Đặc điểm chu trình nitơ, hồ chứa, giai đoạn, tầm quan trọng

các chu trình nitơ đó là quá trình chuyển động của nitơ giữa khí quyển và sinh quyển. Đây là một trong những chu trình hóa sinh có liên quan nhất. Nitơ (N) là một yếu tố có tầm quan trọng lớn, vì nó được yêu cầu bởi tất cả các sinh vật cho sự tăng trưởng của nó. Nó là một phần của thành phần hóa học của axit nucleic (DNA và RNA) và protein.

Lượng nitơ lớn nhất trên hành tinh là trong khí quyển. Nitơ khí quyển (N₂) không thể được sử dụng trực tiếp bởi hầu hết các sinh vật. Có những vi khuẩn có thể sửa chữa nó và kết hợp nó vào đất hoặc nước theo những cách mà các sinh vật khác có thể sử dụng.

Sau đó, nitơ được đồng hóa bởi các sinh vật tự dưỡng. Hầu hết các sinh vật dị dưỡng có được nó bằng cách cho ăn. Sau đó, họ giải phóng các chất dư thừa dưới dạng nước tiểu (động vật có vú) hoặc phân (chim).

Trong một giai đoạn khác của quá trình, có những vi khuẩn tham gia vào quá trình biến đổi amoniac thành nitrit và nitrat được tích hợp vào đất. Và vào cuối chu kỳ, một nhóm vi sinh vật khác sử dụng oxy có sẵn trong các hợp chất nitơ trong hô hấp. Trong quá trình này, chúng giải phóng nitơ trở lại khí quyển.

Hiện nay, lượng nitơ lớn nhất được sử dụng trong nông nghiệp được sản xuất bởi con người. Điều này đã dẫn đến sự dư thừa của nguyên tố này trong đất và nguồn nước, gây ra sự mất cân bằng trong chu trình hóa sinh này.

Chỉ số

• 1 Đặc điểm chung
  • 1.1 Nguồn gốc
  • 1.2 Dạng hóa học 
  • 1.3 Lịch sử
  • 1.4 Yêu cầu đối với sinh vật
• 2 thành phần
  • 2.1-Hồ chứa
  • 2.2-Các vi sinh vật tham gia
• 3 giai đoạn
  • 3.1 Cố định
  • 3.2 Đồng hóa
  • 3.3 Amon hóa
  • 3,4 Nitrat hóa
  • 3.5 Khử nitrat hóa
• 4 Tầm quan trọng
• 5 Thay đổi của chu trình nitơ
• 6 tài liệu tham khảo

Đặc điểm chung

Nguồn gốc

Người ta coi nitơ có nguồn gốc từ quá trình tổng hợp hạt nhân (tạo ra hạt nhân nguyên tử mới). Những ngôi sao có khối lượng heli lớn đạt đến áp suất và nhiệt độ cần thiết để nitơ hình thành.

Khi Trái đất bắt nguồn, nitơ ở trạng thái rắn. Sau đó, với hoạt động núi lửa, nguyên tố này đã đi vào trạng thái khí và được đưa vào bầu khí quyển của hành tinh.

Nitơ ở dạng N₂. Có lẽ các dạng hóa học được sử dụng bởi các sinh vật sống (NH ammonia₃) xuất hiện bởi các chu trình nitơ giữa biển và núi lửa. Theo cách này, NH₃ sẽ được đưa vào khí quyển và cùng với các yếu tố khác đã tạo ra các phân tử hữu cơ.

Dạng hóa học

Nitơ xảy ra ở các dạng hóa học khác nhau, được gọi là các trạng thái oxy hóa khác nhau (mất electron) của nguyên tố này. Những hình thức khác nhau khác nhau cả về đặc điểm và hành vi của họ. Khí nitơ (N₂) không bị gỉ.

Các dạng oxy hóa được phân loại là hữu cơ và vô cơ. Các dạng hữu cơ có mặt trong axit amin và protein là chủ yếu. Các trạng thái vô cơ là amoniac (NH₃), ion amoni (NH₄), nitrit (KHÔNG₂) và nitrat (KHÔNG₃), trong số những người khác.

Lịch sử

Nitơ được phát hiện vào năm 1770 bởi ba nhà khoa học độc lập (Scheele, Rutherford và Lavosier). Năm 1790, người Pháp Chaptal đặt tên khí là nitơ.

Trong nửa sau của thế kỷ XIX, nó được tìm thấy là một thành phần thiết yếu của các mô của các sinh vật sống và sự phát triển của thực vật. Tương tự như vậy, sự tồn tại của một dòng chảy không đổi giữa các dạng hữu cơ và vô cơ đã được chứng minh.

