Spośród cykli biogeochemicznych najszerzej badanym jest azot. Sprawdź podsumowanie i poznaj jego znaczenie
Azot jest niezbędnym pierwiastkiem chemicznym do istnienia życia na Ziemi, ponieważ jest składnikiem wszystkich aminokwasów w naszym organizmie, oprócz zasad azotowych (które stanowią cząsteczki DNA i RNA). Około 78% powietrza, którym oddychamy, składa się z azotu z atmosfery (N 2), który jest jego największym zbiornikiem. Jednym z powodów tego jest fakt, że N 2 jest obojętną formą azotu, to znaczy jest gazem, który w typowych sytuacjach nie jest reaktywny. W ten sposób gromadzi się w atmosferze od czasu powstania planety. Mimo to niewiele żywych istot ma zdolność wchłaniania jej w postaci molekularnej (N 2). Okazuje się, że azot, podobnie jak żelazo i siarka, uczestniczy w naturalnym cyklu, podczas którego jego struktura chemiczna ulega przemianom na każdym z etapów,służąc jako podstawa dla innych reakcji i tym samym stają się dostępne dla innych organizmów - na tym polega ogromne znaczenie cyklu azotowego (lub „cyklu azotowego”).
Aby atmosferyczny N 2 dotarł do gleby i dostał się do ekosystemu, musi przejść przez proces zwany utrwalaniem, który jest przeprowadzany przez małe grupy bakterii nitryfikacyjnych, które usuwają azot w postaci N 2 i włączają go do swoich cząsteczek organicznych. Kiedy utrwalanie jest wykonywane przez żywe organizmy, takie jak bakterie, nazywane jest utrwalaniem biologicznym lub biofiksacją. Obecnie komercyjne nawozy mogą być również stosowane do wiązania azotu, co charakteryzuje wiązanie przemysłowe, metodę szeroko stosowaną w rolnictwie. Oprócz tego występuje również fiksacja fizyczna, która odbywa się za pomocą piorunów i iskier elektrycznych, przez które azot jest utleniany i przenoszony do gleby przez deszcze, ale taka metoda ma zmniejszoną zdolność wiązania azotu,co nie wystarczy, aby organizmy i życie na Ziemi mogły się utrzymać.
Gdy bakterie wiążą N 2, uwalniają amoniak (NH 3). Amoniak w kontakcie z cząsteczkami wody glebowej tworzy wodorotlenek amonu, który po jonizacji wytwarza amon (NH 4) w procesie będącym częścią cyklu azotowego i nazywanym amonifikacją. W naturze istnieje równowaga między amoniakiem a amonem, która jest regulowana przez pH. W środowiskach, w których pH jest bardziej kwaśne, dominuje tworzenie się NH 4, aw bardziej zasadowych środowiskach najczęstszym procesem jest tworzenie się NH 3. Amoniak ten jest zwykle wchłaniany i wykorzystywany głównie przez rośliny, których korzenie mają bakterie (bakteriorriza). Amoniak wytwarzany przez wolno żyjące bakterie jest zwykle dostępny w glebie do wykorzystania przez inne bakterie (nitrobakterie).
Nitrobakterie to chemosyntezatory, czyli istoty autotroficzne (wytwarzające własne pożywienie), które z reakcji chemicznych pobierają energię niezbędną do ich przetrwania. Aby uzyskać tę energię, mają tendencję do utleniania amonu, przekształcając go w azotyn (NO 2 -), a później w azotan (NO 3 -). Ten proces obiegu azotu nazywa się nitryfikacją.
Azotany pozostają wolne w glebie i nie mają tendencji do gromadzenia się w naturalnie nienaruszonym środowisku, dzięki czemu mogą obierać trzy różne ścieżki: wchłanianie przez rośliny, denitryfikacja lub dotarcie do zbiorników wodnych. Zarówno denitryfikacja, jak i dopływ azotanów do zbiorników wodnych mają negatywne skutki dla środowiska.
Wpływ na środowisko
Denitryfikacja (lub denitryfikacja) to proces przeprowadzany przez bakterie zwane denitryfikatorami, które ponownie przekształcają azotan w N 2, powodując powrót azotu do atmosfery. Oprócz N 2, inne gazy, które mogą być wytwarzane, to tlenek azotu (NO), który łączy się z tlenem atmosferycznym, sprzyjając tworzeniu się kwaśnych deszczy, oraz podtlenek azotu (N 2 O), który jest ważnym gazem sprawczym. efekt cieplarniany, który pogłębia globalne ocieplenie.
