NITROGEN CYCLE: MGA KATANGIAN, RESERVOIR AT YUGTO - KAPALIGIRAN - 2025

Ang siklo ng nitrogen ay ang proseso ng paggalaw ng nitrogen sa pagitan ng kapaligiran at ng biosoffer. Ito ay isa sa mga pinaka may-katuturang mga siklo ng biogeochemical. Ang Nitrogen (N) ay isang elemento ng malaking kahalagahan, dahil kinakailangan ito ng lahat ng mga organismo para sa kanilang paglaki. Ito ay bahagi ng kemikal na komposisyon ng mga nucleic acid (DNA at RNA) at mga protina.

Ang pinakamalaking halaga ng nitrogen sa planeta ay nasa kapaligiran. Atmospheric nitrogen (N ₂ ) ay hindi maaaring magamit nang direkta sa pamamagitan ng karamihan sa mga nabubuhay na bagay. Mayroong bakterya na may kakayahang ayusin ito at isinasama ito sa lupa o tubig sa mga paraan na maaaring magamit ng iba pang mga organismo.

Katawan ng tubig eutrophicated sa pamamagitan ng pagpayaman sa nitrogen at posporus, sa Lille (Hilaga ng Pransya). May-akda: F. lamiot (sariling gawain), mula sa Wikimedia Commons

Kasunod nito, ang nitrogen ay assimilated ng autotrophic organism. Karamihan sa mga heterotrophic organismo ay nakakakuha nito sa pamamagitan ng pagkain. Pagkatapos ay pinakawalan nila ang labis sa anyo ng ihi (mammal) o pag-aalis (mga ibon).

Sa isa pang yugto ng proseso ay may mga bakterya na nakikilahok sa pagbabagong-anyo ng ammonia sa mga nitrites at nitrates na isinama sa lupa. At sa pagtatapos ng ikot, ang isa pang pangkat ng mga microorganism ay gumagamit ng oxygen na magagamit sa mga nitrogenous compound sa paghinga. Sa prosesong ito inilalabas nila ang nitrogen pabalik sa kapaligiran.

Sa kasalukuyan, ang pinakamalaking halaga ng nitrogen na ginagamit sa agrikultura ay ginawa ng mga tao. Nagdulot ito ng labis na sangkap na ito sa mga soils at tubig na mapagkukunan, na nagiging sanhi ng isang kawalan ng timbang sa siklo ng biogeochemical na ito.

Pangkalahatang katangian

Pinagmulan

Ang Nitrogen ay itinuturing na nagmula sa pamamagitan ng nucleosynthesis (paglikha ng bagong atomic nuclei). Naabot ng mga bituin na may malaking masa ng helium ang presyon at temperatura na kinakailangan para mabuo ang nitrogen.

Nang magmula ang Earth, ang nitrogen ay nasa isang solidong estado. Nang maglaon, sa aktibidad ng bulkan, ang sangkap na ito ay naging isang estado ng gas at isinama sa kapaligiran ng planeta.

Ang Nitrogen ay nasa anyo ng N ₂ . Marahil ang mga kemikal na form na ginagamit ng mga nabubuhay na nilalang (NH ₃ ammonia ) ay lumitaw ng mga siklo ng nitrogen sa pagitan ng dagat at mga bulkan. Sa ganitong paraan, ang NH _{3 ay} isasama sa himpapawid at kasama ang iba pang mga elemento ay nagbigay ng pagtaas sa mga organikong molekula.

Mga pormang kemikal

Ang nitrogen ay nangyayari sa iba't ibang mga kemikal na form, na tumutukoy sa iba't ibang mga estado ng oksihenasyon (pagkawala ng mga electron) ng elementong ito. Ang iba't ibang mga form na ito ay magkakaiba sa kanilang mga katangian at sa kanilang pag-uugali. Ang gas ng Nitrogen (N ₂ ) ay hindi na-oxidized.

Ang mga form na naka-Oxidized ay inuri sa organik at hindi organikong. Pangunahing nangyayari ang mga organikong anyo sa mga amino acid at protina. Ang mga walang laman na estado ay ammonia (NH ₃ ), ammonium ion (NH ₄ ), nitrites (NO ₂ ) at nitrates (NO ₃ ), bukod sa iba pa.

