Slāpekļa cikla raksturojums, rezervuāri, posmi, nozīme

The slāpekļa ciklu tas ir slāpekļa pārvietošanās process starp atmosfēru un biosfēru. Tas ir viens no svarīgākajiem bioģeoķīmiskajiem cikliem. Slāpeklis (N) ir ļoti svarīgs elements, jo visiem organismiem tas ir nepieciešams augšanai. Tā ir daļa no nukleīnskābju (DNS un RNS) un proteīnu ķīmiskā sastāva.

Lielākais slāpekļa daudzums uz planētas ir atmosfērā. Atmosfēras slāpeklis (N₂) vairums dzīvo būtņu nevar izmantot tieši. Ir baktērijas, kas spēj to salabot un iekļaut to augsnē vai ūdenī tādā veidā, ko var izmantot citi organismi.

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

Citā procesa fāzē ir baktērijas, kas piedalās amonjaka pārveidošanā par nitritiem un nitrātiem, kas ir iestrādāti augsnē. Un cikla beigās cita mikroorganismu grupa izmanto elpošanas ceļā slāpekļa savienojumos pieejamo skābekli. Šajā procesā tie atbrīvo slāpekli atpakaļ atmosfērā.

Pašlaik lielāko lauksaimniecībā izmantojamo slāpekļa daudzumu ražo cilvēki. Tas ir izraisījis šī elementa pārpalikumu augsnē un ūdens avotos, izraisot nelīdzsvarotību šajā bioģeoķīmiskajā ciklā.

Indekss

• 1 Vispārīgi raksturlielumi
  • 1.1 Izcelsme
  • 1.2 Ķīmiskās formas 
  • 1.3 Vēsture
  • 1.4 Prasības organismiem
• 2 Komponenti
  • 2.1. Rezervuāri
  • 2.2. Piedalās mikroorganismi
• 3 posmi
  • 3.1
  • 3.2 Asimilācija
  • 3.3
  • 3.4 Nitrifikācija
  • 3.5. Denitrifikācija
• 4 Nozīme
• 5 Slāpekļa cikla izmaiņas
• 6 Atsauces

Vispārīgās īpašības

Izcelsme

Tiek uzskatīts, ka nukleozes sintēzes radītais slāpeklis (jaunu atomu kodolu radīšana). Zvaigznes ar lielu hēlija masu sasniedza spiedienu un temperatūru, kas nepieciešama, lai veidotu slāpekli.

Kad Zeme radās, slāpeklis bija cietā stāvoklī. Tad ar vulkānisko aktivitāti šis elements nonāca gāzveida stāvoklī un tika iekļauts planētas atmosfērā.

Slāpeklis bija N formā₂. Iespējams, ka dzīvās būtnes izmanto ķīmiskās formas (amonjaka NH₃) parādījās slāpekļa cikli starp jūru un vulkāniem. Tādā veidā NH₃ būtu iekļauti atmosfērā un kopā ar citiem elementiem radītu organiskas molekulas.

Ķīmiskās formas

Slāpeklis rodas dažādās ķīmiskajās formās, atsaucoties uz dažādiem oksidācijas stāvokļiem (elektronu zudumiem). Šīs dažādās formas atšķiras gan pēc to īpašībām, gan uzvedības. Slāpekļa gāze (N₂) nav sarūsējis.

Oksidētās formas klasificē kā organiskas un neorganiskas. Organiskās formas galvenokārt ir aminoskābēs un proteīnos. Neorganiskie stāvokļi ir amonjaka (NH₃), amonija jonu (NH₄), nitrīti (NO₂) un nitrāti (NO₃), cita starpā.

Vēsture

Slāpekli 1770. gadā atklāja trīs neatkarīgi zinātnieki (Scheele, Rutherford un Lavosier). 1790. gadā franču Chaptal nosauca gāzi kā slāpekli.

19. gadsimta otrajā pusē tika konstatēts, ka tā ir būtiska dzīvo organismu audu sastāvdaļa un augu augšana. Tāpat tika pierādīta pastāvīga plūsma starp organiskajām un neorganiskajām formām.

