CICLUL AZOTULUI: CARACTERISTICI, REZERVOARE ȘI TREPTE - MEDIU INCONJURATOR - 2025

Ciclul azotului este procesul de mișcare azot între atmosferă și biosferă. Este unul dintre cele mai relevante cicluri biogeochimice. Azotul (N) este un element de mare importanță, deoarece este necesar de toate organismele pentru creșterea lor. Face parte din compoziția chimică a acizilor nucleici (ADN și ARN) și proteine.

Cea mai mare cantitate de azot de pe planetă se află în atmosferă. Azotul atmosferic (N ₂ ) nu poate fi folosit direct de majoritatea lucrurilor vii. Există bacterii capabile să-l fixeze și să-l încorporeze în sol sau apă, în moduri care pot fi folosite de alte organisme.

Corp de apă eutrofizat prin îmbogățirea cu azot și fosfor, în Lille (nordul Franței). Autor: F. lamiot (lucrare proprie), de la Wikimedia Commons

Ulterior, azotul este asimilat de organismele autotrofe. Majoritatea organismelor heterotrofe îl dobândesc prin alimente. Apoi eliberează excesul sub formă de urină (mamifere) sau excremente (păsări).

Într-o altă fază a procesului există bacterii care participă la transformarea amoniacului în nitriți și nitrați care sunt încorporați în sol. Și la sfârșitul ciclului, un alt grup de microorganisme folosește oxigenul disponibil în compuși azotați în respirație. În acest proces, ei eliberează azot înapoi în atmosferă.

În prezent, cea mai mare cantitate de azot folosită în agricultură este produsă de oameni. Acest lucru a dus la un exces al acestui element în soluri și surse de apă, determinând un dezechilibru în acest ciclu biogeochimic.

Caracteristici generale

Origine

Se consideră că azotul își are originea prin nucleosinteză (crearea de noi nuclee atomice). Stelele cu mase mari de heliu au atins presiunea și temperatura necesară pentru formarea azotului.

Când Pământul a luat naștere, azotul era într-o stare solidă. Ulterior, odată cu activitatea vulcanică, acest element a devenit o stare gazoasă și a fost încorporat în atmosfera planetei.

Azotul a fost sub formă de N ₂ . Probabil ca formele chimice utilizate de ființele vii (amoniac NH ₃ ) au apărut prin ciclurile de azot între mare și vulcani. În acest fel, NH ₃ ar fi fost încorporate în atmosferă și împreună cu alte elemente a dat naștere la molecule organice.

Forme chimice

Azotul apare sub diferite forme chimice, referindu-se la diferite stări de oxidare (pierderea electronilor) acestui element. Aceste forme diferite variază atât prin caracteristicile lor, cât și prin comportamentul lor. Gazul azotat (N ₂ ) nu este oxidat.

Formele oxidate sunt clasificate în organice și anorganice. Formele organice apar mai ales în aminoacizi și proteine. Stările anorganice sunt amoniacul (NH ₃ ), ionul de amoniu (NH ₄ ), nitriții (NO ₂ ) și nitrații (NO ₃ ), printre altele.

Istorie

Azotul a fost descoperit în 1770 de trei oameni de știință în mod independent (Scheele, Rutherford și Lavosier). În 1790 Chaptalul francez a denumit gazul drept azot.

În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, sa descoperit că este o componentă esențială a țesuturilor organismelor vii și în creșterea plantelor. De asemenea, a fost evidențiată existența unui flux constant între formele organice și cele anorganice.

Sursele de azot au fost considerate inițial a fi fulgere și depuneri atmosferice. În 1838, Boussingault a determinat fixarea biologică a acestui element în leguminoase. Apoi, în 1888, sa descoperit că microorganismele asociate cu rădăcinile plantelor leguminoase , au fost responsabile pentru fixarea N ₂ .

O altă descoperire importantă a fost existența bacteriilor care erau capabile să oxideze amoniacul la nitriți. La fel ca și alte grupuri care au transformat nitriții în nitrați.

Încă din 1885, Gayón a stabilit ca un alt grup de microorganisme au capacitatea de a transforma nitratii in N ₂ . În acest fel, ciclul de azot de pe planetă ar putea fi înțeles.

Cerința agenției

Toate ființele vii necesită azot pentru procesele lor vitale, dar nu toate îl folosesc în același mod. Unele bacterii sunt capabile să folosească în mod direct azot atmosferic. Alții folosesc compuși de azot ca sursă de oxigen.

Organismele autotrofe necesită o alimentare sub formă de nitrați. La rândul lor, mulți heterotrofi îl pot folosi doar sub forma unor grupări amino pe care le obțin din hrana lor.

Componente

-Reserves

Cea mai mare sursă naturală de azot este atmosfera, unde 78% din acest element se găsește sub formă gazoasă (N ₂ ), cu unele urme de oxid nitru și monoxid de azot.

Rocile sedimentare conțin aproximativ 21%, care este eliberat foarte lent. Restul de 1% este conținut în materie organică și oceane sub formă de azot organic, nitrați și amoniac.

