Ciri-ciri kitaran nitrogen, takungan, peringkat, kepentingan

The kitaran nitrogen ia adalah proses pergerakan nitrogen antara atmosfera dan biosfera. Ia adalah salah satu kitaran biogeokimia yang paling relevan. Nitrogen (N) adalah unsur yang sangat penting, kerana ia diperlukan oleh semua organisma untuk pertumbuhannya. Ia adalah sebahagian daripada komposisi kimia asid nukleik (DNA dan RNA) dan protein.

Jumlah terbesar nitrogen di planet ini adalah di atmosfera. Nitrogen atmosfera (N₂) tidak boleh digunakan secara langsung oleh kebanyakan makhluk hidup. Terdapat bakteria yang dapat membaikinya dan memasukkannya ke dalam tanah atau air dengan cara yang boleh digunakan oleh organisma lain.

Selanjutnya, nitrogen diasimilasikan oleh organisma autotrophik. Kebanyakan organisma heterotrophik memperolehnya dengan memberi makan. Kemudian mereka mengeluarkan kelebihan dalam bentuk air kencing (mamalia) atau najis (burung).

Dalam fasa lain proses terdapat bakteria yang terlibat dalam transformasi amonia menjadi nitrit dan nitrat yang dimasukkan ke dalam tanah. Dan pada akhir kitaran, satu lagi kumpulan mikroorganisma menggunakan oksigen yang terdapat dalam sebatian nitrogen dalam pernafasan. Dalam proses ini, mereka melepaskan nitrogen kembali ke atmosfera.

Pada masa ini, jumlah terbesar nitrogen yang digunakan dalam pertanian dihasilkan oleh manusia. Ini telah menyebabkan lebihan elemen ini dalam tanah dan sumber air, menyebabkan ketidakseimbangan dalam kitaran biogeokimia ini.

Indeks

• 1 Ciri umum
  • 1.1 Asal
  • 1.2 Borang kimia 
  • 1.3 Sejarah
  • 1.4 Keperluan untuk organisma
• 2 Komponen
  • 2.1-Reservoirs
  • 2.2-Mikroorganisma yang mengambil bahagian
• 3 Peringkat
  • 3.1 Penangkapan
  • 3.2 Asimilasi
  • 3.3 Amonifikasi
  • 3.4 Nitrifikasi
  • 3.5 Denitrification
• 4 Kepentingan
• 5 Perubahan kitaran nitrogen
• 6 Rujukan

Ciri umum

Asal

Ia dianggap sebagai nitrogen yang berasal dari nukleosintesis (penciptaan nukleus atom baru). Bintang dengan helium besar mencapai tekanan dan suhu yang diperlukan untuk membentuk nitrogen.

Apabila Bumi berasal, nitrogen berada dalam keadaan pepejal. Kemudian, dengan aktiviti gunung berapi elemen ini masuk ke dalam keadaan gas dan dimasukkan ke dalam atmosfera bumi.

Nitrogen adalah dalam bentuk N₂. Mungkin bentuk kimia yang digunakan oleh makhluk hidup (ammonia NH₃) muncul oleh kitaran nitrogen antara laut dan gunung berapi. Dengan cara ini, NH₃ akan dimasukkan ke dalam atmosfera dan bersama-sama dengan unsur lain menimbulkan molekul organik.

Borang kimia

Nitrogen berlaku dalam pelbagai bentuk kimia, merujuk kepada keadaan pengoksidaan yang berlainan (kehilangan elektron) unsur ini. Bentuk-bentuk yang berbeza ini berbeza-beza mengikut ciri-ciri dan kelakuan mereka. Gas nitrogen (N₂) tidak berkarat.

Borang teroksidasi diklasifikasikan sebagai organik dan bukan organik. Bentuk organik hadir dalam asid amino dan protein terutamanya. Negeri-negeri bukan organik adalah ammonia (NH₃), ion ammonium (NH₄), nitrit (NO₂) dan nitrat (NO₃), antara lain.

Sejarah

Nitrogen ditemui pada 1770 oleh tiga saintis secara bebas (Scheele, Rutherford dan Lavosier). Pada tahun 1790, Chaptal Perancis menamakan gas sebagai nitrogen.

Pada separuh kedua abad kesembilan belas, ia didapati sebagai komponen penting dalam tisu-tisu organisma hidup dan pertumbuhan tumbuhan. Begitu juga dengan adanya aliran berterusan antara bentuk organik dan bukan organik dibuktikan.