Kasaysayan

Ang Nitrogen ay natuklasan noong 1770 ng tatlong siyentipiko nang nakapag-iisa (Scheele, Rutherford, at Lavosier). Noong 1790 pinangalanan ng French Chaptal ang gas bilang nitrogen.

Sa ikalawang kalahati ng ika-19 na siglo, natagpuan itong isang mahalagang sangkap ng mga tisyu ng mga nabubuhay na organismo at sa paglago ng mga halaman. Gayundin, ang pagkakaroon ng isang palagiang daloy sa pagitan ng mga organikong at tulagay na form ay napatunayan.

Ang mga mapagkukunan ng nitrogen ay orihinal na itinuturing na kidlat at pag-aalis ng atmospera. Noong 1838, tinukoy ng Boussingault ang biological na pag-aayos ng elementong ito sa mga legume. Pagkatapos, noong 1888, natuklasan na ang mga microorganism na nauugnay sa mga ugat ng mga legume ay may pananagutan sa pag-aayos ng N ₂ .

Ang isa pang mahalagang pagtuklas ay ang pagkakaroon ng bakterya na may kakayahang mag-oxidizing ammonia sa nitrites. Pati na rin ang iba pang mga pangkat na nagpalit ng mga nitrites sa nitrates.

Maaga pa noong 1885, tinukoy ni Gayon na ang isa pang pangkat ng mga microorganism ay may kakayahang ibahin ang nitrates sa N ₂ . Sa ganoong paraan, ang pag-ikot ng nitrogen sa planeta ay maiintindihan.

Kinakailangan sa ahensya

Ang lahat ng mga bagay na nabubuhay ay nangangailangan ng nitrogen para sa kanilang mahahalagang proseso, ngunit hindi lahat ay ginagamit ito sa parehong paraan. Ang ilang mga bakterya ay may kakayahang magamit nang direkta sa atmospheric nitrogen. Ang iba ay gumagamit ng mga nitrogen compound bilang isang mapagkukunan ng oxygen.

Ang mga organismo ng Autotrophic ay nangangailangan ng isang supply sa anyo ng mga nitrates. Para sa kanilang bahagi, maraming mga heterotroph ang magagamit lamang nito sa anyo ng mga amino group na nakuha nila mula sa kanilang pagkain.

Mga Bahagi

-Reserve

Ang pinakamalaking likas na mapagkukunan ng nitrogen ay ang kapaligiran, kung saan ang 78% ng elementong ito ay matatagpuan sa mabagsik na form (N ₂ ), na may ilang mga bakas ng nitrous oxide at nitrogen monoxide.

Ang mga sedimentary na bato ay naglalaman ng humigit-kumulang 21% na pinakawalan nang napakabagal. Ang natitirang 1% ay nakapaloob sa organikong bagay at ang mga karagatan sa anyo ng organikong nitrogen, nitrates at ammonia.

-Paghahanda ng mga microorganism

Mayroong tatlong uri ng mga microorganism na nakikilahok sa ikot ng nitrogen. Ito ang mga fixatives, nitrifier, at denitrifier.

N-pag-aayos ng bakterya

Nag-encode sila ng isang kumplikadong mga nitrogenase enzymes na kasangkot sa proseso ng pag-aayos. Karamihan sa mga microorganism na ito ay kolonahin ang rhizosphere ng mga halaman at nabuo sa loob ng kanilang mga tisyu.

Ang pinaka-karaniwang genus ng pag-aayos ng bakterya ay ang Rhizobium, na nauugnay sa mga ugat ng mga legume. Mayroong iba pang mga genera tulad ng Frankia, Nostoc at Pasasponia na gumagawa ng symbiosis na may mga ugat ng iba pang mga pangkat ng mga halaman.

Ang cyanobacteria sa libreng form ay maaaring ayusin ang atmospheric nitrogen sa mga kapaligiran sa tubig

Nitrifying bacteria

Mayroong tatlong uri ng mga microorganism na kasangkot sa proseso ng nitrification. Ang mga bakteryang ito ay may kakayahang mag-oxidizing ammonia o ammonia ion na naroroon sa lupa. Ang mga ito ay mga chemolyttrophic organismo (may kakayahang mag-oxidizing ng mga bagay na walang anuman bilang isang mapagkukunan ng enerhiya)

Ang bakterya ng iba't ibang genera ay namagitan sa proseso nang sunud-sunod. Ang Nitrosoma at Nitrocystis ay nag-oxidize ng NH3 at NH4 sa mga nitrites. Nitrobacter at Nitrosococcus pagkatapos ay i-oxidize ang compound na ito sa nitrates.

