Πληροφορίες

Κύκλος αζώτου


Τα φυτά απαιτούν ορισμένα στοιχεία διαφορετικά από αυτά που αποκτούν απευθείας από την ατμόσφαιρα (άνθρακας και οξυγόνο υπό μορφή διοξειδίου του άνθρακα) και από υπόγεια ύδατα (υδρογόνο και οξυγόνο).

Όλα εκτός από ένα από αυτά τα στοιχεία προέρχονται από την αποσύνθεση των πετρωμάτων και συλλαμβάνονται από φυτά από το έδαφος. Η εξαίρεση είναι το άζωτο που αντιπροσωπεύει Το 78% της ατμόσφαιρας της γης.

Το βράχια επιφάνειας γης Είναι επίσης η κύρια πηγή αζώτου, η οποία διεισδύει στο έδαφος, έμμεσα μέσω της ατμόσφαιρας και μέσω του εδάφους, διεισδύει στα φυτά που αναπτύσσονται πάνω σε αυτό.

Τα περισσότερα ζωντανά αντικείμενα δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν ατμοσφαιρικό άζωτο για τη σύνθεση πρωτεϊνών και άλλων οργανικών ουσιών. Σε αντίθεση με τον άνθρακα και το οξυγόνο, το άζωτο είναι πολύ χημικά αδρανές και μόνο σίγουρο βακτήρια και μπλε άλγη Έχουν την εξειδικευμένη ικανότητα να αφομοιώνουν το άζωτο από την ατμόσφαιρα και να την μετατρέπουν σε μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τα κύτταρα. Η χρήση ανεπαρκούς αζώτου είναι συχνά ο βασικός περιοριστικός παράγοντας για την ανάπτυξη των φυτών.

Η διαδικασία με την οποία το άζωτο κυκλοφορεί μέσω των φυτών και του εδάφους μέσω της δράσης των ζωντανών οργανισμών είναι γνωστή ως κύκλος αζώτου.

Αμμονοποίηση

Το μεγαλύτερο μέρος του αζώτου που βρίσκεται στο έδαφος προέρχεται από νεκρά οργανικά υλικά, τα οποία υπάρχουν υπό τη μορφή σύνθετων οργανικών ενώσεων όπως πρωτεΐνες, αμινοξέα, νουκλεϊκά οξέα και νουκλεοτίδια. Ωστόσο, αυτές οι αζωτούχες ενώσεις γενικά αποσυντίθενται γρήγορα σε απλούστερες ουσίες από οργανισμούς που ζουν στο έδαφος.

Το σαπροφυτικά βακτήρια και διάφορα είδη μυκήτων είναι κυρίως υπεύθυνοι για την αποσύνθεση των νεκρών οργανικών υλικών. Αυτοί οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν πρωτεΐνες και αμινοξέα ως πηγή για τις δικές τους πρωτεΐνες και απελευθερώνουν περίσσεια αζώτου με τη μορφή αμμωνίου (ΝΗ4+). Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ammonification. Το άζωτο μπορεί να παρέχεται ως αέριο αμμωνίας (NH3), αλλά αυτή η διαδικασία συνήθως συμβαίνει μόνο όταν αποσυντίθενται μεγάλες ποσότητες πλούσιων σε άζωτο υλικών, όπως σε μεγάλο μέρος λιπάσματος ή λιπάσματος. Γενικά, η αμμωνία που παράγεται αμμωνία διαλύεται στο νερό του εδάφους, όπου συνδυάζεται με πρωτόνια για να σχηματίσει το ιόν αμμωνίου.

Νιτροποίηση

Αρκετά είδη βακτηρίων που απαντώνται συνήθως σε εδάφη είναι ικανά να οξειδώσουν αμμωνία ή αμμώνιο. Η οξείδωση αμμωνίας, γνωστή ως νιτροποίησηείναι μια διαδικασία που παράγει ενέργεια και η απελευθερωμένη ενέργεια χρησιμοποιείται από αυτά τα βακτήρια για τη μείωση του διοξειδίου του άνθρακα, ακριβώς όπως οι αυτοτροφικές εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν φωτεινή ενέργεια για τη μείωση του διοξειδίου του άνθρακα. Τέτοιοι οργανισμοί είναι γνωστοί ως χημειοσυνθετικούς αυτοτροφικούς παράγοντες (διαφορετικά από τα φωτοσυνθετικά autotrophs όπως φυτά και άλγη). Το νιτροποιητικά βακτηρίδια χημειοσυνθετική Νιτροσόμωνες και Nitrosococcus οξείνουν την αμμωνία σε νιτρώδη (NO2-):

