De kvävecykel det är processen för kväveförflyttning mellan atmosfären och biosfären. Det är en av de mest relevanta biogeokemiska cyklerna. Kväve (N) är ett element av stor betydelse, eftersom det krävs av alla organismer för deras tillväxt. Det är en del av den kemiska sammansättningen av nukleinsyror (DNA och RNA) och proteiner.
Den största mängden kväve på planeten finns i atmosfären. Atmosfäriskt kväve (Ntvå) kan inte användas direkt av de flesta levande saker. Det finns bakterier som kan fixa det och införliva det i jord eller vatten på sätt som kan användas av andra organismer..
Därefter assimileras kväve av autotrofa organismer. De flesta heterotrofa organismer förvärvar det genom mat. Sedan släpper de överflödet i form av urin (däggdjur) eller avföring (fåglar).
I en annan fas av processen finns det bakterier som deltar i omvandlingen av ammoniak till nitriter och nitrater som införlivas i jorden. Och i slutet av cykeln använder en annan grupp mikroorganismer det syre som finns i kväveföreningar i andningen. I denna process släpper de kväve tillbaka till atmosfären.
För närvarande produceras den största mängden kväve som används i jordbruket av människor. Detta har resulterat i ett överskott av detta element i jord och vattenkällor, vilket orsakar en obalans i denna biogeokemiska cykel..
Artikelindex
Kväve anses ha sitt ursprung i nukleosyntes (skapande av nya atomkärnor). Stjärnor med stora massor av helium nådde det tryck och den temperatur som krävs för att kväve ska bildas.
När jorden uppstod var kvävet i ett fast tillstånd. Senare, med vulkanisk aktivitet, blev detta element ett gasformigt tillstånd och införlivades i planetens atmosfär..
Kväve var i form av Ntvå. Förmodligen de kemiska former som används av levande saker (ammoniak NH3) dök upp genom kvävecykler mellan havet och vulkanerna. På detta sätt NH3 det skulle ha införlivats i atmosfären och tillsammans med andra element gett upphov till organiska molekyler.
Kväve förekommer i olika kemiska former, med hänvisning till olika oxidationstillstånd (förlust av elektroner) för detta element. Dessa olika former varierar både vad gäller egenskaper och beteende. Kvävegas (Ntvå) är inte rostig.
Oxiderade former klassificeras i organiska och oorganiska. De organiska formerna förekommer främst i aminosyror och proteiner. De oorganiska tillstånden är ammoniak (NH3ammoniumjonen (NH4), nitriter (NOtvå) och nitrater (NO3), bland andra.
Kväve upptäcktes 1770 av tre forskare oberoende (Scheele, Rutherford och Lavosier). År 1790 utsåg franska Chaptal gasen som kväve.
Under andra hälften av 1800-talet befanns det vara en väsentlig komponent i vävnaderna hos levande organismer och i växten av växter. På samma sätt bevisades förekomsten av ett konstant flöde mellan organiska och oorganiska former..
Kvävekällor ansågs ursprungligen vara blixtnedslag och atmosfärisk nedfall. År 1838 bestämde Boussingault den biologiska fixeringen av detta element i baljväxter. År 1888 upptäcktes det att de mikroorganismer som är associerade med baljväxternas rötter var ansvariga för fixeringen av Ntvå.
En annan viktig upptäckt var förekomsten av bakterier som kunde oxidera ammoniak till nitrit. Liksom andra grupper som omvandlade nitriter till nitrater.
Redan 1885 bestämde Gayon att en annan grupp mikroorganismer hade förmågan att transformera nitrater till Ntvå. På ett sådant sätt att kvävecykeln på planeten kunde förstås.
Alla levande saker kräver kväve för sina vitala processer, men inte alla använder det på samma sätt. Vissa bakterier kan använda atmosfäriskt kväve direkt. Andra använder kväveföreningar som en källa till syre.
Autotrofa organismer kräver en tillförsel i form av nitrater. Å andra sidan kan många heterotrofer endast använda den i form av aminogrupper som de får från maten.
Den största naturliga kvävekällan är atmosfären, där 78% av detta element finns i gasform (Ntvå), med några spår av dikväveoxid och kväveoxid.
Sedimentära bergarter innehåller cirka 21% som frigörs mycket långsamt. Resterande 1% finns i organiskt material och haven i form av organiskt kväve, nitrater och ammoniak.
