Разберете азотния цикъл

Сред биогеохимичните цикли азотът е най-широко изследван. Проверете резюме и знайте значението му

Азотен цикъл

Азотът е основен химичен елемент за съществуването на живота на Земята, тъй като е компонент на всички аминокиселини в нашето тяло, в допълнение към азотните основи (които съставляват ДНК и РНК молекулите). Приблизително 78% от въздуха, който дишаме, се състои от азот от атмосферата (N 2), който е най-големият й резервоар. Една от причините за това е, че N 2 е инертната форма на азот, тоест това е газ, който в често срещани ситуации не е реактивен. По този начин той се натрупва в атмосферата от създаването на планетата. Въпреки това, малко живи същества имат способността да го абсорбират в молекулярната му форма (N 2). Оказва се, че азотът, подобно на желязото и сярата, участва в естествен цикъл, по време на който химическата му структура претърпява трансформации във всеки от етапите,служещи като основа за други реакции и по този начин ставайки достъпни за други организми - това е голямото значение на азотния цикъл (или „азотен цикъл“).

За да достигне атмосферният N 2 до почвата, навлизайки в екосистемата, той трябва да премине през процес, наречен фиксация, който се извършва от малки групи нитрифициращи бактерии, които отстраняват азота под формата на N 2 и го включват в своите органични молекули. Когато фиксирането се извършва от живи организми, като бактерии, това се нарича биологично фиксиране или биофиксация. Понастоящем търговските торове могат да се използват и за фиксиране на азот, характеризиращо индустриално фиксиране, метод, широко използван в селското стопанство. В допълнение към тях има и физическа фиксация, която се извършва от мълнии и електрически искри, чрез които азотът се окислява и пренася в почвата чрез дъждове, но такъв метод има намален капацитет за фиксиране на азот,което не е достатъчно за организмите и живота на Земята, за да се поддържат.

Когато бактериите фиксират N 2, те отделят амоняк (NH 3). Амонякът, когато е в контакт с молекулите на почвената вода, образува амониев хидроксид, който, когато се йонизира, произвежда амоний (NH 4), в процес, който е част от азотния цикъл и се нарича амонификация. В природата съществува баланс между амоняк и амоний, който се регулира от рН. В среди, където рН е по-киселинно, преобладава образуването на NH 4, а в по-основните среди най-често срещаният процес е образуването на NH 3. Този амоний има тенденция да се абсорбира и използва главно от растения, които имат бактерии, свързани с корените си (бактериориза). Когато се произвежда от свободно живеещи бактерии, този амоний има тенденция да бъде наличен в почвата, за да бъде използван от други бактерии (нитробактерии).

Нитробактериите са хемосинтезатори, тоест те са автотрофни същества (които произвеждат собствена храна), които премахват енергията, необходима за оцеляването им, от химични реакции. За да получат тази енергия, те са склонни да окисляват амония, превръщайки го в нитрит (NO 2 -), а по-късно и в нитрат (NO 3 -). Този процес на азотния цикъл се нарича нитрификация.

Нитратът остава свободен в почвата и няма тенденция да се натрупва в естествено непокътната среда, което го прави в състояние да поеме по три различни пътя: да бъде погълнат от растенията, да бъде денитрифициран или да достигне до водни басейни. Денитрификацията и потокът на нитрати във водните тела имат отрицателни последици за околната среда.

Въздействия върху околната среда

Денитрификацията (или денитрификацията) е процес, осъществяван от бактерии, наречени денитрификатори, които отново трансформират нитрата в N 2, като извършват връщането на азота в атмосферата. В допълнение към N 2, други газове, които могат да се получат, са азотен оксид (NO), който се комбинира с атмосферен кислород, благоприятстващ образуването на киселинни дъждове, и азотен оксид (N 2 O), който е важен причинителен газ парниковият ефект, който влошава глобалното затопляне.