Noong 2015 ang isa pang pangkat ng bakterya ay natuklasan na namamagitan sa prosesong ito. May kakayahan silang direktang mag-oxidizing ammonia sa nitrates at matatagpuan sa genus Nitrospira. Ang ilang mga fungi ay may kakayahang mag-nitrifying ammonia.

Ang pagtanggi ng bakterya

Iminungkahi na higit sa 50 iba't ibang mga genera ng bakterya ay maaaring mabawasan ang nitrates sa N ₂ . Nangyayari ito sa ilalim ng mga kondisyon ng anaerobic (kawalan ng oxygen).

Ang pinaka-karaniwang denitrifying genera ay ang Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus, at Thiosphaera. Karamihan sa mga pangkat na ito ay heterotrophs.

Noong 2006 isang bakterya (Methylomirabilis oxyfera) ay natuklasan na isang aerobic. Ito ay methanotrophic (nakakakuha ito ng carbon at enerhiya mula sa mitein) at may kakayahang makakuha ng oxygen mula sa proseso ng denitrification.

Mga yugto

Ang siklo ng nitrogen ay dumadaan sa iba't ibang yugto sa pagpapakilos nito sa buong planeta. Ang mga phase na ito ay:

Pag-aayos

Ito ay ang pag-convert ng atmospheric nitrogen sa mga form na itinuturing na reaktibo (na maaaring magamit ng mga nabubuhay na nilalang). Ang pagsira ng tatlong bono na nilalaman ng molekulang N _{2 ay} nangangailangan ng isang malaking halaga ng enerhiya at maaaring mangyari sa dalawang paraan: abiotic o biotic.

Ikot ng nitrogen. Natanggal ni YanLebrel mula sa isang imahe mula sa Environment Agency Proteksyon: http://www.epa.gov/oloa/html/nitrogen.html, sa pamamagitan ng Wikimedia Commons

Pag-aayos ng abiotic

Ang mga Nitrates ay nakuha sa pamamagitan ng pag-aayos ng mataas na enerhiya sa kapaligiran. Nagmula ito sa de-koryenteng enerhiya ng kidlat at cosmic radiation.

Pinagsasama ang N ₂ sa oxygen upang makabuo ng mga oxidized form ng nitrogen tulad ng WALANG (nitrogen dioxide) at WALANG ₂ (nitrous oxide). Nang maglaon, ang mga compound na ito ay dinadala sa ibabaw ng lupa sa pamamagitan ng ulan bilang nitric acid (HNO ₃ ).

Ang pagsasaayos ng mataas na enerhiya ay nagsasama ng humigit-kumulang na 10% ng mga nitrates na naroroon sa ikot ng nitrogen.

Biotic na pag-aayos

Ito ay isinasagawa ng mga microorganism sa lupa. Ang mga bakteryang ito ay karaniwang nauugnay sa mga ugat ng mga halaman. Ang taunang biotic na pag-aayos ng nitrogen ay tinatayang aabot sa 200 milyong tonelada bawat taon.

Ang atomikong nitrogen ay binago sa ammonia. Sa isang unang yugto ng reaksyon, ang N ₂ ay nabawasan sa NH ₃ (ammonia). Sa form na ito isinasama ito sa mga amino acid.

Sa prosesong ito, ang isang komplikadong enzymatic na may iba't ibang mga sentro ng pagbabawas ng oksihenasyon ay kasangkot. Ang komprehensibong nitrogenase na ito ay binubuo ng isang reductase (nagbibigay ng mga electron) at isang nitrogenase. Ang huli ay gumagamit ng mga electron upang mabawasan ang N ₂ hanggang NH ₃ . Ang isang malaking halaga ng ATP ay natupok sa proseso.