Det finns tre typer av mikroorganismer som deltar i kvävecykeln. Dessa är fixeringsmedel, nitrifierare och denitrifierare.
De kodar för ett komplex av kvävegenzymer som är involverade i fixeringsprocessen. De flesta av dessa mikroorganismer koloniserar växternas rhizosfär och utvecklas i deras vävnader..
Det vanligaste släktet att fixera bakterier är Rhizobium, som är associerad med baljväxterötter. Det finns andra genrer som Frankia, Nostoc Y Russin som skapar symbios med rötter från andra grupper av växter.
Cyanobakterier i fri form kan fixera atmosfäriskt kväve i vattenmiljöer
Det finns tre typer av mikroorganismer involverade i nitrifikationsprocessen. Dessa bakterier kan oxidera ammoniak eller ammoniumjon som finns i jorden. De är kemolyttrofiska organismer (som kan oxidera oorganiska material som energikälla).
Bakterier av olika släktingar griper in i processen sekventiellt. Nitrosoma och Nitrocystis de oxiderar NH3 och NH4 till nitriter. Senare Nitrobacter Y Nitrosococcus oxidera denna förening till nitrater.
År 2015 upptäcktes en annan grupp bakterier som ingriper i denna process. De kan oxidera ammoniak direkt till nitrater och ligger i släktet Nitrospira. Vissa svampar kan också nitrifiera ammoniak.
Det har föreslagits att mer än 50 olika bakterieslag kan reducera nitrater till Ntvå. Detta sker under anaeroba förhållanden (frånvaro av syre).
De vanligaste denitrifierande släktena är Alcaligenes, Parakock, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus Y Thiosphaera. De flesta av dessa grupper är heterotrofer.
År 2006 en bakterie (Methylomirabilis oxyfera) som är aerob. Det är metanotroft (det erhåller kol och energi från metan) och kan få syre från denitrifikationsprocessen..
Kvävecykeln går igenom flera steg i sin mobilisering över hela planeten. Dessa faser är:
Det är omvandlingen av atmosfäriskt kväve till former som anses vara reaktiva (som kan användas av levande varelser). Brytningen av de tre bindningarna som N-molekylen innehållertvå kräver en stor mängd energi och kan förekomma på två sätt: abiotisk eller biotisk.
Nitrater erhålls genom fixering med hög energi i atmosfären. Det kommer från blixtens elektriska energi och kosmisk strålning.
Ntvå kombinerar med syre för att bilda oxiderade former av kväve såsom NO (kvävedioxid) och NOtvå (dikväveoxid). Därefter transporteras dessa föreningar till jordytan av regn som salpetersyra (HNO)3).
Högenergifixering innehåller cirka 10% av de nitrater som finns i kvävecykeln.
Det utförs av mikroorganismer i jorden. Dessa bakterier är vanligtvis förknippade med växternas rötter. Den årliga biotiska kvävefixeringen uppskattas till cirka 200 miljoner ton per år.
Atmosfäriskt kväve omvandlas till ammoniak. I en första reaktionsfas, Ntvå reduceras till NH3 (ammoniak). I denna form införlivas den i aminosyror.
I denna process är ett enzymatiskt komplex med olika oxidationsreduktionscentra involverat. Detta kvävekomplex består av ett reduktas (tillhandahåller elektroner) och ett kvävgas. Den senare använder elektroner för att reducera Ntvå till NH3. En stor mängd ATP förbrukas i processen.
Kväve-naskomplexet inhiberas irreversibelt i närvaro av höga koncentrationer av Otvå. I radikala knölar finns ett protein (leghemoglobin) som håller O-halten mycket låg.två. Detta protein produceras genom växelverkan mellan rötterna och bakterierna.
Växter som inte har ett symbiotiskt samband med N-fixerande bakteriertvå, de tar kväve från jorden. Absorptionen av detta element utförs i form av nitrater genom rötterna.
När nitrater kommer in i växten används en del av det av rotcellerna. En annan del distribueras av xylem till hela anläggningen.
När det ska användas reduceras nitrat till nitrit i cytoplasman. Denna process katalyseras av enzymet nitratreduktas. Nitriter transporteras till kloroplaster och andra plastider, där de reduceras till ammoniumjonen (NH4).
