Charakteristika dusíkového cyklu, zásobníky, stupně, význam

cyklu dusíku je to proces pohybu dusíku mezi atmosférou a biosférou. Je to jeden z nejvýznamnějších biogeochemických cyklů. Dusík (N) je prvkem velkého významu, protože je vyžadován všemi organismy pro jeho růst. Je součástí chemického složení nukleových kyselin (DNA a RNA) a proteinů.

Největší množství dusíku na planetě je v atmosféře. Atmosférický dusík (N₂) nelze použít přímo u většiny živých bytostí. Existují bakterie, které jsou schopny ji opravit a začlenit do půdy nebo vody způsobem, který může být používán jinými organismy.

Následně je dusík asimilován autotrofními organismy. Většina heterotrofních organismů ji získává krmením. Pak uvolňují excesy ve formě moči (savců) nebo exkrementů (ptáků).

V další fázi procesu se vyskytují bakterie, které se podílejí na přeměně amoniaku na dusitany a dusičnany, které jsou začleněny do půdy. Na konci cyklu využívá další skupina mikroorganismů v dýchání kyslík dostupný v dusíkatých sloučeninách. V tomto procesu uvolňují dusík zpět do atmosféry.

V současné době je největší množství dusíku používaného v zemědělství produkováno lidmi. To má za následek přebytek tohoto prvku v půdách a vodních zdrojích, což způsobuje nerovnováhu v tomto biogeochemickém cyklu.

Index

• 1 Obecné charakteristiky
  • 1.1 Původ
  • 1.2 Chemické formy 
  • 1.3 Historie
  • 1.4 Požadavky na organismy
• 2 Komponenty
  • 2.1-Nádrže
  • 2.2 - Zúčastněné mikroorganismy
• 3 Fáze
  • 3.1
  • 3.2 Asimilace
  • 3.3 Amonifikace
  • 3.4 Nitrifikace
  • 3.5 Denitrifikace
• 4 Význam
• 5 Změny cyklu dusíku
• 6 Odkazy

Obecné vlastnosti

Původ

Předpokládá se, že dusík vznikl nukleosyntézou (tvorba nových atomových jader). Hvězdy s velkými hmotami hélia dosáhly tlaku a teploty nezbytné pro tvorbu dusíku.

Když Země vznikla, dusík byl v pevném stavu. Pak se sopečná činnost dostala do plynného stavu a byla začleněna do atmosféry planety.

Dusík byl ve formě N₂. Pravděpodobně chemické formy používané živými bytostmi (amoniak NH₃) se objevily cykly dusíku mezi mořem a sopkami. Tímto způsobem, NH₃ byly začleněny do atmosféry a spolu s dalšími prvky vznikly organické molekuly.

Chemické formy

Dusík se vyskytuje v různých chemických formách, označených různými oxidačními stavy (ztráta elektronů) tohoto prvku. Tyto různé formy se liší jak v jejich vlastnostech, tak v jejich chování. Plynný dusík (N₂) není rezavý.

Oxidované formy jsou klasifikovány jako organické a anorganické. Organické formy jsou přítomny hlavně v aminokyselinách a proteinech. Anorganické stavy jsou amoniak (NH₃), amonný ion (NH.)₄), dusitany (NO₂) a dusičnany (NO₃), mimo jiné.

Historie

Dusík byl objeven v roce 1770 třemi vědci nezávisle (Scheele, Rutherford a Lavosier). V roce 1790 jmenoval Francouz Chaptal plyn jako dusík.

V druhé polovině devatenáctého století bylo zjištěno, že je základní složkou tkání živých organismů a růstu rostlin. Podobně byla prokázána existence konstantního proudění mezi organickými a anorganickými formami.

Zpočátku bylo uvažováno, že zdrojem dusíku jsou blesky a atmosférická depozice. V 1838, Boussingault určil biologickou fixaci tohoto elementu v luskovinách. Poté, v roce 1888, bylo zjištěno, že mikroorganismy spojené s kořeny luskovin byly zodpovědné za fixaci N₂.

Dalším významným objevem byla existence bakterií schopných oxidovat amoniak na dusitany. Stejně jako ostatní skupiny, které transformovaly dusitany na dusičnany.

Již v roce 1885 Gayon určil, že další skupina mikroorganismů má schopnost transformovat dusičnany na N₂. Tímto způsobem je možné pochopit cyklus dusíku na planetě.

Požadavky na organismy

Všechny živé bytosti vyžadují pro své životní procesy dusík, ale ne všichni ho používají stejným způsobem. Některé bakterie jsou schopny použít atmosférický dusík přímo. Jiní používají jako zdroj kyslíku dusíkaté sloučeniny.

Autotrofní organismy vyžadují zásobování ve formě dusičnanů. Mnoho heterotrofů ho může používat pouze ve formě aminoskupin, které získávají z potravy.

Komponenty

-Nádrže

Největším přirozeným zdrojem dusíku je atmosféra, kde 78% tohoto prvku se nachází v plynné formě (N₂), s některými stopami oxidu dusného a oxidu dusnatého.