Lúc đầu, nó được coi là nguồn nitơ là sét và lắng đọng khí quyển. Năm 1838, Boussingault đã xác định sự cố định sinh học của nguyên tố này trong cây họ đậu. Sau đó, vào năm 1888, người ta đã phát hiện ra rằng các vi sinh vật liên quan đến rễ của cây họ đậu chịu trách nhiệm sửa chữa N₂.

Một phát hiện quan trọng khác là sự tồn tại của vi khuẩn có khả năng oxy hóa amoniac thành nitrit. Cũng như các nhóm khác đã chuyển nitrit thành nitrat.

Đầu năm 1885, Gayon xác định rằng một nhóm vi sinh vật khác có khả năng biến đổi nitrat thành N₂. Theo cách đó, có thể hiểu được chu trình nitơ trên hành tinh.

Yêu cầu của sinh vật

Tất cả các sinh vật cần nitơ cho các quá trình quan trọng của họ, nhưng không phải tất cả đều sử dụng nó theo cùng một cách. Một số vi khuẩn có thể sử dụng nitơ trong khí quyển trực tiếp. Những người khác sử dụng các hợp chất nitơ như một nguồn oxy.

Các sinh vật tự dưỡng đòi hỏi một nguồn cung cấp dưới dạng nitrat. Về phần mình, nhiều loài dị dưỡng chỉ có thể sử dụng nó dưới dạng các nhóm amino mà chúng thu được từ thức ăn của chúng.

Linh kiện

-Hồ chứa

Nguồn nitơ tự nhiên lớn nhất là khí quyển, nơi 78% nguyên tố này được tìm thấy ở dạng khí (N₂), với một số dấu vết của oxit nitơ và nitơ monoxide.

Đá trầm tích chứa khoảng 21% được giải phóng rất chậm. 1% còn lại được chứa trong chất hữu cơ và đại dương dưới dạng nitơ hữu cơ, nitrat và amoniac.

-Vi sinh vật tham gia

Có ba loại vi sinh vật tham gia vào chu trình nitơ. Đây là những người sửa chữa, nitrifiers và khử nitrat.

Vi khuẩn cố định N₂

Họ mã hóa cho một phức hợp các enzyme nitơase có liên quan đến quá trình cố định. Hầu hết các vi sinh vật này xâm chiếm vào thân rễ của thực vật và phát triển trong các mô của chúng.

Loại vi khuẩn cố định phổ biến nhất là Đại hoàng, có liên quan đến rễ của cây họ đậu. Có những thể loại khác như Frankia, Lỗ mũi và Pasasponia cộng sinh với rễ của các nhóm thực vật khác.

Vi khuẩn lam ở dạng tự do, có thể cố định nitơ trong khí quyển trong môi trường nước

Vi khuẩn nitrat hóa

Có ba loại vi sinh vật tham gia vào quá trình nitrat hóa. Những vi khuẩn này có khả năng oxy hóa amoniac hoặc ion amoni có trong đất. Chúng là những sinh vật hóa học (có khả năng oxy hóa các vật liệu vô cơ như một nguồn năng lượng).

Vi khuẩn của các chi khác nhau can thiệp liên tục vào quá trình. Nitrosoma và Nitrocystis oxy hóa NH3 và NH4 thành nitrit. Sau đó Vi khuẩn và Nhiễm khuẩn huyết oxy hóa hợp chất này thành nitrat.

Năm 2015, một nhóm vi khuẩn khác tham gia vào quá trình này đã được phát hiện. Chúng có khả năng oxy hóa amoniac trực tiếp thành nitrat và nằm trong chi Nitrospira. Một số loại nấm cũng có khả năng nitrat hóa amoniac.

Vi khuẩn khử nitrat

Người ta đã chỉ ra rằng hơn 50 loại vi khuẩn khác nhau có thể làm giảm nitrat thành N₂. Điều này xảy ra trong điều kiện yếm khí (không có oxy).

Các chi khử phổ biến nhất là Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Đại hoàng, Thiobacillus và Thiosphaera. Phần lớn các nhóm này là dị dưỡng.

Năm 2006, một loại vi khuẩn đã được phát hiện (Methylomirabilis oxyfera) đó là hiếu khí. Nó là methanotrophic (thu được năng lượng carbon và metan) và có thể thu được oxy từ quá trình khử nitrat.

Các giai đoạn

Chu trình nitơ trải qua nhiều giai đoạn trong quá trình huy động của nó trên khắp hành tinh. Những giai đoạn này là:

Cố định

Đó là sự chuyển đổi nitơ trong khí quyển thành các dạng được coi là phản ứng (có thể được sử dụng bởi các sinh vật sống). Sự phá vỡ của ba liên kết có chứa phân tử N₂ Nó đòi hỏi một lượng lớn năng lượng và có thể xảy ra theo hai cách: phi sinh học hoặc sinh học.