Ammoniumjon i stora mängder är giftigt för växten. Så det införlivas snabbt i karbonatskelett för att bilda aminosyror och andra molekyler..
För konsumenterna erhålls kväve genom utfodring direkt från växter eller andra djur.
I denna process bryts de kväveföreningar som finns i jorden ned till enklare kemiska former. Kväve finns i dött organiskt material och avfall som urea (däggdjursurin) eller urinsyra (fågelskräp).
Kvävet i dessa ämnen är i form av komplexa organiska föreningar. Mikroorganismer använder aminosyrorna i dessa ämnen för att producera sina proteiner. I denna process släpper de överskott av kväve i form av ammoniak eller ammoniumjon..
Dessa föreningar finns tillgängliga i jorden för att andra mikroorganismer ska verka i följande faser av cykeln.
Under denna fas oxiderar jordbakterier ammoniak och ammoniumjon. I processen frigörs energi som används av bakterierna i deras ämnesomsättning..
I den första delen, de nitrosifierande bakterierna i släktet Nitrosomer de oxiderar ammoniak och ammoniumjon till nitrit. Enzymet ammoniakmooxygenas finns i membranet hos dessa mikroorganismer. Det oxiderar NH3 till hydroxylamin, som sedan oxideras till nitrit i periplasman hos bakterierna.
Därefter oxiderar nitreringsbakterierna nitriterna till nitrater med användning av enzymet nitritoxidoreduktas. Nitrater förblir tillgängliga i jorden, där de kan absorberas av växter.
I detta skede omvandlas oxiderade former av kväve (nitrit och nitrat) tillbaka till Ntvå och i mindre utsträckning dikväveoxid.
Processen utförs av anaeroba bakterier, som använder kväveföreningar som elektronacceptorer under andningen. Graden av denitrifiering beror på flera faktorer, såsom tillgängligt nitrat och markmättnad och temperatur..
När jorden är mättad med vatten kommer Otvå det är inte längre tillgängligt och bakterierna använder NEJ3 som elektronacceptor. När temperaturen är mycket låg kan mikroorganismer inte utföra processen.
Denna fas är det enda sättet att kväve avlägsnas från ett ekosystem. På detta sätt Ntvå som var fast återvänder till atmosfären och balansen mellan detta element bibehålls.
Denna cykel har stor biologisk relevans. Som vi förklarade tidigare är kväve en viktig del av levande organismer. Genom denna process blir den biologiskt användbar.
Vid utveckling av grödor är kväve tillgängligheten en av de viktigaste begränsningarna av produktiviteten. Sedan jordbrukets början har jorden berikats med detta element.
Odling av baljväxter för att förbättra markkvaliteten är en vanlig praxis. På samma sätt främjar sådd av ris i översvämmade jordar de miljöförhållanden som krävs för användning av kväve..
Under 1800-talet användes guano (fågelskräp) i stor utsträckning som en extern kvävekälla i grödor. Men i slutet av detta sekel var det otillräckligt för att öka livsmedelsproduktionen.
Den tyska kemisten Fritz Haber, i slutet av 1800-talet, utvecklade en process som senare kommersialiserades av Carlo Bosch. Detta består av att reagera Ntvå och vätgas för att bilda ammoniak. Det är känt som Haber-Bosch-processen.
Denna form av konstgjord ammoniakproduktion är en av de viktigaste kvävekällorna som kan användas av levande varelser. Det anses att 40% av världens befolkning är beroende av dessa gödningsmedel för sin mat.
Den nuvarande antropiska produktionen av ammoniak är cirka 85 ton per år. Detta har negativa konsekvenser för kvävecykeln..
På grund av den höga användningen av kemiska gödningsmedel finns det föroreningar av jord och akviferer. Det anses att mer än 50% av denna förorening är en konsekvens av Haber-Bosch-syntesen.
Kväveöverskott leder till eutrifiering (näringsberikning) av vattenkroppar. Antropisk euutrifiering är mycket snabb och orsakar en accelererad tillväxt främst av alger.
De konsumerar mycket syre och kan ackumulera gifter. På grund av syrebrist, dör de andra organismerna i ekosystemet med att dö.
Dessutom frigör användningen av fossila bränslen en stor mängd dikväveoxid i atmosfären. Detta reagerar med ozon och bildar salpetersyra, som är en av komponenterna i surt regn..
Ingen har kommenterat den här artikeln än.