektron kaybı) atıfta bulunarak çeşitli kimyasal formlarda oluşur. Bu farklı biçimler hem özelliklerine hem de davranışlarına göre değişir. Azot gazı (N ₂ ) oksitlenmez.

Oksitlenmiş formlar organik ve inorganik olarak sınıflandırılır. Organik formlar esas olarak amino asitlerde ve proteinlerde oluşur. İnorganik durumlar diğerleri arasında amonyak (NH ₃ ), amonyum iyonu (NH ₄ ), nitritler (NO ₂ ) ve nitratlardır (NO ₃ ).

Tarih

Azot, 1770 yılında üç bilim adamı tarafından bağımsız olarak keşfedildi (Scheele, Rutherford ve Lavosier). 1790'da Fransız Chaptal gazı nitrojen olarak adlandırdı.

19. yüzyılın ikinci yarısında, canlı organizmaların dokularının ve bitkilerin büyümesinde önemli bir bileşen olduğu bulundu. Aynı şekilde, organik ve inorganik formlar arasında sürekli bir akışın varlığı kanıtlandı.

Azot kaynaklarının başlangıçta yıldırım ve atmosferik birikim olduğu düşünülüyordu. 1838'de Boussingault, bu elementin baklagillerdeki biyolojik fiksasyonunu belirledi. Daha sonra, 1888 yılında, baklagiller kökleri ile bağlantılı mikroorganizmalar N fiksasyonu sorumlu olduğu keşfedildi ₂ .

Bir başka önemli keşif, amonyağı nitritlere oksitleyebilen bakterilerin varlığıydı. Nitritleri nitratlara dönüştüren diğer grupların yanı sıra.

1885 gibi erken bir zamanda Gayon, başka bir mikroorganizma grubunun nitratları N _2'ye dönüştürme yeteneğine sahip olduğunu belirledi . Öyle ki gezegendeki nitrojen döngüsü anlaşılabildi.

Ajans gereksinimi

Tüm canlılar, yaşamsal süreçleri için nitrojene ihtiyaç duyar, ancak hepsi onu aynı şekilde kullanmaz. Bazı bakteriler, atmosferik nitrojeni doğrudan kullanabilirler. Diğerleri, oksijen kaynağı olarak nitrojen bileşiklerini kullanır.

Ototrofik organizmalar, nitrat şeklinde bir tedarik gerektirir. Pek çok heterotrof, bunu yalnızca yiyeceklerinden elde ettikleri amino grupları biçiminde kullanabilir.

Bileşenler

-Reserves

En büyük doğal nitrojen kaynağı, bu elementin% 78'inin gaz formunda (N ₂ ) bulunduğu ve bazı eser miktarda azot oksit ve nitrojen monoksit içeren atmosferdir.

Tortul kayaçlar, çok yavaş salınan yaklaşık% 21 oranında içerir. Kalan% 1 organik madde ve okyanuslarda organik nitrojen, nitratlar ve amonyak şeklinde bulunur.

-Katılımcı mikroorganizmalar

Azot döngüsüne katılan üç tür mikroorganizma vardır. Bunlar fiksatifler, nitritleyiciler ve denitrifikatörlerdir.

N-sabitleyici bakteri

Fiksasyon sürecine dahil olan bir nitrojenaz enzimleri kompleksini kodlarlar. Bu mikroorganizmaların çoğu, bitkilerin rizosferini kolonileştirir ve dokuları içinde gelişir.

En yaygın sabitleyici bakteri türü, baklagillerin kökleriyle ilişkili olan Rhizobium'dur. Frankia, Nostoc ve Pasasponia gibi diğer bitki gruplarının kökleriyle simbiyoz yapan başka cinsler de vardır.

Serbest formdaki siyanobakteriler, su ortamlarında atmosferik nitrojeni sabitleyebilir

Nitrifikasyon bakterileri

Nitrifikasyon sürecine dahil olan üç tür mikroorganizma vardır. Bu bakteriler toprakta bulunan amonyağı veya amonyum iyonunu oksitleyebilir. Kemolittrofik organizmalardır (inorganik malzemeleri bir enerji kaynağı olarak oksitleyebilen).

Çeşitli cinslerin bakterileri sürece sırayla müdahale eder. Nitrosoma ve Nitrocystis, NH3 ve NH4'ü nitritlere oksitler. Nitrobacter ve Nitrosococcus daha sonra bu bileşiği nitratlara oksitler.

2015 yılında bu sürece müdahale eden başka bir bakteri grubu keşfedildi. Amonyağı doğrudan nitratlara oksitleyebilirler ve Nitrospira cinsinde bulunurlar. Bazı mantarlar ayrıca amonyağı nitrifiye edebilir.

Azaltıcı bakteriler

Bakterilerin fazla 50 farklı cinsler N nitratları azaltabilir öne sürülmüştür ₂ . Bu, anaerobik koşullar altında (oksijen yokluğu) meydana gelir.