Sedimentární horniny obsahují přibližně 21%, které se uvolňují velmi pomalu. Zbývající 1% je obsaženo v organické hmotě a v oceánech ve formě organického dusíku, dusičnanů a amoniaku.

-Zúčastněné mikroorganismy

Existují tři typy mikroorganismů, které se účastní cyklu dusíku. Jedná se o upevňovače, nitrifikátory a denitrifikátory.

N-fixující bakterie₂

Kódují komplex enzymů, které se podílejí na procesu fixace. Většina těchto mikroorganismů kolonizuje rhizosféru rostlin a vyvíjí se v jejich tkáních.

Nejčastějším typem fixačních bakterií je Rhizobium, který je spojen s kořeny luštěnin. Existují i ​​jiné žánry Frankia, Nostoc a Pasasponia to je symbióza s kořeny jiných skupin rostlin.

Cyanobakterie ve volné formě mohou fixovat atmosférický dusík ve vodním prostředí

Nitrifikační bakterie

Existují tři typy mikroorganismů, které se účastní procesu nitrifikace. Tyto bakterie jsou schopné oxidovat amoniak nebo amonný ion přítomný v půdě. Jedná se o chemolithotropní organismy (schopné oxidovat anorganické materiály jako zdroj energie).

V procesu postupně zasahují bakterie různých rodů. Nitrosoma a Nitrocystis oxiduje NH3 a NH4 na dusitany. Pak Nitrobacter a Nitrosococcus oxidovat tuto sloučeninu na dusičnany.

V roce 2015 byla objevena další skupina bakterií zapojených do tohoto procesu. Jsou schopny přímo oxidovat amoniak na dusičnany a nacházejí se v rodu Nitrospira. Některé houby jsou také schopny nitrifikovat amoniak.

Denitrifikační bakterie

Bylo zdůrazněno, že více než 50 různých rodů bakterií může snížit dusičnany na N₂. K tomu dochází za anaerobních podmínek (absence kyslíku).

Nejčastější denitrifikační rody jsou Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus a Thiosphaera. Většina těchto skupin je heterotrofní.

V roce 2006 byla objevena bakterie (Methylomirabilis oxyfera), který je aerobní. Je methanotrofní (získává energii uhlíku a metanu) a je schopen získat kyslík z procesu denitrifikace.

Fáze

Cyklus dusíku prochází několika fázemi mobilizace po celé planetě. Tyto fáze jsou:

Fixace

Je to přeměna atmosférického dusíku na formy považované za reaktivní (které mohou být použity živými bytostmi). Rozbití tří vazeb, které obsahují molekulu N₂ To vyžaduje velké množství energie a může nastat dvěma způsoby: abiotickými nebo biotickými.

Abiotická fixace

Dusičnany se získávají vysokou energetickou fixací v atmosféře. Pochází z elektrické energie blesku a kosmického záření.

N₂ v kombinaci s kyslíkem vzniká oxidované formy dusíku, jako je NO (oxid dusičitý) a NO₂ (oxid dusný). Následně jsou tyto sloučeniny přivedeny na zemský povrch deštěm jako kyselina dusičná (HNO)₃).

Vysoká energetická fixace obsahuje přibližně 10% dusičnanů přítomných v dusíkovém cyklu.

Biotická fixace

Provádí se půdními mikroorganismy. Obecně jsou tyto bakterie spojeny s kořeny rostlin. Odhaduje se, že roční biotická fixace dusíku je přibližně 200 milionů tun ročně.

Atmosferický dusík se přemění na amonium. V první fázi reakce N₂ se sníží na NH₃ (amoniak). Tímto způsobem je začleněn do aminokyselin.

V tomto procesu se jedná o enzymatický komplex s různými centry redukujícími oxidy. Tento komplex dusíkatázy se skládá z reduktázy (poskytuje elektrony) a dusíkatázy. Ten používá elektrony ke snížení N₂ do NH₃. Při tomto způsobu se spotřebuje velké množství ATP.

Komplex dusíku je ireverzibilně inhibován v přítomnosti vysokých koncentrací O₂. V radikálních uzlech je přítomen protein (leghemoglobin), který udržuje obsah O velmi nízký₂. Tento protein vzniká interakcí mezi kořeny a bakteriemi.

Asimilace

Rostliny, které nemají symbiotickou souvislost s N-fixujícími bakteriemi₂, berou dusík z půdy. Absorpce tohoto prvku se provádí ve formě dusičnanů skrze kořeny.

Jakmile nitráty vstoupí do rostliny, část je použita kořenovými buňkami. Další část je distribuována xylemem do celé rostliny.

Když se použije, nitrát se v cytoplazmě sníží na dusitan. Tento proces je katalyzován enzymem nitrát reduktázou. Dusitany jsou transportovány do chloroplastů a jiných plastidů, kde jsou redukovány na amonný ion (NH₄).

Amonný ion ve velkém množství je pro rostlinu toxický. Takže je rychle začleněna do karbonátových koster a tvoří aminokyseliny a další molekuly.

V případě spotřebitelů se dusík získává krmením přímo z rostlin nebo jiných zvířat.