Ang complex ng nitrogenase ay hindi maiiwasang mapigilan sa pagkakaroon ng mataas na konsentrasyon ng O ₂ . Sa radikal na nodules, isang protina (leghemoglobin) ay naroroon na nagpapanatili sa O ₂ Ang nilalamang napakababang . Ang protina na ito ay ginawa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga ugat at bakterya.

Assimilation

Ang mga halaman na walang simbolong simbolong may N _2- pag-aayos ng bakterya ay kumukuha ng nitrogen mula sa lupa. Ang pagsipsip ng elementong ito ay isinasagawa sa anyo ng mga nitrates sa pamamagitan ng mga ugat.

Kapag ang mga nitrates ay pumasok sa halaman, ang ilan sa mga ito ay ginagamit ng mga ugat na ugat. Ang isa pang bahagi ay ipinamamahagi ng xylem sa buong halaman.

Kapag gagamitin ito, ang nitrat ay nabawasan sa nitrite sa cytoplasm. Ang prosesong ito ay catalyzed ng enzyme nitrate reductase. Ang mga Nitrites ay dinadala sa mga chloroplast at iba pang mga plastik, kung saan nabawasan ang mga ito sa ammonium ion (NH ₄ ).

Ang ammonium ion sa malaking dami ay nakakalason sa halaman. Kaya mabilis itong isinasama sa mga carbon skeleton upang mabuo ang mga amino acid at iba pang mga molekula.

Sa kaso ng mga mamimili, ang nitrogen ay nakuha sa pamamagitan ng pagpapakain nang direkta mula sa mga halaman o iba pang mga hayop.

Pag-iisa

Sa prosesong ito, ang mga nitrogenous compound na naroroon sa lupa ay nahati sa mas simpleng mga pormang kemikal. Ang Nitrogen ay nakapaloob sa patay na organikong bagay at mga basura tulad ng urea (mammalia urine) o uric acid (bird excreta).

Ang nitrogen na nilalaman sa mga sangkap na ito ay nasa anyo ng mga kumplikadong organikong compound. Ginagamit ng mga mikrobyo ang mga amino acid na nilalaman sa mga sangkap na ito upang makagawa ng kanilang mga protina. Sa prosesong ito, naglalabas sila ng labis na nitrogen sa anyo ng ammonia o ammonium ion.

Ang mga compound na ito ay magagamit sa lupa para sa iba pang mga microorganism upang kumilos sa mga sumusunod na phase ng ikot.

Nitrification

Sa yugtong ito, ang bakterya sa lupa ay nag-oxidize ng ammonia at ammonia ion. Sa proseso ng enerhiya ay pinakawalan na ginagamit ng mga bakterya sa kanilang metabolismo.

Sa unang bahagi, ang nitrosifying bacteria ng genus Nitrosomas ay nag-oxidize ng ammonia at ammonium ion sa nitrite. Ang enzyme ammonia mooxygenase ay matatagpuan sa lamad ng mga microorganism na ito. Ito ay nag-oxidize ng NH ₃ sa hydroxylamine, na pagkatapos ay na-oxidized sa nitrite sa periplasm ng bacteria.

Kasunod nito, ang nitrating bacteria ay nag-oxidize ng mga nitrites sa nitrates gamit ang enzyme nitrite oxidoreductase. Ang mga nitrates ay nananatiling magagamit sa lupa, kung saan maaari silang mahuli ng mga halaman.

Denitrification

Sa yugtong ito, ang mga oxidized form ng nitrogen (nitrites at nitrates) ay na-convert pabalik sa N ₂ at sa isang mas maliit na lawak sa nitrous oxide.

Ang proseso ay isinasagawa ng anaerobic bacteria, na gumagamit ng mga nitrogenous compound bilang mga tumatanggap ng elektron sa paghinga. Ang rate ng denitrification ay nakasalalay sa ilang mga kadahilanan, tulad ng magagamit na nitrate at saturation ng lupa at temperatura.

Kapag ang lupa ay puspos ng tubig, ang O _{2 ay hindi} na magagamit at ang bakterya ay gumagamit ng WALANG ₃ bilang isang tumatanggap ng elektron. Kung ang temperatura ay napakababa, ang mga microorganism ay hindi maaaring isagawa ang proseso.

Ang yugtong ito ay ang tanging paraan na natanggal ang nitrogen mula sa isang ekosistema. Sa ganitong paraan, ang N ₂ na naayos ay bumalik sa kapaligiran at ang balanse ng elementong ito ay pinananatili.