2 ΝΗ 3 + 302 --------> 2 ΟΧΙ2- + 2 Η+ + 2 Η2Το

(αέριο αμμωνία) (νιτρώδη)

Τα νιτρώδη είναι τοξικά για τα ανώτερα φυτά, αλλά σπάνια συσσωρεύονται στο έδαφος. Nitrobacter, ένα άλλο γένος βακτηρίων οξειδώνει νιτρώδη προς σχηματισμό νιτρικών (NO3-), και πάλι με απελευθέρωση ενέργειας:

2 ΟΧΙ2- + Ο2 ---------> 2 ΟΧΙ3-

(νιτρώδη) (νιτρικά)

Το νιτρικό άλας είναι η μορφή στην οποία σχεδόν όλο το άζωτο μετακινείται από το έδαφος στις ρίζες.

Λίγα είδη φυτών μπορούν να χρησιμοποιήσουν ζωικές πρωτεΐνες ως πηγή αζώτου. Τα είδη αυτά, τα οποία αποτελούν το σαρκοφάγα φυτά, έχουν ειδικές προσαρμογές που χρησιμοποιούνται για την προσέλκυση και τη σύλληψη μικρών ζώων. Χωνεύουν απορροφώντας αζωτούχες ενώσεις και άλλες οργανικές και μεταλλικές ενώσεις όπως το κάλιο και το φωσφορικό. Τα περισσότερα σαρκοβόρα φυτά βρίσκονται σε βάλτους, οι οποίοι είναι γενικά έντονα όξινοι και συνεπώς δυσμενείς για την ανάπτυξη βακτηρίων νιτροποίησης.

Απώλεια αζώτου

Όπως παρατηρήσαμε, οι αζωτούχες ενώσεις χλωροφυλλικών φυτών επιστρέφουν στο έδαφος μετά το θάνατό τους (ή τα ζώα που τα έτρωγαν), επανεπεξεργασίας από τους οργανισμούς του εδάφους και τους μικροοργανισμούς, απορροφημένους από τις ρίζες με τη μορφή νιτρικών διαλυμένων στο νερό του εδάφους. μετατρέπονται σε οργανικές ενώσεις. Κατά τη διάρκεια αυτού του κύκλου υπάρχει πάντα μια "απώλεια" μιας συγκεκριμένης ποσότητας αζώτου, καθιστώντας την ακατάλληλη για το εργοστάσιο.

Μία από τις κύριες αιτίες αυτής της απώλειας αζώτου είναι εγκαταστάσεις απομάκρυνσης του εδάφους. Τα καλλιεργούμενα εδάφη εμφανίζουν συχνά σταθερή μείωση της περιεκτικότητας σε άζωτο. Το άζωτο μπορεί επίσης να χαθεί όταν αποκεφαλισθεί το φυτικό έδαφος διάβρωση ή όταν καταστρέφεται η επιφάνεια του φωτιά. Το άζωτο αφαιρείται επίσης από έκπλυση. τα νιτρικά και τα νιτρώδη, τα οποία είναι ανιόντα, είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στην έκπλυση του νερού μέσω του εδάφους. Σε ορισμένα εδάφη, βακτήρια απονιτροποίησης διασπούν τα νιτρικά άλατα και απελευθερώνουν άζωτο στον αέρα. Αυτή η διαδικασία που παρέχει τα βακτήρια με το οξυγόνο που απαιτείται για αναπνοή είναι δαπανηρή όσον αφορά τις ενεργειακές ανάγκες (δηλ.2 μπορεί να μειωθεί ταχύτερα από ΟΧΙ3-) και εμφανίζεται εκτεταμένα μόνο σε εδάφη με έλλειψη οξυγόνου, δηλαδή σε εδάφη που δεν έχουν επαρκώς αποστραγγιστεί και επομένως δεν αερίζονται επαρκώς.

