The cyklus dusíku je to proces pohybu dusíku mezi atmosférou a biosférou. Je to jeden z nejdůležitějších biogeochemických cyklů. Dusík (N) je prvek velmi důležitý, protože je pro svůj růst vyžadován všemi organismy. Je součástí chemického složení nukleových kyselin (DNA a RNA) a proteinů.
Největší množství dusíku na planetě se nachází v atmosféře. Atmosférický dusík (Ndva) většina živých věcí nemůže použít přímo. Existují bakterie schopné jej zafixovat a zabudovat do půdy nebo vody způsoby, které mohou využít jiné organismy..
Následně je dusík asimilován autotrofními organismy. Většina heterotrofních organismů ji získává prostřednictvím potravy. Poté uvolňují přebytky ve formě moči (savci) nebo exkrementů (ptáci).
V další fázi procesu existují bakterie, které se podílejí na transformaci amoniaku na dusitany a dusičnany, které se začleňují do půdy. A na konci cyklu používá jiná skupina mikroorganismů kyslík dostupný v dusíkatých sloučeninách k dýchání. V tomto procesu uvolňují dusík zpět do atmosféry.
V současné době největší množství dusíku používaného v zemědělství produkují lidé. To mělo za následek nadbytek tohoto prvku v půdách a vodních zdrojích, což způsobilo nerovnováhu v tomto biogeochemickém cyklu..
Rejstřík článků
Za dusík se považuje nukleosyntéza (tvorba nových atomových jader). Hvězdy s velkou hmotou helia dosáhly tlaku a teploty nezbytné pro vznik dusíku.
Když Země vznikla, byl dusík v pevném stavu. Později se při vulkanické činnosti stal tento prvek plynným stavem a byl začleněn do atmosféry planety..
Dusík byl ve formě Ndva. Pravděpodobně chemické formy používané živými věcmi (amoniak NH3) objevily se cykly dusíku mezi mořem a sopkami. Tímto způsobem NH3 bylo by začleněno do atmosféry a spolu s dalšími prvky dalo vzniknout organickým molekulám.
Dusík se vyskytuje v různých chemických formách, což se týká různých oxidačních stavů (ztráta elektronů) tohoto prvku. Tyto různé formy se liší jak svými charakteristikami, tak chováním. Plynný dusík (Ndva) není rezavý.
Oxidované formy se dělí na organické a anorganické. Organické formy se vyskytují hlavně v aminokyselinách a bílkovinách. Anorganickými skupinami jsou amoniak (NH3), amonný iont (NH4), dusitany (čdva) a dusičnany (č3), mezi ostatními.
Dusík byl objeven v roce 1770 třemi vědci nezávisle na sobě (Scheele, Rutherford a Lavosier). V roce 1790 francouzský Chaptal pojmenoval plyn jako dusík.
Ve druhé polovině 19. století bylo zjištěno, že je základní složkou tkání živých organismů a růstu rostlin. Rovněž byla prokázána existence stálého toku mezi organickými a anorganickými formami..
Zdroje dusíku byly původně považovány za blesk a atmosférickou depozici. V roce 1838 určil Boussingault biologickou fixaci tohoto prvku v luštěninách. Poté, v roce 1888, bylo zjištěno, že mikroorganismy spojené s kořeny luštěnin byly odpovědné za fixaci Ndva.
Dalším důležitým objevem byla existence bakterií schopných oxidovat amoniak na dusitany. Stejně jako další skupiny, které přeměňovaly dusitany na dusičnany.
Již v roce 1885 Gayon zjistil, že další skupina mikroorganismů má schopnost transformovat dusičnany na Ndva. Takovým způsobem, aby bylo možné pochopit cyklus dusíku na planetě.
Všechny živé bytosti potřebují pro své životně důležité procesy dusík, ale ne všechny jej používají stejným způsobem. Některé bakterie jsou schopny přímo využívat atmosférický dusík. Jiní používají sloučeniny dusíku jako zdroj kyslíku.
Autotrofní organismy vyžadují přísun ve formě dusičnanů. Na druhou stranu, mnoho heterotrofů jej může používat pouze ve formě aminoskupin, které získávají z potravy.
Největším přirozeným zdrojem dusíku je atmosféra, kde se 78% tohoto prvku nachází v plynné formě (Ndva), s určitými stopami oxidu dusného a oxidu dusnatého.
Sedimentární horniny obsahují přibližně 21%, které se uvolňují velmi pomalu. Zbývající 1% obsahuje organická hmota a oceány ve formě organického dusíku, dusičnanů a amoniaku.
