Характеристика азотного цикла, резервуары, стадии, значение



азотный цикл это процесс перемещения азота между атмосферой и биосферой. Это один из наиболее важных биогеохимических циклов. Азот (N) является важным элементом, так как он необходим всем организмам для его роста. Это часть химического состава нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков.

Наибольшее количество азота на планете находится в атмосфере. Атмосферный азот (N2) не могут быть использованы непосредственно большинством живых существ. Существуют бактерии, способные починить его и внедрить в почву или воду таким образом, чтобы его могли использовать другие организмы..

Впоследствии азот усваивается автотрофными организмами. Большинство гетеротрофных организмов приобретают его при кормлении. Затем они выпускают излишки в виде мочи (млекопитающие) или экскрементов (птицы).

На другом этапе процесса появляются бактерии, которые участвуют в превращении аммиака в нитриты и нитраты, которые попадают в почву. И в конце цикла другая группа микроорганизмов использует кислород, доступный в азотистых соединениях в дыхании. В этом процессе они выпускают азот обратно в атмосферу.

В настоящее время наибольшее количество азота, используемого в сельском хозяйстве, производится людьми. Это привело к избытку этого элемента в почвах и водных источниках, что привело к дисбалансу в этом биогеохимическом цикле.

индекс

  • 1 Общая характеристика
    • 1.1 Происхождение
    • 1.2 Химические формы 
    • 1.3 История
    • 1.4 Требования к организмам
  • 2 компонента
    • 2.1 -Reservorios
    • 2.2 -Микроорганизмы, участвующие
  • 3 этапа
    • 3.1 Фиксация
    • 3.2 Ассимиляция
    • 3.3 Амонификация
    • 3.4 Нитрификация
    • 3.5 Денитрификация
  • 4 Важность
  • 5 Изменения азотного цикла
  • 6 Ссылки

Общие характеристики

источник

Считается, что азот возник в результате нуклеосинтеза (создания новых атомных ядер). Звезды с большими массами гелия достигли давления и температуры, необходимых для образования азота.

Когда Земля возникла, азот был в твердом состоянии. Затем в результате вулканической активности этот элемент перешел в газообразное состояние и был включен в атмосферу планеты..

Азот был в форме N2. Вероятно, химические формы, используемые живыми существами (аммиак NH3) появились азотные циклы между морем и вулканами. Таким образом, NH3 был бы включен в атмосферу и наряду с другими элементами породил органические молекулы.

Химические формы

Азот встречается в различных химических формах, относящихся к различным степеням окисления (потери электронов) этого элемента. Эти различные формы различаются как по своим характеристикам, так и по поведению. Азот газ (N2) не ржавый.

Окисленные формы классифицируются как органические и неорганические. Органические формы присутствуют в основном в аминокислотах и ​​белках. Неорганическими состояниями являются аммиак (NH3), ион аммония (NH4), нитриты (НЕТ2) и нитраты (НЕТ3), среди прочих.

история

Азот был открыт в 1770 году тремя независимыми учеными (Шееле, Резерфорд и Лавозье). В 1790 году француз Чапталь назвал газ азотом.

Во второй половине девятнадцатого века он был признан важным компонентом тканей живых организмов и роста растений. Аналогичным образом, существование постоянного потока между органическими и неорганическими формами было доказано.

Вначале считалось, что источниками азота являются молнии и атмосферные осадки. В 1838 году Буссинго определил биологическую фиксацию этого элемента в бобовых. Затем, в 1888 году, было обнаружено, что микроорганизмы, связанные с корнями бобовых, были ответственны за фиксацию N2.

Еще одним важным открытием стало существование бактерий, способных окислять аммиак до нитритов. Как и другие группы, которые превратили нитриты в нитраты.

Еще в 1885 году Гайон определил, что другая группа микроорганизмов обладает способностью превращать нитраты в N2. Таким образом, чтобы цикл азота на планете можно было понять.

Потребность организмов

Все живые существа нуждаются в азоте для своих жизненно важных процессов, но не все используют его одинаково. Некоторые бактерии могут напрямую использовать атмосферный азот. Другие используют азотистые соединения в качестве источника кислорода.

Автотрофные организмы требуют поставки в форме нитратов. Со своей стороны, многие гетеротрофы могут использовать его только в форме аминогрупп, которые они получают из пищи..

компоненты

-резервуары

Крупнейшим природным источником азота является атмосфера, где 78% этого элемента содержится в газообразной форме (N2), с некоторыми следами закиси азота и окиси азота.

Осадочные породы содержат около 21%, которые выделяются очень медленно. Оставшийся 1% содержится в органических веществах и океанах в форме органического азота, нитратов и аммиака..