Pada mulanya dianggap bahawa sumber nitrogen adalah petir dan pemendapan atmosfera. Pada tahun 1838, Boussingault menentukan penetapan biologi unsur ini dalam kekacang. Kemudian, pada tahun 1888, didapati bahawa mikroorganisma yang dikaitkan dengan akar kekacang bertanggungjawab untuk menetapkan N₂.

Satu lagi penemuan penting ialah adanya bakteria yang mampu mengoksida ammonia menjadi nitrit. Serta kumpulan lain yang mengubah nitrit menjadi nitrat.

Seawal tahun 1885, Gayon memutuskan bahawa kumpulan mikroorganisma yang lain mempunyai keupayaan untuk mengubah nitrat ke N₂. Dengan sedemikian rupa, kitaran nitrogen di planet ini dapat difahami.

Keperluan organisma

Semua makhluk hidup memerlukan nitrogen untuk proses penting mereka, tetapi tidak semua menggunakannya dengan cara yang sama. Sesetengah bakteria dapat menggunakan secara langsung nitrogen atmosfera. Lain-lain menggunakan sebatian nitrogen sebagai sumber oksigen.

Organisme autotrophik memerlukan bekalan dalam bentuk nitrat. Bagi mereka, banyak heterotroph hanya boleh menggunakannya dalam bentuk kumpulan amino yang mereka dapat dari makanan mereka.

Komponen

-Takungan

Sumber asli nitrogen adalah atmosfera, di mana 78% daripada elemen ini terdapat dalam bentuk gas (N₂), dengan beberapa kesan nitrous oksida dan nitrogen monoksida.

Batu-batu sedimen mengandungi kira-kira 21% yang dilepaskan dengan perlahan. Baki 1% terkandung dalam bahan organik dan lautan dalam bentuk nitrogen organik, nitrat dan ammonia.

-Mikroorganisma yang mengambil bahagian

Terdapat tiga jenis mikroorganisma yang mengambil bahagian dalam kitaran nitrogen. Ini adalah pembetulan, nitrifiers dan denitrifiers.

Bakteria N-membetulkan₂

Mereka kod untuk kompleks enzim nitrogenase yang terlibat dalam proses penetapan. Kebanyakan mikroorganisma ini menjajah tanaman rhizosphere dan berkembang di dalam tisu mereka.

Jenis bakteria yang paling biasa ialah Rhizobium, yang dikaitkan dengan akar kekacang. Terdapat genre lain seperti Frankia, Nostoc dan Pasasponia yang melakukan simbiosis dengan akar kumpulan tumbuhan lain.

Cyanobacteria dalam bentuk bebas, boleh memperbaiki nitrogen atmosfera dalam persekitaran akuatik

Bakteria Nitrifying

Terdapat tiga jenis mikroorganisma yang terlibat dalam proses nitrifikasi. Bakteria ini mampu mengoksidasi ammonia atau ion amonium yang ada di dalam tanah. Mereka adalah organisma chemolithotrophic (mampu mengoksidakan bahan bukan organik sebagai sumber tenaga).

Bakteria genera yang berbeza campur tangan secara berurutan dalam proses. Nitrosoma dan Nitrocystis mengoksida NH3 dan NH4 ke nitrit. Kemudian Nitrobacter dan Nitrosococcus mengoksidakan sebatian ini kepada nitrat.

Pada 2015 satu lagi kumpulan bakteria yang terlibat dalam proses ini telah ditemui. Mereka mampu mengoksida ammonia secara langsung ke nitrat dan terletak dalam genus Nitrospira. Sesetengah kulat juga mampu meniup ammonia.

Bakteria yang merosakkan

Telah menegaskan bahawa lebih daripada 50 genus bakteria yang berbeza boleh mengurangkan nitrat kepada N₂. Ini berlaku di bawah keadaan anaerobik (ketiadaan oksigen).

Generasi denitrifying yang paling biasa adalah Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus dan Thiosphaera. Majoriti kumpulan ini adalah heterotrophik.

Pada tahun 2006 bakteria telah ditemui (Methylomirabilis oxyfera) yang aerobik. Ia adalah methanotrophic (memperoleh karbon dan tenaga metana) dan dapat memperoleh oksigen dari proses denitrifikasi.

Tahap

Kitaran nitrogen melalui beberapa peringkat dalam penggeraknya di seluruh planet ini. Fasa-fasa ini adalah:

Penekanan

Ia adalah penukaran nitrogen atmosfera kepada bentuk yang dianggap reaktif (yang boleh digunakan oleh makhluk hidup). Pemecahan ketiga-tiga bon yang mengandungi molekul N₂ Ia memerlukan sejumlah besar tenaga dan boleh berlaku dalam dua cara: abiotik atau biotik.