Μερικές φορές μια υψηλή αναλογία αζώτου στο έδαφος δεν είναι διαθέσιμη στα φυτά. Αυτή η ακινητοποίηση εμφανίζεται όταν υπάρχει περίσσεια άνθρακα. Όταν οι οργανικές ουσίες που είναι πλούσιες σε άνθρακα αλλά είναι άζωτο, το άχυρο αποτελεί καλό παράδειγμα, αν βρίσκονται σε αφθονία στο έδαφος, οι μικροοργανισμοί που προσβάλλουν αυτές τις ουσίες θα χρειαστούν περισσότερο άζωτο από αυτούς που περιέχουν για να αξιοποιήσουν πλήρως τον παρόν άνθρακα. Ως αποτέλεσμα, δεν θα χρησιμοποιούν μόνο το άζωτο που υπάρχει στο άχυρο ή παρόμοιο υλικό, αλλά και όλα τα διαθέσιμα άλατα αζώτου στο έδαφος. Κατά συνέπεια, αυτή η ανισορροπία τείνει να εξομαλυνθεί καθώς ο άνθρακας παρέχεται ως διοξείδιο του άνθρακα με μικροβιακή αναπνοή και καθώς αυξάνεται ο λόγος αζώτου προς άνθρακα στο έδαφος.

Συνεχίζεται μετά τη διαφήμιση

Στερέωση αζώτου

Όπως μπορούμε να διαπιστώσουμε, εάν όλο το άζωτο που απομακρύνεται από το έδαφος δεν ανανεώνεται συνεχώς, η πρακτική ζωή στον πλανήτη θα εξαφανιστεί τελικά. Το άζωτο αναπληρώνεται στο έδαφος από στερέωση αζώτου. Η σταθεροποίηση του αζώτου είναι η διαδικασία με την οποία το αέριο άζωτο στον αέρα ενσωματώνεται σε αζωτούχες οργανικές ενώσεις και έτσι εισάγεται στον κύκλο του αζώτου. Η σταθεροποίηση αυτού του αερίου, που μπορεί να γίνει σε σημαντικό βαθμό μόνο μερικά βακτήρια και μπλε άλγη, είναι μια διαδικασία στην οποία εξαρτώνται όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί, όπως τελικά εξαρτώνται από τη φωτοσύνθεση για λήψη ενέργειας.

Ένα έως δύο εκατομμύρια μετρικούς τόνους αζώτου προστίθενται στην επιφάνεια της γης κάθε χρόνο με βιολογικά συστήματα. Ο άνθρωπος παράγει 28 εκατομμύρια μετρικούς τόνους, οι περισσότεροι από τους οποίους χρησιμοποιούνται ως λιπάσματα. Ωστόσο, η διαδικασία αυτή διεξάγεται με υψηλό ενεργειακό κόστος από πλευράς ορυκτών καυσίμων. Η συνολική ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή λιπασμάτων αμμωνίου εκτιμάται σήμερα ότι ισοδυναμεί με 2 εκατομμύρια βαρέλια πετρελαίου ημερησίως. Πράγματι, εκτιμάται ότι το κόστος της αζωτούχης λίπανσης φθάνει στο σημείο της μείωσης των κερδών. Οι παραδοσιακές καλλιέργειες σε περιοχές όπως η Ινδία δεν επιτυγχάνουν σημαντικά αυξημένες αποδόσεις χρησιμοποιώντας αζωτούχα λιπάσματα αλλά έχουν χαμηλές απαιτήσεις για άζωτο, αλλά τώρα αντικαθίστανται από «θαύματα σιτηρών» και άλλες καλλιέργειες που δεν παράγουν πλέον με αζωτούχο λίπανση. - ακριβώς σε μια εποχή που η θεραπεία αυτή καθίσταται απαγορευτικά δαπανηρή.

Από τις διάφορες κατηγορίες οργανισμών που προσφέρουν άζωτο, τα συμβιωτικά βακτηρίδια είναι μακράν τα πιο σημαντικά όσον αφορά τις συνολικές ποσότητες αζώτου που έχουν καθοριστεί. Τα πιο κοινά βακτήρια που καθορίζουν το άζωτο είναι Rhizobium, που είναι ένας τύπος βακτηρίων που εισβάλλει στις ρίζες των όσπριων (αγγειόσπερμα της οικογένειας Fabaceae ή Leguminosae) όπως το τριφύλλι, το μπιζέλι, τα φασόλια, τα βίκια και το τριφύλλι.

