SLĀPEKĻA CIKLS: RAKSTURLIELUMI, REZERVUĀRI UN POSMI - VIDE - 2025

Slāpeklis cikls ir process, kurā slāpekļa kustību starp atmosfēru un biosfēru. Tas ir viens no visatbilstošākajiem bioģeoķīmiskajiem cikliem. Slāpeklis (N) ir ļoti svarīgs elements, jo to augšanai nepieciešami visi organismi. Tā ir daļa no nukleīnskābju (DNS un RNS) un olbaltumvielu ķīmiskā sastāva.

Vislielākais slāpekļa daudzums uz planētas atrodas atmosfērā. Atmosfēras slāpekli (N ₂ ) nevar tieši izmantot lielākajā daļā dzīvo lietu. Ir baktērijas, kas to spēj nostiprināt un iestrādāt augsnē vai ūdenī tādā veidā, ko var izmantot citi organismi.

Ūdens tilpne, kas eitrofizēta, bagātinoties ar slāpekli un fosforu, Lillē (Francijas ziemeļos). Autors: F. lamiot (paša darbs), no Wikimedia Commons

Pēc tam slāpekli asimilē autotrofiski organismi. Lielākā daļa heterotrofisko organismu to iegūst ar pārtiku. Tad tie atbrīvo lieko daudzumu urīna (zīdītāji) vai ekskrementu (putni) veidā.

Citā procesa fāzē ir baktērijas, kas piedalās amonjaka pārvēršanā nitrītos un nitrātos, kas iestrādāti augsnē. Un cikla beigās cita mikroorganismu grupa elpošanā izmanto slāpekļa savienojumos pieejamo skābekli. Šajā procesā viņi atmosfērā izdala slāpekli.

Pašlaik lielāko lauksaimniecībā izmantotā slāpekļa daudzumu saražo cilvēki. Tā rezultātā šī elementa pārpalikums augsnēs un ūdens avotos ir izraisījis nelīdzsvarotību šajā bioģeoķīmiskajā ciklā.

Vispārīgais raksturojums

Izcelsme

Tiek uzskatīts, ka slāpekļa izcelsme ir nukleosintēze (jaunu atomu kodolu radīšana). Zvaigznes ar lielām hēlija masām sasniedza spiedienu un temperatūru, kas nepieciešama slāpekļa veidošanai.

Kad Zeme radās, slāpeklis bija cietā stāvoklī. Vēlāk, veicot vulkānisko aktivitāti, šis elements kļuva gāzveida stāvoklī un tika iekļauts planētas atmosfērā.

Slāpeklis bija N ₂ formā . Droši vien dzīvo būtņu izmantotās ķīmiskās formas (NH ₃ amonjaks ) parādījās slāpekļa ciklos starp jūru un vulkāniem. Tādā veidā NH ₃ būtu iekļauts atmosfērā un kopā ar citiem elementiem radītu organiskas molekulas.

Ķīmiskās formas

Slāpeklis notiek dažādās ķīmiskās formās, atsaucoties uz šī elementa dažādiem oksidācijas stāvokļiem (elektronu zudumu). Šīs dažādās formas atšķiras gan pēc īpašībām, gan pēc izturēšanās. Slāpekļa gāze (N ₂ ) netiek oksidēta.

Oksidētās formas klasificē organiskajās un neorganiskajās. Organiskās formas galvenokārt notiek aminoskābēs un olbaltumvielās. Neorganiskie stāvokļi, cita starpā, ir amonjaks (NH ₃ ), amonija jons (NH ₄ ), nitrīti (NO ₂ ) un nitrāti (NO ₃ ).

Vēsture

Slāpekli 1770. gadā trīs zinātnieki atrada patstāvīgi (Sēlija, Rutherforda un Lavosjē). 1790. gadā Francijas kapela gāzi nosauca par slāpekli.

19. gadsimta otrajā pusē tika atzīts, ka tā ir būtiska dzīvo organismu audu un augu augšanas sastāvdaļa. Tāpat tika pierādīta pastāvīga plūsma starp organiskām un neorganiskām formām.

Slāpekļa avoti sākotnēji tika uzskatīti par zibens un atmosfēras nogulsnēšanos. 1838. gadā Boussingault noteica šī elementa bioloģisko fiksāciju pākšaugos. Tad 1888. gadā tika atklāts, ka mikroorganismi, kas saistīti ar pākšaugu saknēm, ir atbildīgi par N ₂ fiksāciju .