Fiksasi abiotik

Nitrat diperolehi dengan penetapan tenaga yang tinggi di atmosfera. Ia datang dari tenaga elektrik kilat dan radiasi kosmik.

N₂ ia digabungkan dengan oksigen yang berasal dari bentuk teroksida nitrogen seperti NO (nitrogen dioksida) dan NO₂ (nitrous oxide). Selanjutnya, sebatian ini dibawa ke permukaan bumi dengan hujan sebagai asid nitrik (HNO₃).

Penetapan tenaga yang tinggi menggabungkan kira-kira 10% daripada nitrat yang terdapat dalam kitaran nitrogen.

Penetapan biotik

Ia dijalankan oleh mikroorganisma tanah. Secara umumnya bakteria ini dikaitkan dengan akar tumbuh-tumbuhan. Dianggarkan bahawa penebalan biotik tahunan nitrogen adalah kira-kira 200 juta tan setahun.

Nitrogen atmosfera diubah menjadi ammonium. Dalam fasa pertama tindak balas, N₂ dikurangkan ke NH₃ (ammonia). Dengan cara ini ia dimasukkan ke dalam asid amino.

Dalam proses ini, kompleks enzimatik dengan pelbagai pusat pengurangan oksida terlibat. Kompleks nitrogenase ini terdiri daripada reduktase (menyediakan elektron) dan nitrogenase. Yang kedua menggunakan elektron untuk mengurangkan N₂ kepada NH₃. Dalam proses ini, sejumlah besar ATP digunakan.

Kompleks nitrogenase tidak dapat dipulihkan lagi dengan adanya kepekatan tinggi O₂. Dalam nodul radikal protein (leghemoglobin) hadir yang memastikan kandungan O sangat rendah₂. Protein ini dihasilkan oleh interaksi antara akar dan bakteria.

Asimilasi

Tumbuhan yang tidak mempunyai persatuan simbiotik dengan bakteria N-penetapan₂, mereka mengambil nitrogen dari tanah. Penyerapan unsur ini dilakukan dalam bentuk nitrat melalui akar.

Sebaik sahaja nitrat memasuki tumbuhan, satu bahagian digunakan oleh sel-sel akar. Bahagian lain diedarkan oleh xylem ke seluruh loji.

Apabila ia akan digunakan, nitrat dikurangkan menjadi nitrit dalam sitoplasma. Proses ini dipangkin oleh reduktase enzim nitrat. Nitrite diangkut ke kloroplas dan plastid lain, di mana ia dikurangkan menjadi ion amonium (NH₄).

Ion amonium dalam kuantiti yang banyak adalah toksik kepada tumbuhan. Jadi ia cepat dimasukkan ke dalam rangka karbonat untuk membentuk asid amino dan molekul lain.

Dalam kes pengguna, nitrogen diperoleh dengan memberi makan secara langsung dari tumbuh-tumbuhan atau haiwan lain.

Amonifikasi

Dalam proses ini, sebatian nitrogen yang terdapat di dalam tanah adalah terdegradasi kepada bentuk kimia yang lebih mudah. Nitrogen terkandung dalam bahan organik dan buangan yang mati seperti urea (air kencing dari mamalia) atau asid urik (kotoran dari burung).

Nitrogen yang terkandung di dalam bahan ini adalah dalam bentuk sebatian organik kompleks. Mikroorganisma menggunakan asid amino yang terkandung dalam bahan-bahan ini untuk menghasilkan protein mereka. Dalam proses ini, mereka mengeluarkan nitrogen berlebihan dalam bentuk ammonia atau ammonium ion.

Sebatian ini terdapat di dalam tanah untuk mikroorganisma lain untuk bertindak dalam fasa-fasa kitaran berikut.

Nitrifikasi

Semasa bakteria tanah fasa ini mengoksidasi ammonia dan ammonium ion. Dalam proses ini, tenaga dilepaskan yang digunakan oleh bakteria dalam metabolisme mereka.

Pada bahagian pertama, bakteria nitrosifikasi genus Nitrosom mengoksidasi ammonia dan ion amonium ke dalam nitrit. Dalam membran mikroorganisma ini ialah enzim ammonia mooxigenasa. Ini mengoksidakan NH₃ untuk hydroxylamine, yang kemudiannya teroksidasi kepada nitrit dalam periplasma bakteria.

Selanjutnya, bakteria nitrating mengoksidasi nitrit ke nitrat menggunakan oksidoreductase enzim nitrit. Nitrat boleh didapati di dalam tanah, di mana ia boleh diserap oleh tumbuh-tumbuhan.

