A biogeokémiai ciklusok közül a nitrogént tanulmányozzák a legszélesebb körben. Ellenőrizze az összefoglalót, és ismerje annak fontosságát
A nitrogén elengedhetetlen kémiai elem az élet létezéséhez a Földön, mivel a nitrogén-bázisokon kívül (amelyek a DNS- és RNS-molekulákat alkotják) a testünkben található összes aminosav alkotóeleme. A belélegzett levegőnk körülbelül 78% -a a légkör nitrogénjéből (N 2) áll, amely a legnagyobb tározója. Ennek egyik oka az, hogy az N 2 a nitrogén inert formája, vagyis olyan gáz, amely gyakori helyzetekben nem reaktív. Így a bolygó kialakulása óta felhalmozódik a légkörben. Ennek ellenére kevés élőlény képes felvenni molekuláris formájában (N 2). Kiderült, hogy a nitrogén, akárcsak a vas és a kén, részt vesz egy természetes körforgásban, amelynek során kémiai szerkezete átalakul az egyes szakaszokban,más reakciók alapjául szolgál, és így más szervezetek számára is elérhetővé válik - ez a nitrogén körforgás (vagy a "nitrogén körforgás") nagy jelentősége.
Ahhoz, hogy a légköri N 2 eljuthasson a talajba, belépve az ökoszisztémába, rögzítésnek nevezett folyamaton kell keresztülmennie, amelyet nitrifikáló baktériumok kis csoportjai hajtanak végre, amelyek nitrogént N 2 formájában távolítanak el és beépítik szerves molekuláikba. Amikor a rögzítést élő szervezetek, például baktériumok végzik, akkor biológiai rögzítésnek vagy biofixációnak nevezzük. Jelenleg a nitrogén rögzítéséhez kereskedelmi műtrágyák is alkalmazhatók, amelyek jellemzik az ipari rögzítést, ezt a módszert a mezőgazdaságban széles körben használják. Ezeken kívül létezik fizikai rögzítés is, amelyet villámok és elektromos szikrák hajtanak végre, amelyeken keresztül a nitrogén oxidálódik és esőkön keresztül a talajba kerül, de egy ilyen módszer csökkent nitrogénmegkötési képességgel rendelkezik,ami nem elegendő a organizmusok és a földi élet fenntartásához.
Amikor a baktériumok rögzítik az N 2 -et, ammóniát (NH 3) szabadítanak fel. Az ammónia a talaj vízmolekuláival érintkezve ammónium-hidroxidot képez, amely ionizálva ammóniumot (NH 4) termel a nitrogén körforgásának részeként zajló folyamatban, amelyet ammóniásításnak hívnak. A természetben egyensúly van az ammónia és az ammónium között, amelyet a pH szabályoz. Azokban a környezetekben, ahol a pH-érték savasabb, az NH 4 képződése túlsúlyban van, és bázikusabb környezetben a leggyakoribb folyamat az NH 3 képződése. Ezt az ammóniumot általában olyan növények szívják fel és használják, amelyeknek gyökereikkel baktériumok vannak (bakteriorrizák). Ha szabadon élő baktériumok termelik, ez az ammónium általában elérhető a talajban más baktériumok (nitrobaktériumok) felhasználására.
A nitrobaktériumok kemoszintetizátorok, vagyis autotróf lények (saját táplálékot állítanak elő), amelyek a túlélésükhöz szükséges energiát eltávolítják a kémiai reakciókból. Ennek az energiának a megszerzésére hajlamosak oxidálni az ammóniumot, átalakítva nitritté (NO 2 -), majd később nitráttá (NO 3 -). A nitrogén körforgásának ezt a folyamatát nitrifikációnak nevezzük.
A nitrát szabad marad a talajban, és nem hajlamos a természetes intakt környezetben felhalmozódni, így három különböző utat képes választani: a növények felszívják, denitrifikálják vagy elérik a víztesteket. Mind a denitrifikáció, mind a nitrát víztestbe áramlása negatív következményekkel jár a környezetre nézve.
Környezeti hatások
A denitrifikáció (vagy denitrifikálás) egy denitrifikáló baktériumoknak nevezett folyamat, amely a nitrátot ismét N2-vé alakítja, végrehajtva a nitrogén visszatérését a légkörbe. Az N 2 mellett további termelhető gázok a nitrogén-oxid (NO), amely egyesül a légköri oxigénnel, elősegítve a savas eső képződését, és a dinitrogén-oxid (N 2 O), amely fontos okozó gáz az üvegházhatás, amely súlyosbítja a globális felmelegedést.