Cố định phi sinh học

Nitrat thu được bằng cách cố định năng lượng cao trong khí quyển. Nó đến từ năng lượng điện của sét và bức xạ vũ trụ.

N₂ nó được kết hợp với oxy để tạo ra các dạng nitơ bị oxy hóa như NO (nitơ dioxide) và NO₂ (oxit nitơ). Sau đó, các hợp chất này được đưa lên bề mặt trái đất bằng mưa dưới dạng axit nitric (HNO₃).

Cố định năng lượng cao kết hợp khoảng 10% lượng nitrat có trong chu trình nitơ.

Cố định sinh học

Nó được thực hiện bởi các vi sinh vật đất. Nói chung những vi khuẩn này được liên kết với rễ của cây. Người ta ước tính rằng cố định nitơ sinh học hàng năm là khoảng 200 triệu tấn mỗi năm.

Nitơ khí quyển được chuyển thành amoni. Trong giai đoạn đầu của phản ứng, N₂ được giảm xuống NH₃ (amoniac). Theo cách này, nó được kết hợp vào các axit amin.

Trong quá trình này, một phức hợp enzyme với các trung tâm khử oxit khác nhau được tham gia. Phức hợp nitơase này bao gồm một reductase (cung cấp điện tử) và nitơase. Loại thứ hai sử dụng các electron để giảm N₂ đến NH₃. Trong quá trình này, một lượng lớn ATP được tiêu thụ.

Phức hợp nitơase bị ức chế không hồi phục khi có nồng độ O cao₂. Trong các nốt sần, một loại protein (leghemoglobin) có mặt giữ hàm lượng O rất thấp₂. Protein này được tạo ra bởi sự tương tác giữa rễ và vi khuẩn.

Đồng hóa

Cây không có mối liên hệ cộng sinh với vi khuẩn cố định N₂, họ lấy nitơ từ đất. Sự hấp thụ của nguyên tố này được thực hiện dưới dạng nitrat thông qua rễ.

Khi nitrat xâm nhập vào cây, một phần được sử dụng bởi các tế bào gốc. Một phần khác được phân phối bởi xylem cho toàn bộ nhà máy.

Khi nó được sử dụng, nitrat bị khử thành nitrite trong tế bào chất. Quá trình này được xúc tác bởi enzyme khử nitrat. Nitrit được vận chuyển đến lục lạp và các plastid khác, ở đó chúng bị khử thành ion amoni (NH₄).

Các ion amoni với số lượng lớn gây độc cho cây. Vì vậy, nó nhanh chóng kết hợp vào bộ xương carbonate để tạo thành axit amin và các phân tử khác.

Trong trường hợp của người tiêu dùng, nitơ thu được bằng cách cho ăn trực tiếp từ thực vật hoặc động vật khác.

Khử hóa

Trong quá trình này, các hợp chất nitơ có trong đất bị biến chất thành các dạng hóa học đơn giản hơn. Nitơ có trong chất hữu cơ chết và chất thải như urê (nước tiểu từ động vật có vú) hoặc axit uric (bài tiết từ chim).

Nitơ chứa trong các chất này ở dạng hợp chất hữu cơ phức tạp. Vi sinh vật sử dụng các axit amin có trong các chất này để tạo ra protein của chúng. Trong quá trình này, chúng giải phóng nitơ dư thừa dưới dạng amoniac hoặc ion amoni.

Các hợp chất này có sẵn trong đất để các vi sinh vật khác hoạt động trong các giai đoạn sau của chu kỳ.

Nitrat hóa

Trong giai đoạn này, vi khuẩn đất oxy hóa amoniac và ion amoni. Trong quá trình này, năng lượng được giải phóng được sử dụng bởi vi khuẩn trong quá trình trao đổi chất của chúng.

Trong phần đầu tiên, vi khuẩn nitrosifying của chi Nitrosome oxy hóa amoniac và ion amoni thành nitrit. Trong màng của các vi sinh vật này là enzyme amoniac mooxigenasa. Điều này oxy hóa NH₃ thành hydroxylamine, sau đó được oxy hóa thành nitrite theo chu vi của vi khuẩn.

Sau đó, vi khuẩn nitrat oxy hóa nitrit thành nitrat bằng cách sử dụng enzyme nitrite oxyoreductase. Nitrat có sẵn trong đất, nơi chúng có thể được thực vật hấp thụ.