Vēl viens svarīgs atklājums bija baktēriju esamība, kuras spēja oksidēt amonjaku par nitrītiem. Kā arī citas grupas, kas pārveidoja nitrītus par nitrātiem.

Jau 1885. gadā Gajons noteica, ka citai mikroorganismu grupai ir iespēja pārveidot nitrātus N ₂ . Tādā veidā, lai varētu saprast slāpekļa ciklu uz planētas.

Aģentūras prasība

Visām dzīvajām būtnēm dzīvībai svarīgiem procesiem ir vajadzīgs slāpeklis, bet ne visi to izmanto vienādi. Dažas baktērijas spēj tieši izmantot atmosfēras slāpekli. Citi kā skābekļa avotu izmanto slāpekļa savienojumus.

Autotrofiskajiem organismiem ir nepieciešama piegāde nitrātu veidā. No savas puses daudzi heterotrofi to var izmantot tikai aminogrupu veidā, ko viņi iegūst no pārtikas.

Komponenti

-Rezervē

Lielākais dabiskais slāpekļa avots ir atmosfēra, kurā 78% šī elementa ir gāzveida formā (N ₂ ) ar nelielām slāpekļa oksīda un slāpekļa monoksīda pēdām.

Nogulšņu ieži satur apmēram 21%, kas izdalās ļoti lēni. Atlikušos 1% satur organiskās vielas un okeāni organiskā slāpekļa, nitrātu un amonjaka formā.

- mikroorganismu piedalīšanās

Ir trīs veidu mikroorganismi, kas piedalās slāpekļa ciklā. Tie ir fiksatori, slāpētāji un denitifikatori.

N-fiksējošās baktērijas

Tie kodē nitroāzes enzīmu kompleksu, kas ir iesaistīti fiksācijas procesā. Lielākā daļa no šiem mikroorganismiem kolonizē augu rizosfēru un attīstās to audos.

Visizplatītākā fiksējošo baktēriju ģints ir Rhizobium, kas ir saistīts ar pākšaugu saknēm. Ir arī citas ģintis, piemēram, Frankia, Nostoc un Pasasponia, kas veido simbiozi ar citu augu grupu saknēm.

Cianobaktērijas brīvā formā var noteikt atmosfēras slāpekli ūdens vidē

Nitrificējošās baktērijas

Nitrifikācijas procesā tiek iesaistīti trīs veidu mikroorganismi. Šīs baktērijas spēj oksidēt amonjaku vai augsnē esošo amonija jonu. Tie ir kemolitrofiski organismi (kā enerģijas avots spēj oksidēt neorganiskas vielas).

Dažādu ģinšu baktērijas šajā procesā iejaucas. Nitrosoma un nitrocistīts oksidē NH3 un NH4 līdz nitrītiem. Tad nitrobacter un nitrosococcus oksidē šo savienojumu līdz nitrātiem.

2015. gadā tika atklāta vēl viena baktēriju grupa, kas iejaucas šajā procesā. Tie spēj tieši oksidēt amonjaku par nitrātiem un atrodas Nitrospira ģintī. Dažas sēnes arī spēj nitrificēt amonjaku.

Denitrificējošās baktērijas

Ir ierosināts, ka vairāk nekā 50 dažādu baktēriju ģinšu nitrāti var samazināties līdz N ₂ . Tas notiek anaerobos apstākļos (bez skābekļa).

Visizplatītākās denitrificējošās ģints ir Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus un Thiosphaera. Lielākā daļa šo grupu ir heterotrofi.

2006. gadā tika atklāta aeroba baktērija (Methylomirabilisxyfera). Tas ir metanotrofs (no metāna tas iegūst oglekli un enerģiju) un spēj denitrifikācijas procesā iegūt skābekli.

Posmi

Slāpekļa cikls dažādos mobilizācijas posmos visā planētā iziet cauri dažādiem posmiem. Šīs fāzes ir:

Fiksācija

Tas ir atmosfēras slāpekļa pārvēršana formās, kuras uzskata par reaktīvām (kuras var izmantot dzīvās būtnes). Triju N ₂ molekulā esošo saišu pārrāvums prasa lielu enerģijas daudzumu, un tas var notikt divējādi: abiotiski vai biotiski.

Slāpekļa cikls. Pārstrādājis YanLebrel no attēla no Vides aizsardzības aģentūras: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, izmantojot Wikimedia Commons

Abiotiskā fiksācija

Nitrāti tiek iegūti ar augstas enerģijas fiksāciju atmosfērā. Tas nāk no zibens un kosmiskā starojuma elektriskās enerģijas.