Trzecia ścieżka, przez którą azotan dociera do zbiorników wodnych, powoduje problem środowiskowy zwany eutrofizacją. Proces ten charakteryzuje się wzrostem stężenia składników pokarmowych (głównie związków azotu i fosforu) w wodach jeziora lub tamy. Ten nadmiar składników odżywczych sprzyja przyspieszonemu rozmnażaniu się glonów, co w efekcie utrudnia przepływ światła, zaburzając równowagę środowiska wodnego. Innym sposobem na zapewnienie tego nadmiaru składników odżywczych w środowisku wodnym jest uwalnianie do niego ścieków bez odpowiedniego oczyszczania.
Kolejną kwestią do rozważenia jest fakt, że azot może być również szkodliwy dla roślin, jeśli występuje w ilościach przekraczających ich zdolności asymilacyjne. Zatem nadmiar azotu związanego w glebie może ograniczać wzrost rośliny, szkodząc uprawom. Dlatego też w procesach kompostowania należy brać pod uwagę również stosunek węgla do azotu, tak aby metabolizm kolonii mikroorganizmów biorących udział w procesie rozkładu był zawsze aktywny.
Absorpcja azotu przez ludzi
Ludzie i inne zwierzęta mają dostęp do azotanu z jedzenia roślin, które wchłonęły tę substancję lub, zgodnie z łańcuchem pokarmowym, z jedzenia innych zwierząt, które żywią się tymi roślinami. Azotan ten powraca do cyklu po śmierci jakiegoś organizmu (materii organicznej) lub po wydaleniu (mocznik lub kwas moczowy, u większości zwierząt lądowych i amoniak w odchodach ryb), który zawiera związki azotu. W ten sposób rozkładające się bakterie będą oddziaływać na materię organiczną, uwalniając amoniak. Amoniak może być również przekształcony w azotyny i azotany przez te same nitrobakterie, które przekształcają amon, integrując się z cyklem.
Alternatywa dla nawozów
Jak widzieliśmy, wiązanie azotu w glebie może mieć pozytywne skutki, ale proces ten zachodzi w nadmiarze, może generować negatywne konsekwencje dla środowiska. Ingerencja ludzkości w cykl azotowy wynika z wiązania przemysłowego (poprzez stosowanie nawozów), które zwiększa stężenie wiązanego azotu, powodując problemy takie jak te wymienione powyżej.
Alternatywą dla stosowania nawozów byłby płodozmian, naprzemienne uprawy roślin wiążących azot i roślin nie wiążących. Rośliny wiążące azot to te, które mają bakterie i inne organizmy wiążące związane z ich korzeniami, tak jak ma to miejsce w roślinach strączkowych (takich jak fasola i soja). Rotacja sprzyjałaby wiązaniu azotu w bezpieczniejszych ilościach niż stosowanie nawozów, dostarczając składników pokarmowych zgodnych z zdolnościami asymilacyjnymi roślin, sprzyjając ich rozwojowi i zmniejszając dawki składników odżywczych docierających do zbiorników wodnych. Podobny proces zwany „zielonym nawozem” można również zastosować do zastąpienia nawozów.
Proces ten polega na uprawie roślin wiążących azot i szczotkowaniu ich przed wytworzeniem nasion, pozostawiając je na miejscu jako ściółkę, tak aby można było później hodować inne gatunki. Poniżej możemy zobaczyć obrazek, który przedstawia podsumowanie tego, co było widoczne w całym artykule:
ANAMMOX
Akronim w języku angielskim (oznaczający beztlenowe utlenianie amoniaku) określa innowacyjny biologiczny proces usuwania amoniaku z wody i gazów.
Składa się na skróty, ponieważ amoniak nie musiałby być nitryfikowany do azotynów i azotanów, aby zostać denitryfikowany z powrotem do postaci N 2. W procesie ANAMMOX amoniak zostałby bezpośrednio przekształcony w gaz azotowy (N 2). Pierwsza wielkoskalowa stacja została zainstalowana w 2002 roku w Holandii, aw 2012 roku działało już 11 obiektów.
Wydajny i trwały proces ANAMMOX może być stosowany do usuwania amoniaku ze ścieków w stężeniach powyżej 100 mg / l. W reaktorach współistnieją bakterie nitryfikacyjne i ANAMMOX, przy czym te pierwsze przekształcają około połowy amoniaku w azotki (związki chemiczne zawierające azot), a bakterie ANAMMOX działają poprzez przemianę azotków i amoniaku w azot.
Okazało się, że beztlenowe utlenianie amoniaku jest obiecujące i można je już znaleźć w procesach przemysłowych, takich jak oczyszczanie ścieków, organiczne odpady stałe, przemysł spożywczy i nawozy.