-Участвующие микроорганизмы

Есть три типа микроорганизмов, которые участвуют в азотном цикле. Это фиксаторы, нитрификаторы и денитрификаторы.

N-фиксирующие бактерии2

Они кодируют комплекс нитрогеназных ферментов, которые участвуют в процессе фиксации. Большинство этих микроорганизмов колонизируют ризосферу растений и развиваются в их тканях..

Наиболее распространенный тип фиксации бактерий Rhizobium, что связано с корнями бобовых. Есть и другие жанры, такие как Frankia, Nostoc и Pasasponia которые делают симбиоз с корнями других групп растений.

Цианобактерии в свободной форме могут связывать атмосферный азот в водной среде

Нитрифицирующие бактерии

Существует три типа микроорганизмов, которые участвуют в процессе нитрификации. Эти бактерии способны окислять аммиак или ион аммония, присутствующий в почве. Это хемолитотрофные организмы (способные окислять неорганические материалы в качестве источника энергии).

Бактерии разных родов вмешиваются последовательно в процесс. Нитросома и Нитроцистис окисляют NH3 и NH4 до нитритов. то Nitrobacter и Nitrosococcus окислять это соединение до нитратов.

В 2015 году была обнаружена другая группа бактерий, вовлеченных в этот процесс. Они способны непосредственно окислять аммиак до нитратов и находятся в роду Nitrospira. Некоторые грибы также способны нитрировать аммиак.

Денитрифицирующие бактерии

Было отмечено, что более 50 различных родов бактерий могут восстанавливать нитраты до N2. Это происходит в анаэробных условиях (отсутствие кислорода).

Наиболее распространенные денитрифицирующие роды Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, ТЫоЬасШиз и Thiosphaera. Большинство из этих групп гетеротрофны.

В 2006 году была обнаружена бактерия (Метиломирабилис оксифера) который является аэробным Он метанотрофен (получает энергию углерода и метана) и способен получать кислород в процессе денитрификации..

этапы

Азотный цикл проходит несколько этапов своей мобилизации по всей планете. Эти этапы:

фиксация

Это преобразование атмосферного азота в формы, считающиеся реактивными (которые могут использоваться живыми существами). Разрыв трех связей, содержащих молекулу N2 Это требует большого количества энергии и может происходить двумя способами: абиотическим или биотическим.

Абиотическая фиксация

Нитраты получают путем высокоэнергетической фиксации в атмосфере. Это происходит от электрической энергии молнии и космического излучения.

N2 в сочетании с кислородом образуются окисленные формы азота, такие как NO (диоксид азота) и NO2 (закись азота). Впоследствии эти соединения попадают на поверхность земли под дождем в виде азотной кислоты (HNO3).

Высокоэнергетическая фиксация включает приблизительно 10% нитратов, присутствующих в азотном цикле.

Биотическая фиксация

Это осуществляется почвенными микроорганизмами. Обычно эти бактерии связаны с корнями растений. Подсчитано, что ежегодная биотическая фиксация азота составляет приблизительно 200 миллионов тонн в год..

Атмосферный азот превращается в аммоний. На первом этапе реакции, N2 сводится к NH3 (Аммиак). Таким образом, он включен в аминокислоты.

В этом процессе участвует ферментативный комплекс с различными центрами восстановления оксида. Этот комплекс нитрогеназы состоит из редуктазы (обеспечивает электроны) и нитрогеназы. Последний использует электроны, чтобы уменьшить N2 в NH3. В процессе потребляется большое количество АТФ.

Комплекс нитрогеназы необратимо ингибируется в присутствии высоких концентраций О2. В радикальных узлах присутствует белок (леггемоглобин), который сохраняет содержание О очень низким2. Этот белок производится путем взаимодействия между корнями и бактериями.

усвоение

Растения, которые не имеют симбиотической ассоциации с N-фиксирующими бактериями2, они берут азот из почвы. Поглощение этого элемента осуществляется в форме нитратов через корни.

Как только нитраты попадают в растение, часть используется корневыми клетками. Другая часть распространяется ксилемой на все растение.

Когда это собирается использоваться, нитрат уменьшен до нитрита в цитоплазме. Этот процесс катализируется ферментом нитратредуктазой. Нитриты транспортируются в хлоропласты и другие пластиды, где они восстанавливаются до иона аммония (NH4).

Ион аммония в больших количествах токсичен для растения. Так что он быстро включается в карбонатные скелеты с образованием аминокислот и других молекул.

В случае потребителей азот получают путем кормления непосредственно от растений или других животных..

amonificación

В этом процессе азотные соединения, присутствующие в почве, разлагаются до более простых химических форм. Азот содержится в мертвых органических веществах и отходах, таких как мочевина (моча от млекопитающих) или мочевая кислота (экскременты от птиц).