Τα ευεργετικά αποτελέσματα των οσπρίων στο έδαφος είναι τόσο προφανή που αναγνωρίστηκαν πριν από εκατοντάδες χρόνια. Ο Θεόφραστος, ο οποίος έζησε τον 3ο αιώνα π.Χ., έγραψε ότι οι Έλληνες χρησιμοποίησαν φασολιά για να εμπλουτίσουν το έδαφος. Όπου αναπτύσσονται τα όσπρια, μια ορισμένη ποσότητα "επιπλέον" αζώτου μπορεί να απελευθερωθεί στο έδαφος, όπου διατίθεται σε άλλα φυτά. Στη σύγχρονη γεωργία είναι κοινή πρακτική η εναλλαγή μιας μη οσπριακής καλλιέργειας όπως ο αραβόσιτος με ένα όσπριο όπως το μηδική. Τα όσπρια συλλέγονται στη συνέχεια για σανό αφήνοντας τις πλούσιες σε άζωτο ρίζες, ή ακόμα καλύτερα, οργωμένοι πίσω στο πεδίο. Μια καλή καλλιέργεια μηδικής, η οποία μεταφέρεται στο έδαφος, μπορεί να παράσχει 450 κιλά αζώτου ανά εκτάριο. Η εφαρμογή των ιχνοστοιχείων κοβάλτιο και μολυβδαίνιο που απαιτούνται από τα συμβιωτικά βακτήρια αυξάνει σημαντικά την παραγωγή αζώτου εάν τα στοιχεία αυτά υπάρχουν σε περιορισμένες ποσότητες, όπως σε μεγάλο μέρος της Αυστραλίας.

Ελεύθεροι ζωντανοί μικροοργανισμοί που καθορίζουν άζωτο

Μη-συμβιωτικά βακτήρια γενών Azotobacter και Clostridium είναι σε θέση να καθορίσουν το άζωτο. Azotobacter είναι αερόβια, ενώ Clostridium είναι αναερόβια. Και τα δύο είναι κοινά σαπροφυτικά βακτηρίδια που βρίσκονται στο έδαφος. Εκτιμάται ότι πιθανόν να προμηθεύουν περίπου 7 χιλιόγραμμα αζώτου ανά εκτάριο εδάφους ετησίως. Μια άλλη σημαντική ομάδα περιλαμβάνει πολλά φωτοσυνθετικά βακτήρια. Τα ελεύθερα ζώντα μπλε άλγη παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στη σταθεροποίηση του αζώτου. Είναι ζωτικής σημασίας για την καλλιέργεια ρυζιού, η οποία είναι η κύρια διατροφή του περισσότερο από το ήμισυ του παγκόσμιου πληθυσμού. Τα μπλε άλγη μπορούν επίσης να διαδραματίσουν έναν σημαντικό οικολογικό ρόλο στη σταθεροποίηση του αζώτου στους ωκεανούς.

Η διάκριση μεταξύ της σταθεροποίησης του αζώτου από τους ελεύθερους ζώντες και τους συμβιωτικούς οργανισμούς μπορεί να μην είναι τόσο αυστηρή όσο η παραδοσιακή σκέψη. Ορισμένα μικρόβια εμφανίζονται τακτικά στο έδαφος γύρω από τις ρίζες ορισμένων φυτών που καταστρέφουν τα υδατάνθρακες καταναλώνοντας αυτές τις ενώσεις και ταυτόχρονα έμμεσα προσφέροντας άζωτο στα φυτά. Συνδυαστικές συσχετίσεις μεταξύ κανονικά ελεύθερων ζωντανών βακτηριδίων όπως Azotobacter, και τα ανώτερα φυτικά κύτταρα σε καλλιέργειες ιστών προκάλεσαν την ανάπτυξή τους σε τεχνητό μέσο που στερήθηκε από άζωτο.

Επόμενο περιεχόμενο: Πρόγνωση καιρού