Na cyklu dusíku se podílejí tři typy mikroorganismů. Jedná se o fixační prostředky, nitrifikátory a denitrifikátory.
Kódují komplex dusíkatých enzymů, které se účastní procesu fixace. Většina z těchto mikroorganismů kolonizuje rhizosféru rostlin a vyvíjí se v jejich tkáních..
Nejběžnějším rodem fixujících bakterií je Rhizobium, který je spojen s kořeny luštěnin. Existují i jiné žánry Frankia, Nostoc Y Rozinka které vytvářejí symbiózu s kořeny jiných skupin rostlin.
Sinice ve volné formě mohou fixovat atmosférický dusík ve vodním prostředí
Nitrifikační proces zahrnuje tři typy mikroorganismů. Tyto bakterie jsou schopné oxidovat amoniak nebo amonný iont přítomný v půdě. Jsou to chemolytrofní organismy (schopné oxidovat anorganické materiály jako zdroj energie).
Do procesu postupně zasahují bakterie různých rodů. Nitrosoma a Nitrocystis oxidují NH3 a NH4 na dusitany. Později Nitrobacter Y Nitrosococcus oxidují tuto sloučeninu na dusičnany.
V roce 2015 byla objevena další skupina bakterií, které do tohoto procesu zasahují. Jsou schopné přímo oxidovat amoniak na dusičnany a nacházejí se v rodu Nitrospira. Některé houby jsou také schopné nitrifikovat amoniak.
Bylo navrženo, že více než 50 různých rodů bakterií může redukovat dusičnany na Ndva. K tomu dochází za anaerobních podmínek (nepřítomnost kyslíku).
Nejběžnější denitrifikační rody jsou Alkaligeny, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus Y Thiosphaera. Většina z těchto skupin jsou heterotrofní.
V roce 2006 bakterie (Methylomirabilis oxyfera) který je aerobní. Je methanotropní (získává uhlík a energii z methanu) a je schopen získávat kyslík z denitrifikačního procesu..
Dusíkový cyklus prochází několika fázemi své mobilizace po celé planetě. Jedná se o tyto fáze:
Je to přeměna atmosférického dusíku na formy považované za reaktivní (které mohou být použity živými bytostmi). Rozbití tří vazeb, které molekula N obsahujedva vyžaduje velké množství energie a může nastat dvěma způsoby: abioticky nebo bioticky.
Dusičnany se získávají vysokoenergetickou fixací v atmosféře. Je to z elektrické energie blesku a kosmického záření.
Pakdva kombinuje s kyslíkem za vzniku oxidovaných forem dusíku, jako je NO (oxid dusičitý) a NOdva (oxid dusičitý). Následně jsou tyto sloučeniny přenášeny na zemský povrch deštěm jako kyselina dusičná (HNO3).
Vysokoenergetická fixace obsahuje přibližně 10% dusičnanů přítomných v dusíkovém cyklu.
Provádí se mikroorganismy v půdě. Tyto bakterie jsou obecně spojovány s kořeny rostlin. Roční biotická fixace dusíku se odhaduje na přibližně 200 milionů tun ročně.
Atmosférický dusík se přeměňuje na amoniak. V první fázi reakce se Ndva se redukuje na NH3 (amoniak). V této formě je zabudován do aminokyselin.
Do tohoto procesu je zapojen enzymatický komplex s různými oxidačně-redukčními centry. Tento komplex dusíkaté látky je tvořen reduktázou (poskytuje elektrony) a dusičnanem. Ten používá elektrony ke snížení Ndva do NH3. V procesu se spotřebovává velké množství ATP.
Komplex dusíkaté látky je nevratně inhibován v přítomnosti vysokých koncentrací Odva. V radikálních uzlinách je přítomen protein (leghemoglobin), který udržuje obsah O velmi nízký.dva. Tento protein je produkován interakcí mezi kořeny a bakteriemi.
Rostliny, které nemají symbiotickou asociaci s bakteriemi fixujícími Ndva, berou dusík z půdy. Absorpce tohoto prvku se provádí ve formě dusičnanů kořeny.
Jakmile dusičnany vstoupí do rostliny, část z nich použijí kořenové buňky. Další část distribuuje xylem do celé rostliny.
Pokud má být použit, je dusičnan v cytoplazmě redukován na dusitany. Tento proces je katalyzován enzymem nitrátreduktázou. Dusitany jsou transportovány do chloroplastů a jiných plastidů, kde jsou redukovány na amonný iont (NH4).