Азот, содержащийся в этих веществах, находится в форме сложных органических соединений. Микроорганизмы используют аминокислоты, содержащиеся в этих веществах, для производства своих белков. В этом процессе они выпускают избыток азота в форме аммиака или иона аммония.

Эти соединения доступны в почве для других микроорганизмов, чтобы действовать в следующих фазах цикла.

нитрификация

Во время этой фазы почвенные бактерии окисляют аммиак и ион аммония. В процессе высвобождается энергия, которая используется бактериями в обмене веществ..

В первой части нитрозифицирующие бактерии рода Nitrosomas окисляют аммиак и ион аммония в нитрит. В мембране этих микроорганизмов находится фермент аммиак mooxigenasa. Это окисляет NH3 до гидроксиламина, который затем окисляется до нитрита в периплазме бактерии.

Впоследствии нитрующие бактерии окисляют нитриты до нитратов, используя фермент нитрит оксидоредуктазу. Нитраты доступны в почве, где они могут быть поглощены растениями.

денитрификация

На этой стадии окисленные формы азота (нитриты и нитраты) превращаются обратно в N2 и в меньшей степени закись азота.

Процесс выполняется анаэробными бактериями, которые используют азотные соединения в качестве акцепторов электронов во время дыхания. Скорость денитрификации зависит от нескольких факторов, таких как доступное содержание нитратов, насыщение почвы и температура.

Когда почва насыщена водой, O2 это не легко доступно, и бактерии используют НЕТ3 в качестве акцептора электронов. Когда температура очень низкая, микроорганизмы не могут осуществлять процесс.

Эта фаза является единственным способом удаления азота из экосистемы. Таким образом, N2 что было зафиксировано, возвращается в атмосферу и баланс этого элемента сохраняется.

важность

Этот цикл имеет большое биологическое значение. Как мы объясняли ранее, азот является важной частью живых организмов. Благодаря этому процессу он становится биологически полезным.

При развитии сельскохозяйственных культур наличие азота является одним из основных ограничений производительности. С начала земледелия почва была обогащена этим элементом.

Выращивание бобовых культур для улучшения качества почв является обычной практикой. Кроме того, посадка риса в затопленной почве способствует условиям окружающей среды, необходимым для использования азота.

В течение 19-го века гуано (экскременты птиц) широко использовался в качестве внешнего источника азота в сельскохозяйственных культурах. Однако к концу этого столетия было недостаточно увеличить производство продуктов питания..

Немецкий химик Фриц Хабер, в конце 19-го века, разработал процесс, который позже был продан Карло Бошем. Это предполагает, что N реагирует2 и газообразный водород с образованием аммиака. Это известно как процесс Хабера-Боша.

Эта форма искусственного аммиака является одним из основных источников азота, используемых живыми существами. Считается, что 40% населения мира зависит от этих удобрений для их питания.

Изменения азотного цикла

Текущее антропогенное производство аммиака составляет около 85 тонн в год. Это приносит негативные последствия в азотном цикле.

Из-за широкого использования химических удобрений происходит загрязнение почв и водоносных горизонтов. Считается, что более 50% этого загрязнения является следствием синтеза Хабера-Боша..

Избыток азота приводит к эвтрофикации (обогащению питательными веществами) водоемов. Антропогенная эвтрификация очень быстрая и вызывает ускоренный рост в основном водорослей.

Они потребляют большое количество кислорода и могут накапливать токсины. Из-за недостатка кислорода другие организмы, присутствующие в экосистеме, в конечном итоге погибают.

Кроме того, использование ископаемого топлива выделяет большое количество закиси азота в атмосферу. Это реагирует с озоном и образует азотную кислоту, которая является одним из компонентов кислотных дождей.

ссылки

  1. Cerón L and A Aristizábal (2012) Динамика азотного и фосфорного цикла в почвах. Преподобный Коломб. Biotechnol. 14: 285-295.
  2. Estupiñan R and B Quesada (2010) Процесс Хабера-Боша в агропромышленном обществе: опасности и альтернативы. Агроагрегатная система: коммодификация, борьба и сопротивление. ILSA Редакция. Богота, Колумбия 75-95
  3. Галлоуэй Дж. Н. (2003) Глобальный азотный цикл. В кн .: Шелезингер В. (ред.) Трактат по геохимии. Elsevier, США. р 557-583.
  4. Галлоуэй Дж. Н. (2005) Глобальный азотный цикл: прошлое, настоящее и будущее. Наука в Китае Ser C Life Sciences 48: 669-677.
  5. Pajares S (2016) Азотный каскад, вызванный деятельностью человека. Ойкос 16: 14-17.
  6. Штейн Л. и М. Клотц (2016) Азотный цикл. Текущая биология 26: 83-101.