Третият път, където нитратът достига до водни тела, причинява екологичен проблем, наречен еутрофикация. Този процес се характеризира с увеличаване на концентрацията на хранителни вещества (главно азотни съединения и фосфор) във водите на езеро или язовир. Този излишък от хранителни вещества благоприятства ускореното размножаване на водораслите, което в крайна сметка пречи на преминаването на светлина, дисбалансирайки водната среда. Друг начин за осигуряване на този излишък от хранителни вещества във водна среда е изпускането на отпадъчни води в нея без подходящо третиране.

Друг въпрос, който трябва да бъде разгледан, е фактът, че азотът също може да бъде вреден за растенията, когато присъства в количества, които надхвърлят техните асимилационни възможности. По този начин излишъкът от азот, фиксиран в почвата, може да ограничи растежа на растението, увреждайки културите. По този начин съотношението въглерод / азот също трябва да се има предвид при процесите на компостиране, така че метаболизмът на колониите от микроорганизми, участващи в процеса на разлагане, да бъде винаги активен.

Абсорбция на азот от хората

Хората и другите животни имат достъп до нитрати от поглъщането на растения, които са абсорбирали това вещество, или, според хранителната верига, от поглъщането на други животни, които са се хранили с тези растения. Този нитрат се връща в цикъла след смъртта на някакъв организъм (органично вещество) или чрез екскреция (урея или пикочна киселина, при повечето сухоземни животни и амоняк, в рибните екскрети), който съдържа азотни съединения. По този начин разлагащите се бактерии ще действат върху органичното вещество, отделящо амоняк. Амонякът също може да се трансформира в нитрити и нитрати от същите нитробактерии, които трансформират амония, интегрирайки се с цикъла.

Алтернатива на торовете

Както видяхме, фиксирането на азота в почвата може да доведе до положителни ефекти, но процесът се случва в излишък, може да доведе до негативни последици за околната среда. Намесата на човечеството в азотния цикъл възниква чрез индустриална фиксация (чрез използването на торове), което увеличава концентрацията на азот, която трябва да бъде фиксирана, причинявайки проблеми като тези, споменати по-горе.

Алтернатива за използването на торове ще бъде сеитбообръщение, редуващи се култури на азотни фиксиращи и нефиксиращи растения. Азотфиксиращите растения са тези, които имат бактерии и други фиксиращи организми, свързани с техните корени, както се случва при бобовите растения (като боб и соя). Ротацията ще благоприятства фиксирането на азота в по-безопасни количества от използването на торове, като осигурява хранителни вещества, съвместими с асимилационната способност на растенията, благоприятства тяхното развитие и намалява степента на хранителни вещества, които достигат до водните тела. Подобен процес, наречен „зелен тор“, може да се приложи и за заместване на торове.

Този процес се състои в отглеждане на азотфиксиращи растения и измиване с четка преди да произведат семена, оставяйки ги на място като мулч, така че да могат да се получат по-късни култури от други видове. По-долу можем да видим изображение, което ни носи обобщение на видяното в статията:

азотен цикъл

АНАМОКС

Съкращението на английски (което означава анаеробно окисляване на амоняк) назовава иновативен биологичен процес за отстраняване на амоняк от вода и газове.

Състои се от пряк път, тъй като амонякът не би трябвало да бъде нитрифициран в нитрит и нитрат, за да бъде денитрифициран обратно до формата на N 2. С процеса на ANAMMOX амонякът директно се превръща в азотен газ (N 2). Първата мащабна станция е инсталирана през 2002 г. в Холандия, а през 2012 г. вече има 11 експлоатационни съоръжения.

Ефективен и устойчив, процесът ANAMMOX може да се използва за отстраняване на амоняк от отпадъчни води в концентрации по-големи от 100 mg / l. В реакторите съжителстват нитрифициращи бактерии и ANAMMOX, където първите трансформират около половината от амоняка в нитриди (химични съединения, които имат азот в състава си), а бактериите ANAMMOX действат чрез трансформиране на нитридите и амоняка в азотен газ.

азотен цикъл

Показано е, че анаеробното окисляване на амоняка е обещаващо и вече може да бъде открито в промишлени процеси като пречистване на отпадъчни води, органични твърди отпадъци, хранителна промишленост, торове и др.


Original text