En yaygın denitrifiye edici cinsler Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus ve Thiosphaera'dır. Bu grupların çoğu heterotroflardır.

2006 yılında aerobik olan bir bakteri (Methylomirabilis oxyfera) keşfedildi. Metanotrofiktir (metandan karbon ve enerji elde eder) ve denitrifikasyon işleminden oksijen elde edebilir.

Aşamaları

Nitrojen döngüsü, gezegendeki mobilizasyonunda çeşitli aşamalardan geçer. Bu aşamalar:

tespit

Atmosferik nitrojenin reaktif olduğu düşünülen formlara dönüştürülmesidir (canlılar tarafından kullanılabilir). N ₂ molekülünde bulunan üç bağın kopması büyük miktarda enerji gerektirir ve iki şekilde gerçekleşebilir: abiyotik veya biyotik.

Azot döngüsü. Çevre Koruma Ajansı'ndan bir görüntüden YanLebrel tarafından yeniden yapılmıştır: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, Wikimedia Commons aracılığıyla

Abiyotik saplantı

Nitratlar, atmosferde yüksek enerjili fiksasyonla elde edilir. Yıldırım ve kozmik radyasyonun elektrik enerjisinden gelir.

N- ₂ , NO, (nitrojen dioksit) ve NO bir azot oksitlenmiş oluşturmak üzere oksijen ile birleşerek ₂ (azotlu oksit). Daha sonra bu bileşikler nitrik asit (HNO ₃ ) olarak yağmurla yeryüzüne taşınır .

Yüksek enerjili fiksasyon, nitrojen döngüsünde bulunan nitratların yaklaşık% 10'unu içerir.

Biyotik fiksasyon

Topraktaki mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu bakteriler genellikle bitkilerin kökleriyle ilişkilidir. Yıllık biyotik nitrojen fiksasyonunun yılda yaklaşık 200 milyon ton olduğu tahmin edilmektedir.

Atmosferik nitrojen, amonyağa dönüştürülür. Reaksiyonun birinci aşaması olarak, N ₂ NH indirgenir ₃ (amonyak). Bu formda amino asitlere dahil edilir.

Bu süreçte, çeşitli oksidasyon-indirgeme merkezlerine sahip bir enzimatik kompleks yer alır. Bu nitrojenaz kompleksi, bir redüktaz (elektron sağlar) ve bir nitrojenazdan oluşur. İkinci kullanım elektronlar N azaltmak için ₂ nh ₃ . İşlemde büyük miktarda ATP tüketilir.

Nitrojenaz kompleksi, yüksek O ₂ konsantrasyonlarının varlığında geri döndürülemez şekilde inhibe edilir . Radikal nodüllerde, O ₂ içeriğini çok düşük tutan bir protein (leghemoglobin) mevcuttur . Bu protein, kökler ve bakteriler arasındaki etkileşimle üretilir.

asimilasyon

N simbiyotik bir ilişki yoktur bitkiler _2- sabitleme bakteri topraktan azot alır. Bu elementin emilimi, nitratlar şeklinde kökler vasıtasıyla gerçekleştirilir.

Nitratlar bitkiye girdiğinde, bir kısmı kök hücreler tarafından kullanılır. Diğer bir kısım ksilem tarafından tüm tesise dağıtılır.

Kullanılacağı zaman nitrat, sitoplazmada nitrite indirgenir. Bu proses, nitrat redüktaz enzimi tarafından katalize edilir. Nitritler, kloroplastlara ve diğer plastitlere taşınır ve burada amonyum iyonuna (NH ₄ ) indirgenirler .

Büyük miktarlardaki amonyum iyonu bitki için zehirlidir. Bu nedenle, amino asitleri ve diğer molekülleri oluşturmak için hızla karbonat iskeletlerine dahil edilir.

Tüketiciler söz konusu olduğunda, nitrojen doğrudan bitkilerden veya diğer hayvanlardan beslenerek elde edilir.

Amonyaklama

Bu süreçte, toprakta bulunan azotlu bileşikler daha basit kimyasal formlara parçalanır. Azot, ölü organik madde ve üre (memeli idrarı) veya ürik asit (kuş dışkısı) gibi atıklarda bulunur.

Bu maddelerde bulunan azot, karmaşık organik bileşikler şeklindedir. Mikroorganizmalar, proteinlerini üretmek için bu maddelerde bulunan amino asitleri kullanır. Bu süreçte fazla azotu amonyak veya amonyum iyonu şeklinde salgılarlar.

Bu bileşikler, diğer mikroorganizmaların döngünün aşağıdaki aşamalarında hareket etmesi için toprakta mevcuttur.

azotlanma

Bu aşamada, toprak bakterileri amonyak ve amonyum iyonunu okside eder. İşlemde bakteriler tarafından metabolizmalarında kullanılan enerji açığa çıkar.