Khử nitơ

Trong giai đoạn này, các dạng nitơ oxy hóa (nitrit và nitrat) được chuyển đổi trở lại thành N₂ và ở mức độ thấp hơn oxit nitơ.

Quá trình này được thực hiện bởi các vi khuẩn kỵ khí, sử dụng các hợp chất nitơ làm chất nhận điện tử trong quá trình hô hấp. Tốc độ khử nitrat phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như nitrat và độ bão hòa đất và nhiệt độ.

Khi đất bão hòa nước, O₂ nó không có sẵn và vi khuẩn sử dụng KHÔNG₃ như một chất nhận điện tử. Khi nhiệt độ rất thấp, vi sinh vật không thể thực hiện quá trình.

Giai đoạn này là cách duy nhất trong đó nitơ được loại bỏ khỏi hệ sinh thái. Theo cách này, N₂ đã được trả lại cố định cho bầu khí quyển và sự cân bằng của yếu tố này được duy trì.

Ý nghĩa

Chu kỳ này có liên quan sinh học lớn. Như chúng tôi đã giải thích trước đó, nitơ là một phần quan trọng của các sinh vật sống. Thông qua quá trình này, nó trở nên có thể sử dụng về mặt sinh học.

Trong sự phát triển của cây trồng, sự sẵn có của nitơ là một trong những hạn chế chính đối với năng suất. Kể từ khi bắt đầu nông nghiệp, đất đã được làm giàu với yếu tố này.

Việc trồng cây họ đậu để cải thiện chất lượng đất là một thực tế phổ biến. Tương tự như vậy, việc trồng lúa trong đất ngập nước thúc đẩy các điều kiện môi trường cần thiết cho việc sử dụng nitơ.

Trong thế kỷ 19, guano (phân chim) được sử dụng rộng rãi như một nguồn nitơ bên ngoài trong cây trồng. Tuy nhiên, vào cuối thế kỷ này, việc tăng sản lượng lương thực là không đủ.

Nhà hóa học người Đức Fritz Haber, vào cuối thế kỷ 19, đã phát triển một quy trình mà sau đó được Carlo Bosch đưa ra thị trường. Điều này liên quan đến việc làm cho N phản ứng₂ và khí hydro để tạo thành amoniac. Nó được gọi là quy trình Haber-Bosch.

Dạng amoniac nhân tạo này là một trong những nguồn nitơ chính có thể sử dụng được bởi những sinh vật sống. Người ta coi 40% dân số thế giới phụ thuộc vào các loại phân bón này cho thực phẩm của họ.

Thay đổi chu trình nitơ

Sản xuất amoniac nhân tạo hiện nay là khoảng 85 tấn mỗi năm. Điều này mang lại những hậu quả tiêu cực trong chu trình nitơ.

Do sử dụng nhiều phân bón hóa học, có ô nhiễm đất và tầng ngậm nước. Người ta coi rằng hơn 50% sự ô nhiễm này là hậu quả của quá trình tổng hợp Haber-Bosch.

Sự dư thừa của nitơ dẫn đến hiện tượng phú dưỡng (làm giàu chất dinh dưỡng) của các vùng nước. Quá trình phú dưỡng của con người rất nhanh và gây ra sự tăng trưởng nhanh chóng chủ yếu của tảo.

Những thứ này tiêu thụ một lượng lớn oxy và có thể tích lũy độc tố. Do thiếu oxy, các sinh vật khác có trong hệ sinh thái cuối cùng sẽ chết.

Ngoài ra, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch giải phóng một lượng lớn oxit nitơ vào khí quyển. Điều này phản ứng với ozone và tạo thành axit nitric, một trong những thành phần của mưa axit.

Tài liệu tham khảo

1. Cerón L và A Aristizábal (2012) Động lực của chu trình nitơ và phốt pho trong đất. Mục sư Colombia. Công nghệ sinh học 14: 285-295.
2. Estupiñan R và B Quesada (2010) quy trình Haber-Bosch trong xã hội nông nghiệp: những nguy hiểm và sự thay thế. Hệ thống nông nghiệp: hàng hóa, đấu tranh và kháng chiến. Biên tập ILSA. Bogotá, Colombia 75-95
3. Galloway JN (2003) Chu trình nitơ toàn cầu. Trong: Scheleinger W (chủ biên) Chuyên luận về địa hóa học. Elsevier, Hoa Kỳ. trang 557-583.
4. Galloway JN (2005) Chu trình nitơ toàn cầu: quá khứ, hiện tại và tương lai. Khoa học tại Trung Quốc Khoa học đời sống Ser C 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Dòng thác nitơ gây ra bởi các hoạt động của con người. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L và M Klotz (2016) Chu trình nitơ. Sinh học hiện tại 26: 83-101.