Amonný iont ve velkém množství je pro rostlinu toxický. Je tedy rychle zabudován do karbonátových koster za vzniku aminokyselin a dalších molekul..
V případě spotřebitelů se dusík získává krmením přímo z rostlin nebo jiných zvířat.
V tomto procesu se dusíkaté sloučeniny přítomné v půdě degradují na jednodušší chemické formy. Dusík je obsažen v mrtvé organické látce a odpadech, jako je močovina (moč savců) nebo kyselina močová (trus ptáků).
Dusík obsažený v těchto látkách je ve formě komplexních organických sloučenin. Mikroorganismy používají aminokyseliny obsažené v těchto látkách k produkci svých bílkovin. Při tomto procesu uvolňují přebytečný dusík ve formě amoniaku nebo amonného iontu..
Tyto sloučeniny jsou dostupné v půdě pro další mikroorganismy, aby mohly působit v následujících fázích cyklu.
Během této fáze půdní bakterie oxidují amoniak a amonný iont. V procesu se uvolňuje energie, kterou bakterie využívají při svém metabolismu..
V první části jsou nitrosifikující bakterie rodu Nitrosomy oxidují amoniak a amonný iont na dusitany. Enzym amoniak mooxygenáza se nachází v membráně těchto mikroorganismů. Oxiduje NH3 na hydroxylamin, který se potom oxiduje na dusitany v periplazmě bakterií.
Nitrační bakterie následně oxidují dusitany na dusičnany pomocí enzymu nitritoxidoreduktázy. Dusičnany zůstávají dostupné v půdě, kde mohou být rostlinami absorbovány.
V této fázi se oxidované formy dusíku (dusitany a dusičnany) převádějí zpět na dusíkdva a v menší míře oxid dusný.
Proces se provádí pomocí anaerobních bakterií, které při dýchání používají jako akceptory elektronů dusíkaté sloučeniny. Rychlost denitrifikace závisí na několika faktorech, jako je dostupný dusičnan a nasycení půdy a teplota..
Když je půda nasycena vodou, Odva již není snadno dostupný a bakterie používají NE3 jako akceptor elektronů. Když jsou teploty velmi nízké, mikroorganismy nemohou tento proces provést.
Tato fáze je jediným způsobem, jak je dusík odstraněn z ekosystému. Tímto způsobem se Ndva to byl fixní návrat do atmosféry a rovnováha tohoto prvku je udržována.
Tento cyklus má velký biologický význam. Jak jsme vysvětlili dříve, dusík je důležitou součástí živých organismů. Prostřednictvím tohoto procesu se stává biologicky použitelným.
Při vývoji plodin je dostupnost dusíku jedním z hlavních omezení produktivity. Od počátku zemědělství byla půda obohacena o tento prvek.
Pěstování luštěnin za účelem zlepšení kvality půdy je běžnou praxí. Výsev rýže do zatopených půd rovněž podporuje podmínky prostředí nezbytné pro použití dusíku..
V průběhu 19. století se guano (trus ptáků) široce používal jako externí zdroj dusíku v plodinách. Na konci tohoto století však nebylo dostatečné zvýšit produkci potravin.
Německý chemik Fritz Haber vyvinul na konci 19. století proces, který později komercializoval Carlo Bosch. To spočívá v reakci Ndva a plynný vodík za vzniku amoniaku. Je znám jako proces Haber-Bosch.
Tato forma umělé výroby amoniaku je jedním z hlavních zdrojů dusíku, které mohou živé bytosti využívat. Předpokládá se, že 40% světové populace závisí na těchto hnojivech pro své jídlo.
Současná antropická produkce amoniaku je přibližně 85 tun ročně. To má negativní důsledky na dusíkový cyklus..
Kvůli vysokému používání chemických hnojiv dochází ke kontaminaci půdy a zvodnělých vrstev. Předpokládá se, že více než 50% této kontaminace je důsledkem syntézy Haber-Bosch.
Přebytky dusíku vedou k eutrifikaci (obohacení živinami) vodních útvarů. Antropická euutrifikace je velmi rychlá a způsobuje zrychlený růst hlavně řas.
Spotřebovávají hodně kyslíku a mohou hromadit toxiny. Kvůli nedostatku kyslíku ostatní organismy přítomné v ekosystému nakonec umírají.
Kromě toho uvolňování fosilních paliv uvolňuje do atmosféry velké množství oxidu dusného. Ten reaguje s ozonem a tvoří kyselinu dusičnou, která je jednou ze složek kyselého deště..
Zatím žádné komentáře