Sākumā tika uzskatīts, ka slāpekļa avoti bija zibens un atmosfēras nosēdumi. 1838. gadā Boussingault noteica šī elementa bioloģisko fiksāciju pākšaugos. Pēc tam 1888. gadā tika atklāts, ka N-pākšaugu saknēm saistītie mikroorganismi bija atbildīgi par N \ t₂.

Vēl viens svarīgs atklājums bija baktēriju esamība, kas spēj oksidēt amonjaku uz nitrītiem. Kā arī citas grupas, kas nitrātu pārveidoja par nitrātiem.

Jau 1885. gadā Gayon noteica, ka citai mikroorganismu grupai bija iespēja pārveidot nitrātus N₂. Tādā veidā varētu saprast slāpekļa ciklu uz planētas.

Prasība organismiem

Visām dzīvajām būtnēm ir nepieciešami slāpekļi viņu svarīgākajos procesos, bet ne visi to izmanto vienādi. Dažas baktērijas var tieši izmantot atmosfēras slāpekli. Citi izmanto slāpekļa savienojumus kā skābekļa avotu.

Autotrofiskiem organismiem ir nepieciešama nitrātu piegāde. Savukārt daudzi heterotrofi to var izmantot tikai aminoskābju formā, ko tie iegūst no savas pārtikas.

Sastāvdaļas

-Rezervuāri

Lielākais dabiskais slāpekļa avots ir atmosfēra, kurā 78% no šī elementa ir gāzveida formā (N₂) ar dažām slāpekļa oksīda un slāpekļa monoksīda pēdām.

Nogulšņu akmeņi satur aptuveni 21%, kas izdalās ļoti lēni. Atlikušie 1% ir organiskās vielas un okeāni organiskā slāpekļa, nitrātu un amonjaka veidā.

-Piedalās mikroorganismi

Slāpekļa ciklā piedalās trīs veidu mikroorganismi. Tie ir fiksatori, nitrieri un denitrieri.

N-fiksējošās baktērijas₂

Tie kodē slāpekļa fermentu kompleksu, kas ir iesaistīts fiksācijas procesā. Lielākā daļa šo mikroorganismu kolonizē augu rizosfēru un attīstās to audos.

Visbiežāk sastopamais fiksācijas baktēriju veids ir Rhizobium, kas ir saistīts ar pākšaugu saknēm. Ir arī citi žanri Frankija, Nostoc un Pasasponia kas veic simbiozi ar citu augu grupu saknēm.

Cianobaktērijas brīvā formā var noteikt atmosfēras slāpekli ūdens vidē

Nitrificējošas baktērijas

Nitrifikācijas procesā ir iesaistīti trīs veidu mikroorganismi. Šīs baktērijas spēj oksidēt augsnē esošo amonjaku vai amonija jonu. Tie ir ķīmiski virskārtējie organismi (kas spēj oksidēt neorganiskus materiālus kā enerģijas avotu).

Procesa gaitā notiek dažādu sugu baktērijas. Nitrosoma un Nitrocystis oksidē NH3 un NH4 uz nitritiem. Pēc tam Nitrobacter un Nitrosokoku oksidē šo savienojumu ar nitrātiem.

2015. gadā tika atklāta cita šajā procesā iesaistīto baktēriju grupa. Tās spēj tieši oksidēt amonjaku uz nitrātiem un atrodas ģints Nitrospira. Dažas sēnītes spēj arī nitrificēt amonjaku.

Denitrificējošās baktērijas

Ir norādīts, ka vairāk nekā 50 dažādu baktēriju ģints var samazināt nitrātus uz N₂. Tas notiek anaerobos apstākļos (skābekļa trūkums).

Visbiežāk sastopamās denitrifikācijas ģints ir Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus un Thiosphaera. Lielākā daļa šo grupu ir heterotrofas.

2006. gadā tika atklāta baktērija (Methylomirabilis oxyfera), kas ir aerobisks. Tas ir metanotrofs (iegūst oglekļa un metāna enerģiju) un spēj iegūt skābekli no denitrifikācijas procesa.