Kahalagahan

Ang siklo na ito ay may mahusay na kaugnayan sa biyolohikal. Tulad ng ipinaliwanag namin dati, ang nitrogen ay isang mahalagang bahagi ng mga buhay na organismo. Sa pamamagitan ng prosesong ito nagiging kapaki-pakinabang ang biologically.

Sa pagbuo ng mga pananim, ang pagkakaroon ng nitrogen ay isa sa pangunahing mga limitasyon ng pagiging produktibo. Mula sa simula ng agrikultura, ang lupa ay pinayaman sa elementong ito.

Ang paglilinang ng mga legume upang mapabuti ang kalidad ng lupa ay isang karaniwang kasanayan. Gayundin, ang pagtatanim ng palay sa mga pagbaha ng mga lupa ay nagtataguyod ng mga kondisyon sa kapaligiran na kinakailangan para sa paggamit ng nitrogen.

Noong ika-19 na siglo, ang guano (bird excreta) ay malawakang ginamit bilang isang panlabas na mapagkukunan ng nitrogen sa mga pananim. Gayunpaman, sa pagtatapos ng siglo na ito ay hindi sapat upang madagdagan ang paggawa ng pagkain.

Ang chemist ng Aleman na si Fritz Haber, noong huling bahagi ng ika-19 na siglo, ay gumawa ng isang proseso na kalaunan ay na-komersyo ni Carlo Bosch. Ito ay binubuo ng reaksyon ng N ₂ at hydrogen gas upang makabuo ng ammonia. Ito ay kilala bilang ang proseso ng Haber-Bosch.

Ang form na ito ng artipisyal na paggawa ng ammonia ay isa sa mga pangunahing mapagkukunan ng nitrogen na maaaring magamit ng mga nabubuhay na nilalang. Itinuturing na 40% ng populasyon ng mundo ay nakasalalay sa mga pataba na ito para sa kanilang pagkain.

Mga kaguluhan sa siklo ng nitrogen

Ang kasalukuyang paggawa ng antropiko ng ammonia ay humigit-kumulang na 85 tonelada bawat taon. Ito ay may negatibong mga kahihinatnan sa ikot ng nitrogen.

Dahil sa mataas na paggamit ng mga pataba na kemikal, mayroong kontaminasyon ng mga lupa at aquifers. Itinuturing na higit sa 50% ng kontaminasyon na ito ay isang kinahinatnan ng synthesis ng Haber-Bosch.

Ang mga labis na nitrogen ay humantong sa eutrification (pagpapayaman ng mga sustansya) ng mga tubig sa tubig. Ang antropikong euutrification ay napakabilis at nagiging sanhi ng pinabilis na paglaki ng higit sa algae.

Kumokonsumo sila ng maraming oxygen at maaaring makaipon ng mga lason. Dahil sa kakulangan ng oxygen, ang iba pang mga organismo na naroroon sa ekosistema ay nagtatapos sa pagkamatay.

Bilang karagdagan, ang paggamit ng mga fossil fuels ay naglalabas ng isang malaking halaga ng nitrous oxide sa kapaligiran. Tumugon ito sa osono at bumubuo ng nitric acid, na kung saan ay isa sa mga sangkap ng rain rain.

Mga Sanggunian

1. Cerón L at A Aristizábal (2012) Mga dinamikong siklo ng nitrogen at posporus sa mga lupa. Si Rev. Colomb. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R at B Quesada (2010) ang proseso ng Haber-Bosch sa lipunang agro-industriyal: mga panganib at kahalili. Ang Agrifood System: commodification, pakikibaka at paglaban. Editoryal na ILSA. Bogota Colombia. 75-95
3. Galloway JN (2003) Ang ikot ng global na nitrogen. Sa: Schelesinger W (ed.) Treatise on Geochemistry. Elsevier, USA. p 557-583.
4. Galloway JN (2005) Ang ikot ng global na nitrogen: nakaraan, kasalukuyan at hinaharap. Agham sa Tsina Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Ang nitrogen cascade na dulot ng mga aktibidad ng tao. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L at M Klotz (2016) Ang siklo ng nitrogen. Kasalukuyang Biology 26: 83-101.