Amonifikace

V tomto procesu jsou dusíkaté sloučeniny přítomné v půdě degradovány na jednodušší chemické formy. Dusík je obsažen v mrtvých organických látkách a odpadech, jako je močovina (moč ze savců) nebo kyselina močová (exkrety z ptáků)..

Dusík obsažený v těchto látkách je ve formě komplexních organických sloučenin. Mikroorganismy používají aminokyseliny obsažené v těchto látkách k produkci svých proteinů. V tomto procesu uvolňují přebytek dusíku ve formě amoniaku nebo amonného iontu.

Tyto sloučeniny jsou dostupné v půdě pro další mikroorganismy, které působí v následujících fázích cyklu.

Nitrifikace

Během této fáze půdní bakterie oxidují amoniak a amonný ion. V tomto procesu se uvolňuje energie, kterou využívají bakterie v metabolismu.

V první části se jedná o nitrosifikační bakterie rodu Nitrosomy oxiduje amoniak a amonný ion na dusitan. V membráně těchto mikroorganismů je enzym amoniak mooxigenasa. To oxiduje NH₃ na hydroxylamin, který se pak oxiduje na dusitan v periplazmě bakterie.

Následně nitrační bakterie oxidují dusitany na nitráty za použití enzymu nitritoxidoreduktázy. Dusičnany jsou dostupné v půdě, kde mohou být absorbovány rostlinami.

Denitrifikace

V této fázi jsou oxidované formy dusíku (dusitany a dusičnany) převedeny zpět na N₂ a v menší míře oxid dusný.

Tento proces je prováděn anaerobními bakteriemi, které používají jako dusíkaté sloučeniny během dýchání. Rychlost denitrifikace závisí na několika faktorech, jako je například saturace dusičnanů a půdy a teplota.

Když je půda nasycena vodou, O₂ není snadno dostupná a bakterie používají NO₃ jako akceptor elektronů. Když jsou teploty velmi nízké, mikroorganismy nemohou proces provádět.

Tato fáze je jediný způsob, jak je dusík odstraňován z ekosystému. Tímto způsobem N₂ to bylo fixováno vrací do atmosféry a rovnováha tohoto prvku je zachována.

Význam

Tento cyklus má velký biologický význam. Jak jsme vysvětlili dříve, dusík je důležitou součástí živých organismů. Prostřednictvím tohoto procesu se stává biologicky použitelným.

Ve vývoji plodin je dostupnost dusíku jedním z hlavních omezení produktivity. Od počátku zemědělství je tento prvek obohacen o půdu.

Běžnou praxí je pěstování luštěnin ke zlepšení kvality půdy. Podobně pěstování rýže v zaplavené půdě podporuje podmínky prostředí nezbytné pro použití dusíku.

Během 19. století, guano (ptačí exkrementy) byl široce používán jako externí zdroj dusíku v plodinách. Do konce tohoto století však nestačilo na zvýšení produkce potravin.

Německý chemik Fritz Haber na konci 19. století vyvinul proces, který později prodával Carlo Bosch. To znamená, že N reaguje₂ a plynný vodík za vzniku amoniaku. Je známý jako proces Haber-Bosch.

Tato forma umělého čpavku je jedním z hlavních zdrojů dusíku použitelných živými bytostmi. Předpokládá se, že 40% světové populace závisí na těchto hnojivech pro jejich potraviny.

Změny cyklu dusíku

Současná produkce antropogenního amoniaku je přibližně 85 tun ročně. To má negativní důsledky v cyklu dusíku.

Vzhledem k vysokému použití chemických hnojiv dochází ke kontaminaci půd a vodonosných vrstev. Předpokládá se, že více než 50% této kontaminace je důsledkem syntézy Haber-Bosch.

Nadbytky dusíku vedou k eutrofizaci (obohacení živinami) vodních útvarů. Antropogenní eutrifikace je velmi rychlá a způsobuje zrychlený růst především řas.

Tyto spotřebovávají velké množství kyslíku a mohou hromadit toxiny. Kvůli nedostatku kyslíku, jiné organismy přítomné v ekosystému skončí umírající.

Použití fosilních paliv navíc uvolňuje do ovzduší velké množství oxidu dusného. To reaguje s ozonem a tvoří kyselinu dusičnou, která je jednou ze složek kyselého deště.

Odkazy

1. Cerón L a A Aristizábal (2012) Dynamika cyklu dusíku a fosforu v půdách. Rev. Colomb. Biotechnol 14: 285-295.
2. Estupiñan R a B Quesada (2010) proces Haber-Bosch v agroindustriální společnosti: nebezpečí a alternativy. Agroalimentární systém: komodifikace, boje a odporu. Redakce ILSA. Bogotá, Kolumbie 75-95
3. Galloway JN (2003) Globální cyklus dusíku. In: Schelesinger W (ed.) Pojednání o geochemii. Elsevier, USA. str. 557-583.
4. Galloway JN (2005) Globální cyklus dusíku: minulost, přítomnost a budoucnost. Věda v Číně Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Kaskáda dusíku způsobená lidskou činností. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L a M Klotz (2016) Cyklus dusíku. Current Biology 26: 83-101.