-Participarea microorganismelor

Există trei tipuri de microorganisme care participă la ciclul azotului. Acestea sunt fixative, nitrifiere și denitrifiers.

Bacterii care fixează N

Acestea codifică un complex de enzime azotazice care sunt implicate în procesul de fixare. Majoritatea acestor microorganisme colonizează rizosfera plantelor și se dezvoltă în țesuturile lor.

Cel mai frecvent gen de bacterii de fixare este Rhizobium, care este asociat cu rădăcinile de leguminoase. Există și alte genuri precum Frankia, Nostoc și Pasasponia care fac simbioză cu rădăcinile altor grupuri de plante.

Cianobacteriile în formă liberă pot repara azotul atmosferic în mediile acvatice

Bacterii nitrificante

Există trei tipuri de microorganisme implicate în procesul de nitrificare. Aceste bacterii sunt capabile să oxideze amoniacul sau ionul de amoniu prezent în sol. Sunt organisme chemolitrofice (capabile să oxideze materiale anorganice ca sursă de energie).

Bacteriile din diferite genuri intervin în proces în mod secvențial. Nitrosomul și Nitrocitele oxidează NH3 și NH4 la nitriți. Nitrobacterul și nitrosococul apoi oxidează acest compus la nitrați.

În 2015 a fost descoperit un alt grup de bacterii care intervine în acest proces. Acestea sunt capabile să oxideze direct amoniacul la nitrați și sunt localizate în genul Nitrospira. Unii ciuperci sunt de asemenea capabili să nitrifieze amoniacul.

Bacterii denitrificante

Sa sugerat că mai mult de 50 de genuri diferite de bacterii pot reduce nitrații la N ₂ . Aceasta apare în condiții anaerobe (absența oxigenului).

Cele mai frecvente genuri denitrifiante sunt Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus și Thiosphaera. Majoritatea acestor grupuri sunt heterotrofe.

În 2006 a fost descoperită o bacterie (Metilomirabilis oxyfera) care este aerobă. Este metanotrofic (obține carbon și energie din metan) și este capabil să obțină oxigen din procesul de denitrificare.

etape

Ciclul azotului trece prin diferite etape în mobilizarea sa pe toată planeta. Aceste faze sunt:

Fixare

Este conversia azotului atmosferic în forme considerate reactive (care pot fi utilizate de ființele vii). Ruperea celor trei legături conținute în molecula N ₂ necesită o cantitate mare de energie și poate avea loc în două moduri: abiotic sau biotic.

Ciclul de azot. Remed de YanLebrel dintr-o imagine de la Agenția pentru Protecția Mediului: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, prin Wikimedia Commons

Fixarea abiotică

Nitrații sunt obținuți prin fixarea cu energie mare în atmosferă. Provine din energia electrică a fulgerului și a radiațiilor cosmice.

N ₂ se combină cu oxigenul pentru a forma forme oxidate de azot , cum ar fi NO (dioxid de azot) și NO ₂ (oxid de azot). Ulterior, acești compuși sunt transportați pe suprafața pământului de ploaie sub formă de acid azotic (HNO ₃ ).

Fixarea cu energie mare încorporează aproximativ 10% din nitrații prezenți în ciclul azotului.

Fixarea biotică

Este efectuat de microorganisme din sol. Aceste bacterii sunt în general asociate cu rădăcinile plantelor. Fixarea anuală biotică a azotului este estimată la aproximativ 200 de milioane de tone pe an.

Azotul atmosferic este transformat în amoniac. Într - o primă fază a reacției, N ₂ este redus la NH ₃ (amoniac). În această formă este încorporat în aminoacizi.

În acest proces, este implicat un complex enzimatic cu diverse centre de reducere a oxidării. Acest complex azotazazic este format dintr-o reductază (furnizează electroni) și o azotază. Acestea din urmă Utilizările electroni pentru a reduce N ₂ la NH ₃ . În proces se consumă o cantitate mare de ATP.

Complexul nitrogenase este ireversibil inhibată în prezența unor concentrații mari de O ₂ . In noduli radicali, o proteina (leghemoglobin) este prezent care păstrează O ₂ conținut foarte scăzut . Această proteină este produsă prin interacțiunea dintre rădăcini și bacterii.

Asimilare

Plantele care nu au o asociere simbiotică cu bacteriile fixatoare de N- ₂ iau azot din sol. Absorbția acestui element se realizează sub formă de nitrați prin rădăcini.

Odată ce nitrații intră în plantă, o parte din acesta este folosită de celulele radiculare. O altă parte este distribuită de xilem întregii plante.

Când este de utilizat, nitratul este redus la nitrit în citoplasmă. Acest proces este catalizat de enzima reductază enzimatică. Nitriții sunt transportați la cloroplaste și alte plastide, unde sunt reduse la ionul de amoniu (NH ₄ ).

Ionul de amoniu în cantități mari este toxic pentru plantă. Deci, este încorporat rapid în scheletele de carbonat pentru a forma aminoacizi și alte molecule.

În cazul consumatorilor, azotul este obținut prin alimentarea directă din plante sau alte animale.

amonificare

În acest proces, compușii azotati prezenți în sol sunt defalcați în forme chimice mai simple. Azotul este conținut în materie organică moartă și deșeuri precum uree (urină mamiferă) sau acid uric (excreții de păsări).