Posmi

Slāpekļa cikls notiek vairākos posmos tā mobilizācijā visā pasaulē. Šīs fāzes ir:

Fiksācija

Tas ir atmosfēras slāpekļa pārveidošana par formām, ko uzskata par reaktīvām (ko var izmantot dzīvās būtnes). Trīs obligāciju, kas satur N molekulu, laušana₂ Tas prasa lielu enerģijas daudzumu, un tas var notikt divos veidos: abiotiski vai biotiski.

Abiotiskā fiksācija

Nitrātu iegūst ar augstu enerģijas fiksāciju atmosfērā. Tas nāk no zibens un kosmiskā starojuma elektriskās enerģijas.

N₂ tas tiek apvienots ar skābekli, lai iegūtu oksidētas slāpekļa formas, piemēram, NO (slāpekļa dioksīds) un NO₂ (slāpekļa oksīds). Pēc tam šos savienojumus uz zemes virsmu nogulsnē kā slāpekļskābi (HNO)₃).

Augsta enerģijas fiksācija ietver aptuveni 10% slāpekļa cikla nitrātu.

Biotiska fiksācija

To veic augsnes mikroorganismi. Parasti šīs baktērijas ir saistītas ar augu saknēm. Tiek lēsts, ka gada biotiskā slāpekļa fiksācija ir aptuveni 200 miljoni tonnu gadā.

Atmosfēras slāpeklis tiek pārveidots amonija. Pirmajā reakcijas fāzē N₂ tiek samazināts līdz NH₃ (amonjaka). Tādā veidā tā ir iekļauta aminoskābēs.

Šajā procesā ir iesaistīts fermentu komplekss ar dažādiem oksīda reducēšanas centriem. Šis slāpekļa bāzes komplekss sastāv no reduktāzes (nodrošina elektronus) un slāpekļa. Pēdējais izmanto elektronus, lai samazinātu N₂ uz NH₃. Šajā procesā tiek patērēts liels daudzums ATP.

Slāpekļa komplekss ir neatgriezeniski inhibēts augsta O koncentrācijas klātbūtnē₂. Radikālas mezgliņos ir proteīns (leghemoglobīns), kas saglabā O saturu ļoti zemu₂. Šo proteīnu rada saknes un baktērijas.

Asimilācija

Augi, kuriem nav simbiotiskas saiknes ar N-fiksējošām baktērijām₂, viņi ņem slāpekli no augsnes. Šī elementa absorbcija tiek veikta nitrātu veidā caur saknēm.

Kad nitrāti nonāk augā, saknes šūnas izmanto daļu. Vēl vienu daļu xylem izplata visai rūpnīcai.

Kad tas tiks izmantots, nitrāts citoplazmā samazinās līdz nitrītam. Šo procesu katalizē nitrāta reduktāzes enzīms. Nitritus transportē uz hloroplastiem un citiem plastīdiem, kur tos reducē uz amonija jonu (NH₄).

Amonija jonu lielos daudzumos ir toksisks augam. Tātad tas ir ātri iekļauts karbonātu skeletos, lai veidotu aminoskābes un citas molekulas.

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

Apstiprināšana

Šajā procesā augsnē esošie slāpekļa savienojumi tiek sadalīti līdz vienkāršākām ķīmiskajām formām. Slāpekli satur nobeigušās organiskās vielas un atkritumi, piemēram, urīnviela (zīdītāju urīns) vai urīnskābe (izdalījumi no putniem)..

Šajās vielās esošais slāpeklis ir kompleksu organisko savienojumu formā. Mikroorganismi izmanto šajās vielās esošās aminoskābes, lai ražotu proteīnus. Šajā procesā tie atbrīvo slāpekļa pārpalikumu amonjaka vai amonija jonu formā.

Šie savienojumi ir pieejami augsnē, lai citi mikroorganismi darbotos šādos cikla posmos.

Nitrifikācija

Šīs fāzes laikā augsnes baktērijas oksidē amonjaku un amonija jonu. Šajā procesā tiek atbrīvota enerģija, ko izmanto baktērijas vielmaiņā.