N ₂ apvienojas ar skābekli, veidojot oksidētas slāpekļa formas, piemēram, NO (slāpekļa dioksīds) un NO ₂ (slāpekļa oksīds). Vēlāk šie savienojumi slāpekļskābes (HNO ₃ ) veidā uz zemes virsmu nokļūst zemes virsmā .

Fiksācija ar lielu enerģiju satur apmēram 10% no slāpekļa ciklā esošajiem nitrātiem.

Biotiskā fiksācija

To veic mikroorganismi augsnē. Šīs baktērijas parasti ir saistītas ar augu saknēm. Tiek lēsts, ka gadā biotiskā slāpekļa fiksācija ir aptuveni 200 miljoni tonnu.

Atmosfēras slāpeklis tiek pārveidots par amonjaku. Pirmajā posmā no reakcijas, N ₂ tiek samazināts līdz NH ₃ (amonjaka). Šajā formā tas tiek iekļauts aminoskābēs.

Šajā procesā tiek iesaistīts fermentatīvs komplekss ar dažādiem oksidācijas-reducēšanās centriem. Šis nitroāzes komplekss sastāv no reduktāzes (nodrošina elektronus) un nitrogāzes. Pēdējais izmanto elektronus, lai samazinātu N ₂ līdz NH ₃ . Procesa laikā tiek patērēts liels daudzums ATP.

Nitrogenāzes komplekss tiek neatgriezeniski kavēts, ja ir augstas O ₂ koncentrācijas . Radikālos mezgliņos ir olbaltumviela (leghemoglobīns), kas uztur O ₂ saturu ļoti zemu . Šo olbaltumvielu ražo mijiedarbība starp saknēm un baktērijām.

Asimilācija

Augi, kuriem nav simbiotisku saistība ar N _2- nosaka baktērijas veikt slāpekli no augsnes. Šī elementa absorbcija tiek veikta nitrātu veidā caur saknēm.

Kad nitrāti nonāk augā, daļu no tā izmanto sakņu šūnas. Citu daļu ksilēma izplata visam augam.

Kad to paredzēts lietot, citoplazmā nitrāti tiek samazināti līdz nitrītiem. Šo procesu katalizē enzīma nitrātu reduktāze. Nitrīti tiek transportēti uz hloroplastiem un citiem plastidiem, kur tos reducē līdz amonija jonam (NH ₄ ).

Amonija jons lielos daudzumos ir toksisks augam. Tātad tas tiek ātri iekļauts karbonātu skeletos, veidojot aminoskābes un citas molekulas.

Patērētāju gadījumā slāpekli iegūst, barojot tieši no augiem vai citiem dzīvniekiem.

Amonifikācija

Šajā procesā augsnē esošie slāpekļa savienojumi tiek sadalīti līdz vienkāršākām ķīmiskām formām. Slāpeklis atrodas atmirušajās organiskajās vielās un tādos atkritumos kā urīnviela (zīdītāju urīns) vai urīnskābe (putnu ekskrementi).

Šajās vielās esošais slāpeklis ir sarežģītu organisku savienojumu formā. Mikroorganismi, lai ražotu olbaltumvielas, izmanto šajās vielās esošās aminoskābes. Šajā procesā tie atbrīvo lieko slāpekli amonjaka vai amonija jonu veidā.

Šie savienojumi ir pieejami augsnē, lai citi mikroorganismi darbotos šādās cikla fāzēs.

Nitrifikācija

Šajā fāzē augsnes baktērijas oksidē amonjaku un amonija jonu. Procesa laikā tiek atbrīvota enerģija, kuru baktērijas izmanto vielmaiņā.

Pirmajā daļā nitrozomas ģints nitrosificējošās baktērijas oksidē amonjaku un amonija jonu nitrītos. Fermentu amonjaka mooksigenāze ir atrodama šo mikroorganismu membrānās. Tas oksidē NH ₃ līdz hidroksilamīnam, kas pēc tam baktēriju periplasmā tiek oksidēts par nitrītu.

Pēc tam nitrējošās baktērijas oksidē nitrītus par nitrātiem, izmantojot fermentu nitrītu oksidoreduktāzi. Nitrāti paliek pieejami augsnē, kur augi tos var absorbēt.

Denitrifikācija

Šajā posmā oksidētās slāpekļa formas (nitrīti un nitrāti) tiek pārveidotas atpakaļ par N ₂ un mazākā mērā par slāpekļa oksīdu.