Birinci bölümde, Nitrosomas cinsinin nitrozifleştirici bakterileri, amonyak ve amonyum iyonunu nitrite oksitler. Bu mikroorganizmaların zarında amonyak mooksijenaz enzimi bulunur. Bu NH okside ₃ daha sonra bakterilerin periplazmada nitrit oksidize edilir hidroksilamin için.

Daha sonra, nitratlayıcı bakteriler, nitrit oksidoredüktaz enzimini kullanarak nitritleri nitratlara oksitler. Nitratlar, bitkiler tarafından emilebilecekleri toprakta bulunur.

denitrifikasyon

Bu aşamada, nitrojen (nitrit ve nitrat) oksitlenmiş biçimler N dönüştürülmüş geri döndü ₂ ve azot oksit daha az bir ölçüde.

İşlem, solunum sırasında elektron alıcısı olarak nitrojenli bileşikleri kullanan anaerobik bakteriler tarafından gerçekleştirilir. Denitrifikasyon oranı, mevcut nitrat ve toprak doygunluğu ve sıcaklığı gibi birkaç faktöre bağlıdır.

Toprak suya doyduğunda, O ₂ artık kolayca bulunmaz ve bakteriler NO _3'ü elektron alıcısı olarak kullanır. Sıcaklıklar çok düşük olduğunda mikroorganizmalar işlemi gerçekleştiremez.

Bu aşama, bir ekosistemden azotun çıkarılmasının tek yoludur. Bu şekilde sabitlenen N ₂ atmosfere geri döner ve bu elementin dengesi korunur.

Önem

Bu döngünün biyolojik önemi büyüktür. Daha önce açıkladığımız gibi azot, canlı organizmaların önemli bir parçasıdır. Bu süreç sayesinde biyolojik olarak kullanılabilir hale gelir.

Mahsullerin geliştirilmesinde, nitrojen mevcudiyeti, üretkenliğin ana sınırlamalarından biridir. Tarımın başlangıcından bu yana toprak bu elementle zenginleştirilmiştir.

Toprak kalitesini iyileştirmek için baklagillerin yetiştirilmesi yaygın bir uygulamadır. Aynı şekilde, su basmış topraklara pirinç ekimi, nitrojen kullanımı için gerekli çevresel koşulları destekler.

19. yüzyılda guano (kuş dışkısı), mahsullerde harici bir nitrojen kaynağı olarak yaygın bir şekilde kullanıldı. Ancak bu yüzyılın sonunda gıda üretimini artırmak yetersiz kaldı.

19. yüzyılın sonlarında Alman kimyager Fritz Haber, daha sonra Carlo Bosch tarafından ticarileştirilen bir süreç geliştirdi. Bu N reaksiyona oluşur ₂ amonyak oluşturacak şekilde ve bir hidrojen gazı. Haber-Bosch süreci olarak bilinir.

Yapay olarak elde edilen bu amonyak biçimi, canlılar tarafından kullanılabilecek ana azot kaynaklarından biridir. Dünya nüfusunun% 40'ının gıda olarak bu gübrelere bağımlı olduğu düşünülmektedir.

Azot döngüsü bozuklukları

Mevcut antropik amonyak üretimi yılda yaklaşık 85 tondur. Bunun nitrojen döngüsü üzerinde olumsuz sonuçları vardır.

Kimyasal gübre kullanımının yüksek olması nedeniyle toprak ve akiferlerde kirlenme söz konusudur. Bu kontaminasyonun% 50'den fazlasının Haber-Bosch sentezinin bir sonucu olduğu düşünülmektedir.

Azot fazlalıkları, su kütlelerinin beslenmesine (besinlerle zenginleşme) yol açar. Antropik beslenme çok hızlıdır ve esas olarak alglerin büyümesini hızlandırır.

Çok fazla oksijen tüketirler ve toksin biriktirebilirler. Oksijen eksikliğinden dolayı, ekosistemde bulunan diğer organizmalar ölüyor.

Ek olarak, fosil yakıtların kullanımı atmosfere büyük miktarda azot oksit salmaktadır. Bu, ozonla reaksiyona girer ve asit yağmurunun bileşenlerinden biri olan nitrik asidi oluşturur.

Referanslar

1. Cerón L ve A Aristizábal (2012) Topraktaki azot ve fosfor döngüsünün dinamiği. Rev. Colomb. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R ve B Quesada (2010) tarımsal-endüstriyel toplumda Haber-Bosch süreci: tehlikeler ve alternatifler. Tarımsal Gıda Sistemi: metalaşma, mücadeleler ve direniş. Editör ILSA. Bogota Kolombiya. 75-95
3. Galloway JN (2003) Küresel nitrojen döngüsü. In: Schelesinger W (ed.) Jeokimya Üzerine İnceleme. Elsevier, ABD. s. 557-583.
4. Galloway JN (2005) Küresel nitrojen döngüsü: geçmiş, şimdiki zaman ve gelecek. Çin'de Bilim Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) İnsan faaliyetlerinin neden olduğu azot kaskadı. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L ve M Klotz (2016) Azot döngüsü. Güncel Biyoloji 26: 83-101.