Pirmajā daļā, cilmes nitrozējošās baktērijas Nitrosomas oksidē amonjaku un amonija jonu nitrītā. Šo mikroorganismu membrānā ir amonjaka mooxigenasa enzīms. Tas oksidē NH₃ hidroksilamīnu, kas pēc tam bakterijas periplazmā oksidējas uz nitrītu.

Pēc tam nitrējošas baktērijas oksidē nitritus uz nitrātiem, izmantojot fermentu nitritoksiduktuktāzi. Augsnē ir pieejami nitrāti, kur tos var absorbēt augi.

Denitrifikācija

Šajā posmā oksidētās slāpekļa formas (nitrīti un nitrāti) tiek pārvērstas atpakaļ N₂ un mazākā mērā slāpekļa oksīdu.

Šo procesu veic anaerobās baktērijas, kas elpošanas laikā lieto slāpekļa savienojumus kā elektronu akceptorus. Denitrifikācijas ātrums ir atkarīgs no vairākiem faktoriem, piemēram, pieejamā nitrāta un augsnes piesātinājuma un temperatūras.

Kad augsne ir piesātināta ar ūdeni, O₂ tas nav viegli pieejams un baktērijas izmanto NO₃ kā elektronu akceptors. Ja temperatūra ir ļoti zema, mikroorganismi nevar veikt šo procesu.

Šis posms ir vienīgais veids, kā slāpeklis tiek izvadīts no ekosistēmas. Tādā veidā N₂ kas tika fiksēts atgriežas atmosfērā un saglabājas šī elementa līdzsvars.

Nozīme

Šim ciklam ir liela bioloģiskā nozīme. Kā jau iepriekš paskaidrots, slāpeklis ir svarīga dzīvo organismu daļa. Ar šo procesu tā kļūst bioloģiski izmantojama.

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 parasta prakse. Tāpat rīsu stādīšana applūdušā augsnē veicina slāpekļa izmantošanas vides apstākļus.

19. gadsimtā gvano (putnu ekskrementi) plaši izmantoja kā ārēju slāpekļa avotu kultūrās. Tomēr šī gadsimta beigās tas nebija pietiekams, lai palielinātu pārtikas ražošanu.

Vācu ķīmiķis Fritz Haber, 19.gs. beigās, izstrādāja procesu, ko vēlāk pārdeva Carlo Bosch. Tas nozīmē, ka N reaģē₂ un gāzveida ūdeņradis, veidojot amonjaku. Tas ir pazīstams kā Haber-Bosch process.

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

Slāpekļa cikla izmaiņas

Pašreizējā antropogēnā amonjaka ražošana ir aptuveni 85 tonnas gadā. Tas rada negatīvas sekas slāpekļa ciklā.

Sakarā ar lielo ķīmisko mēslošanas līdzekļu izmantošanu ir augsnes un ūdens nesējslāņu piesārņojums. Tiek uzskatīts, ka vairāk nekā 50% no šī piesārņojuma ir Haber-Bosch sintēzes rezultāts.

Slāpekļa pārpalikumi noved pie ūdenstilpju eitrofikācijas (bagātināšanās ar barības vielām). Antropogēna eutrifikācija ir ļoti ātra un izraisa paātrinātu aļģu augšanu.

Tie patērē lielu daudzumu 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 augsnē. Kolona. Biotechnol 14: 285-295.
2. Estupiñan R un B Quesada (2010) Haber-Bosch process agrorūpniecības sabiedrībā: briesmas un alternatīvas. Agronomijas sistēma: patēriņš, cīņas un pretestība. ILSA redakcija. Bogota, Kolumbija 75-95
3. Galloway JN (2003) Globālais slāpekļa cikls. In: Schelesinger W (ed.) Apstrāde par ģeoķīmiju. Elsevier, ASV. p. 557-583.
4. Galloway JN (2005) Globālais slāpekļa cikls: pagātne, tagadne un nākotne. Zinātne Ķīnā Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Cilvēka darbības izraisītā slāpekļa kaskāde. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L un M Klotz (2016) Slāpekļa cikls. Current Biology 26: 83-101.