Azotul conținut în aceste substanțe este sub formă de compuși organici complexi. Microorganismele folosesc aminoacizii conținuți în aceste substanțe pentru a-și produce proteinele. În acest proces, ele eliberează excesul de azot sub formă de amoniac sau ion de amoniu.

Acești compuși sunt disponibili în sol pentru ca alte microorganisme să acționeze în următoarele faze ale ciclului.

nitrificare

În această fază, bacteriile din sol oxidează amoniacul și ionul de amoniu. În proces este eliberată energie care este utilizată de bacterii în metabolismul lor.

În prima parte, bacteriile nitrosificante din genul Nitrosomas oxidează amoniacul și ionul de amoniu la nitrit. Enzima amoniac mooxigenaza se găsește în membrana acestor microorganisme. Acest oxideaza NH ₃ la hidroxilamină, care este apoi oxidat la nitrit în periplasma bacteriilor.

Ulterior, bacteriile care nitrează oxidează nitriții la nitrați folosind enzima nitrit oxidoreductază. Nitrații rămân disponibili în sol, unde pot fi absorbiți de plante.

denitrificare

In acest stadiu, formele oxidate ale azotului (nitriți și nitrați) sunt din nou transformate în N ₂ și într - o mai mică măsură la protoxidul de azot.

Procesul este realizat de bacteriile anaerobe, care utilizează compuși azotati ca acceptoare de electroni în timpul respirației. Rata de denitrificare depinde de mai mulți factori, cum ar fi nitrația disponibilă și saturația și temperatura solului.

Când solul este saturat de apă, O2 _nu mai este disponibil și bacteriile folosesc NO ₃ ca acceptor de electroni. Când temperaturile sunt foarte scăzute, microorganismele nu pot efectua procesul.

Această fază este singurul mod în care azotul este eliminat dintr-un ecosistem. În acest fel, N ₂ care a fost fixat revine în atmosferă și echilibrul acestui element este menținut.

Importanţă

Acest ciclu are o mare relevanță biologică. După cum am explicat anterior, azotul este o parte importantă a organismelor vii. Prin acest proces devine biologic utilizabil.

În dezvoltarea culturilor, disponibilitatea azotului este una dintre principalele limitări ale productivității. Încă de la începutul agriculturii, solul s-a îmbogățit cu acest element.

Cultivarea leguminoaselor pentru îmbunătățirea calității solului este o practică obișnuită. De asemenea, plantarea orezului în soluri inundate promovează condițiile de mediu necesare pentru utilizarea azotului.

În timpul secolului al XIX-lea, guano (excreția de pasăre) a fost utilizat pe scară largă ca sursă externă de azot în culturi. Cu toate acestea, până la sfârșitul acestui secol, a fost insuficient pentru a crește producția de alimente.

Chimistul german Fritz Haber, la sfârșitul secolului 19, a dezvoltat un proces care a fost ulterior comercializat de Carlo Bosch. Aceasta constă în reacția N ₂ și a gazului de hidrogen pentru a forma amoniac. Este cunoscut sub numele de procedeul Haber-Bosch.

Această formă de producție artificială de amoniac este una dintre principalele surse de azot care poate fi folosită de ființele vii. Se consideră că 40% din populația mondială depinde de aceste îngrășăminte pentru hrana lor.

Tulburări ale ciclului de azot

Producția antropică curentă de amoniac este de aproximativ 85 de tone pe an. Aceasta are consecințe negative asupra ciclului de azot.

Datorită utilizării ridicate a îngrășămintelor chimice, există o contaminare a solurilor și acviferelor. Se consideră că peste 50% din această contaminare este o consecință a sintezei Haber-Bosch.

Excesele de azot conduc la eutrificarea (îmbogățirea cu nutrienți) a corpurilor de apă. Euutrificarea antropică este foarte rapidă și determină creșterea accelerată în principal a algelor.

Consuma mult oxigen și pot acumula toxine. Din cauza lipsei de oxigen, celelalte organisme prezente în ecosistem ajung să moară.

În plus, utilizarea combustibililor fosili eliberează în atmosferă o cantitate mare de oxid nitru. Aceasta reacționează cu ozonul și formează acidul azotic, care este una dintre componentele ploilor acide.

Referințe

1. Cerón L și A Aristizábal (2012) Dinamica ciclului de azot și fosfor în soluri. Rev. Colomb. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R și B Quesada (2010) procesul Haber-Bosch în societatea agroindustrială: pericole și alternative. Sistemul agroalimentar: marfă, lupte și rezistență. Editorial ILSA. Bogota Columbia. 75-95
3. Galloway JN (2003) Ciclul global al azotului. În: Schelesinger W (ed.) Tratat de geochimie. Elsevier, SUA. p 557-583.
4. Galloway JN (2005) Ciclul global al azotului: trecut, prezent și viitor. Știința în China Științele vieții C C 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Cascada de azot cauzată de activitățile umane. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L și M Klotz (2016) Ciclul azotului. Biologie actuală 26: 83-101.