Denitrifikasi

Di peringkat ini, bentuk teroksida nitrogen (nitrit dan nitrat) ditukar kembali ke N₂ dan pada tahap yang lebih rendah nitrous oksida.

Proses ini dilakukan oleh bakteria anaerobik, yang menggunakan sebatian nitrogen sebagai penerima elektron semasa pernafasan. Kadar denitrifikasi bergantung kepada beberapa faktor, seperti nitrat yang tersedia dan tepu dan suhu tanah.

Apabila tanah tepu dengan air, maka O₂ ia tidak boleh didapati dan bakteria menggunakan NO₃ sebagai penerima elektron. Apabila suhu sangat rendah, mikroorganisma tidak dapat menjalankan prosesnya.

Fasa ini adalah satu-satunya cara nitrogen dikeluarkan dari ekosistem. Dengan cara ini, N₂ yang tetap pulangan ke atmosfera dan baki unsur ini dikekalkan.

Kepentingan

Kitaran ini mempunyai kaitan biologi yang hebat. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, nitrogen merupakan bahagian penting dalam organisma hidup. Melalui proses ini ia dapat digunakan secara biologi.

Dalam perkembangan tanaman, ketersediaan nitrogen merupakan salah satu kekangan utama ke atas produktiviti. Sejak permulaan pertanian, tanah telah diperkaya dengan unsur ini.

Penanaman kekacang untuk meningkatkan kualiti tanah adalah amalan biasa. Begitu juga, penanaman padi dalam tanah yang dibanjiri menggalakkan keadaan persekitaran yang diperlukan untuk penggunaan nitrogen.

Pada abad ke-19, guano (burung ekskreta) digunakan secara meluas sebagai sumber luar nitrogen dalam tanaman. Walau bagaimanapun, menjelang akhir abad ini tidak mencukupi untuk meningkatkan pengeluaran makanan.

Ahli kimia Jerman Fritz Haber, pada penghujung abad ke-19, mengembangkan satu proses yang kemudian dipasarkan oleh Carlo Bosch. Ini melibatkan membuat N bertindak balas₂ dan hidrogen gas untuk membentuk ammonia. Ia dikenali sebagai proses Haber-Bosch.

Bentuk ammonia buatan ini merupakan salah satu sumber nitrogen yang boleh digunakan oleh makhluk hidup. Adalah dianggap bahawa 40% penduduk dunia bergantung kepada baja ini untuk makanan mereka.

Perubahan kitaran nitrogen

Pengeluaran ammonia antropogenik semasa adalah kira-kira 85 tan setahun. Ini membawa kesan negatif dalam kitaran nitrogen.

Oleh kerana penggunaan baja kimia yang tinggi, terdapat pencemaran tanah dan akuifer. Adalah dianggap bahawa lebih daripada 50% pencemaran ini adalah akibat daripada sintesis Haber-Bosch.

Keterlaluan nitrogen menyebabkan eutrofikasi (pengayaan dengan nutrien) badan-badan air. Penyusutan antropogenik sangat pesat dan menyebabkan pertumbuhan dipercepat terutamanya daripada alga.

Ini mengambil sejumlah besar oksigen dan boleh mengumpul toksin. Oleh kerana kekurangan oksigen, organisma lain yang hadir di ekosistem akhirnya mati.

Di samping itu, penggunaan bahan api fosil mengeluarkan sejumlah besar nitrous oksida ke atmosfera. Ini bereaksi dengan ozon dan membentuk asid nitrik, yang merupakan salah satu komponen hujan asid.

Rujukan

1. Cerón L dan A Aristizábal (2012) Dinamik kitaran nitrogen dan fosforus dalam tanah. Rev. Colomb. Biotechnol 14: 285-295.
2. Estupiñan R dan B Quesada (2010) proses Haber-Bosch dalam masyarakat agroindustri: bahaya dan alternatif. The Agroalimentary System: commodification, perjuangan dan rintangan. ILSA Editorial. Bogotá, Colombia 75-95
3. Galloway JN (2003) Kitaran nitrogen global. Dalam: Schelesinger W (ed.) Treatise on Geochemistry. Elsevier, Amerika Syarikat. p 557-583.
4. Galloway JN (2005) Kitaran nitrogen global: masa lalu, sekarang dan masa depan. Sains di China Ser C Sains Hayat 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Litar nitrogen yang disebabkan oleh aktiviti manusia. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L and M Klotz (2016) Kitaran nitrogen. Biologi semasa 26: 83-101.