A harmadik út, ahol a nitrát eléri a víztesteket, eutrofizációnak nevezett környezeti problémát okoz. Ezt a folyamatot a tápanyagok (főleg nitrogénvegyületek és foszfor) koncentrációjának növekedése jellemzi egy tó vagy gát vizében. Ez a tápanyagfelesleg kedvez az algák felgyorsult szaporodásának, amely végül akadályozza a fény áthaladását, és kiegyensúlyozatlanná teszi a vízi környezetet. A tápanyagok ezen feleslegének vízi környezetben történő biztosításának másik módja a szennyvíz megfelelő kezelés nélkül történő kibocsátása.
Egy másik megfontolandó kérdés az a tény, hogy a nitrogén káros lehet a növényekre is, ha olyan mennyiségben vannak jelen, amelyek meghaladják asszimilációs képességeiket. Így a talajban rögzített nitrogénfelesleg korlátozhatja a növény növekedését, károsíthatja a növényeket. Így a komposztálási folyamatokban a szén / nitrogén arányt is figyelembe kell venni, hogy a lebontási folyamatban részt vevő mikroorganizmus-telepek metabolizmusa mindig aktív legyen.
A nitrogén felszívódása az emberek által
Az emberek és más állatok hozzáférhetnek a nitráthoz az ezt az anyagot felszívó növények lenyeléséből, vagy az élelmiszerlánc szerint más, e növényeket tápláló állatok lenyeléséből. Ez a nitrát visszatér valamilyen organizmus (szerves anyag) halála vagy a nitrogénvegyületeket tartalmazó kiválasztás útján (karbamid vagy húgysav, a szárazföldi állatok többségénél és ammónia, a hal ürülékein keresztül). Így a bomló baktériumok az ammóniát felszabadító szerves anyagokra hatnak. Az ammóniát ugyanazok a nitrobaktériumok is átalakíthatják nitritté és nitrátokká, amelyek átalakítják az ammóniumot, integrálódva a ciklusba.
A műtrágyák alternatívája
Mint láttuk, a nitrogén talajban történő rögzítése pozitív hatásokat produkálhat, de a folyamat túlzottan megy végbe, negatív következményekkel járhat a környezetre nézve. Az emberiség beavatkozása a nitrogén körforgásába ipari rögzítéssel (műtrágyák alkalmazásával) történik, ami növeli a rögzítendő nitrogén koncentrációját, ami olyan problémákat okoz, mint a fentiek.
A műtrágyák alkalmazásának alternatívája lenne a vetésforgó, a nitrogénmegkötő és a nem fixáló növények kultúrájának váltogatása. A nitrogénmegkötő növények olyan baktériumok és más rögzítő szervezetek, amelyek gyökereihez kapcsolódnak, amint ez a hüvelyes növényekben (például babban és szójababban) előfordul. A forgatás elősegítené a nitrogén biztosabb mennyiségben történő rögzítését, mint a műtrágyák használata, biztosítva a növények asszimilációs képességével kompatibilis tápanyagokat, elősegítve fejlődésüket és csökkentve a víztestekbe jutó tápanyagok arányát. A "zöldtrágya" elnevezésű hasonló eljárás alkalmazható a műtrágyák pótlására is.
Ez a folyamat nitrogénmegkötő növények termesztéséből és fogmosásból áll, mielőtt magokat teremtenének, így talajtakaróként a helyükön hagyják őket, hogy később más fajok tenyészetei is elkészíthetők legyenek. Az alábbiakban egy képet láthatunk, amely összefoglalást nyújt a cikkben látottakról:
ANAMMOX
Az angol rövidítés (vagyis az ammónia anaerob oxidációja) innovatív biológiai eljárást nevez meg az ammónia vízből és gázokból történő eltávolítására.
Gyorsbillentyűből áll, mivel az ammóniát nem kell nitritté és nitráttá nitrifikálni ahhoz, hogy Nit-formává alakítsák vissza. Az ANAMMOX eljárással az ammónia közvetlenül nitrogéngázzá (N 2) alakulna át. Az első nagyszabású állomást 2002-ben telepítették Hollandiában, 2012-ben pedig már 11 létesítmény működött.
Hatékony és fenntartható, az ANAMMOX eljárás felhasználható az ammónia eltávolítására a szennyvízből 100 mg / l-nél nagyobb koncentrációban. A reaktorokban a nitrifikáló baktériumok és az ANAMMOX léteznek együtt, ahol az előbbiek az ammónia körülbelül felét nitridekké (kémiai vegyületek, amelyek összetételében nitrogén van) alakítják át, az ANAMMOX baktériumok pedig úgy működnek, hogy a nitrideket és az ammóniát nitrogéngázzá alakítják.
Az ammónia anaerob oxidációja ígéretesnek bizonyult, és már megtalálható többek között olyan ipari folyamatokban, mint a szennyvízkezelés, a szerves szilárd hulladék, az élelmiszeriparban, a műtrágyákban.