Procesu veic anaerobās baktērijas, kuras elpošanas laikā kā elektronu akceptorus izmanto slāpekļa savienojumus. Denitrifikācijas ātrums ir atkarīgs no vairākiem faktoriem, piemēram, no pieejamajiem nitrātiem un augsnes piesātinājuma un temperatūras.

Kad augsne ir piesātināta ar ūdeni, O _{2 vairs} nav viegli pieejams, un baktērijas izmanto NO ₃ kā elektronu akceptoru. Kad temperatūra ir ļoti zema, mikroorganismi nevar veikt procesu.

Šī fāze ir vienīgais veids, kā slāpeklis tiek noņemts no ekosistēmas. Tādā veidā fiksētais N ₂ atgriežas atmosfērā un tiek uzturēts šī elementa līdzsvars.

Svarīgums

Šim ciklam ir liela bioloģiskā nozīme. Kā mēs paskaidrojām iepriekš, slāpeklis ir svarīga dzīvo organismu sastāvdaļa. Šajā procesā tas kļūst bioloģiski izmantojams.

Kultūru attīstībā slāpekļa pieejamība ir viens no galvenajiem produktivitātes ierobežojumiem. Kopš lauksaimniecības sākuma augsne ir bagātināta ar šo elementu.

Pākšaugu audzēšana augsnes kvalitātes uzlabošanai ir izplatīta prakse. Tāpat rīsu sēšana appludinātās augsnēs veicina vides apstākļus, kas nepieciešami slāpekļa izmantošanai.

19. gadsimtā guano (putnu ekskrementi) plaši tika izmantots kā ārējs slāpekļa avots kultūrās. Tomēr līdz šā gadsimta beigām tas nebija pietiekami, lai palielinātu pārtikas ražošanu.

Vācu ķīmiķis Fritz Haber 19. gadsimta beigās izstrādāja procesu, kuru vēlāk komercializēja Carlo Bosch. Tas sastāv no reakcijai N ₂ un ūdeņraža gāzi, lai veidotu amonjaku. Tas ir pazīstams kā Haber-Bosch process.

Šis amonjaka mākslīgās ražošanas veids ir viens no galvenajiem slāpekļa avotiem, ko var izmantot dzīvās būtnes. Tiek uzskatīts, ka 40% pasaules iedzīvotāju ir atkarīgi no šiem mēslošanas līdzekļiem pārtikai.

Slāpekļa cikla traucējumi

Pašreizējā antropiskā amonjaka produkcija ir aptuveni 85 tonnas gadā. Tas negatīvi ietekmē slāpekļa ciklu.

Sakarā ar intensīvu ķīmisko mēslojumu izmantošanu ir piesārņotas augsnes un ūdens nesējslāņi. Tiek uzskatīts, ka vairāk nekā 50% no šī piesārņojuma ir Haber-Bosch sintēzes sekas.

Slāpekļa pārpalikumi noved pie ūdenstilpņu eitrifikācijas (bagātināšanas ar barības vielām). Antropiskā euutrifikācija notiek ļoti ātri un izraisa paātrinātu galvenokārt aļģu augšanu.

Viņi patērē daudz skābekļa un var uzkrāties toksīnus. Skābekļa trūkuma dēļ citi ekosistēmā esošie organismi mirst.

Turklāt fosilā kurināmā izmantošana atmosfērā izdala lielu daudzumu slāpekļa oksīda. Tas reaģē ar ozonu un veido slāpekļskābi, kas ir viena no skābā lietus sastāvdaļām.

Atsauces

1. Cerón L un A Aristizábal (2012) Slāpekļa un fosfora cikla dinamika augsnēs. Kolb. Biotetools. 14: 285-295.
2. Estupiñan R un B Quesada (2010) Haber-Bosch process agroindustriālajā sabiedrībā: briesmas un alternatīvas. Lauksaimniecības pārtikas produktu sistēma: pārveidošana, cīņas un pretestība. ILSA redakcija. Bogota Kolumbija. 75-95
3. Galloway JN (2003) Globālais slāpekļa cikls. In: Schelesinger W (ed.) Traktāts par ģeoķīmiju. Elsevier, ASV. 557-583 lpp.
4. Galloway JN (2005) Globālais slāpekļa cikls: pagātne, tagadne un nākotne. Zinātne Ķīnā, Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Slāpekļa kaskāde, ko izraisa cilvēku darbības. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L un M Klotz (2016) Slāpekļa cikls. Pašreizējā bioloģija 26: 83-101.