Nitrogenkredsløbet er nitrogens biogeokemiske kredsløb . Det meste af det skyldes levende væseners handling. Jordens mikroorganismer spiller en meget vigtig rolle i kredsløbet og sørger for nitrogenmetabolisme i jorden - kredsløbet i jorden af nitrogen, som er til stede der i form af et simpelt stof (gas - N 2 ) og ioner: nitritter (NO 2 -), nitrater (NO 3 -) og ammonium (NH4 + ). Koncentrationerne af disse ioner afspejler jordsamfundenes tilstand, da disse indikatorer er påvirket af biotaens tilstand (planter, mikroflora), atmosfærens tilstand og udvaskningen af forskellige stoffer fra jorden. De er i stand til at reducere koncentrationen af nitrogenholdige stoffer, der er skadelige for andre levende organismer. De kan omdanne ammoniak , giftig for levende væsener , til mindre giftige nitrater og til biologisk inert atmosfærisk nitrogen. Således bidrager jordens mikroflora til at opretholde stabiliteten af dens kemiske parametre.
Reserverne af kvælstof i naturen er meget store. Det samlede indhold af dette grundstof i organismer er mere end 25 milliarder tons, en stor mængde nitrogen findes også i jorden . Nitrogen er til stede i luften som N2 -gas . Imidlertid kan nitrogengas, hvis indhold i atmosfæren når op på 78% efter volumen, ikke selv assimileres af eukaryoter . Og den unikke evne til at omdanne N 2 til nitrogenholdige forbindelser besidder nogle bakterier, som kaldes nitrogenfikserende eller nitrogenfiksere. Nitrogenfiksering er mulig af mange bakterier og cyanobakterier . De lever enten i jorden eller i symbiose med planter eller med flere dyrearter.
For eksempel indeholder planter af bælgplantefamilien (Fabaceae) sådanne bakterier på deres rødder . En typisk repræsentant for fritlevende nitrogenfikserende mikroorganismer er Azotobacter , en gramnegativ bakterie, der fikserer atmosfærisk nitrogen. Nitrogenfikseringsprodukter er ammoniak ( NH 3 ), nitritter .
Nitrogen i form af ammoniak og ammoniumforbindelser, opnået i processerne med biogen nitrogenfiksering, oxideres hurtigt til nitrater og nitritter. Denne proces kaldes nitrifikation og udføres af nitrificerende bakterier. Der er dog ingen sådan bakterie, som direkte ville omdanne ammoniak til nitrat. To grupper af bakterier deltager altid i dets oxidation: nogle oxiderer ammoniak og danner nitrit, mens andre oxiderer nitrit til nitrat. De bedst kendte slægter af nitrificerende bakterier er Nitrosomonas og Nitrobacter .
Nitrosomonas oxiderer ammoniak:
NH 3 + 1½ O 2 = (NO 2 -) + 2H+ + H 2 ONitrobacter oxiderer nitrit:
(NO 2 -) + ½ O 2 \u003d NO 3 -Ammoniakoxiderende bakterier udgør et substrat for nitritoxiderende bakterier. Da høje koncentrationer af ammoniak har en toksisk effekt på Nitrobacter, forbedrer Nitrosomonas, ved at bruge ammoniak og danne syre, levevilkårene for Nitrobacter.
Nitrifierer er gramnegative bakterier, der tilhører Nitrobacteraceae-familien. De har ikke brug for reducerede kulstofforbindelser til normal vækst og reproduktion, de er i stand til at reducere CO 2 til organiske forbindelser ved at bruge energien fra oxidation af mineralske nitrogenforbindelser: ammoniak og nitritter. Det vil sige, at nitrifiers er bakterier, der udelukkende er i stand til at fodre på uorganiske forbindelser og udføre processen med kemosyntese, syntesen af organiske forbindelser fra mineralske. Kemosyntese er en måde for levende væsener at assimilere uorganisk kulstof, alternativ til fotosyntese .
Planter bruger nitrater til at danne forskellige organiske stoffer. Dyr indtager vegetabilske proteiner, aminosyrer og andre nitrogenholdige stoffer sammen med maden. Planter stiller således organisk kvælstof til rådighed for andre forbrugerorganismer.
Alle levende organismer leverer nitrogen til miljøet. På den ene side udskiller de alle produkter fra nitrogenmetabolisme under deres vitale aktivitet: ammoniak, urinstof og urinsyre. De sidste to forbindelser nedbrydes i jorden med dannelse af ammoniak (som, når det opløses i vand, giver ammoniumioner).
Urinsyre udskilt af fugle og krybdyr mineraliseres også hurtigt af specielle grupper af mikroorganismer til dannelse af NH 3 og CO 2 .
På den anden side gennemgår nitrogen, der indgår i sammensætningen af levende væsener, efter deres død ammonifikation (nedbrydning af nitrogenholdige komplekse forbindelser med frigivelse af ammoniak og ammoniumioner (NH 4 + )) og nitrifikation.
Nitrifikationsprodukter - NO 3 - og (NO 2 -) denitrificeres yderligere. Denne proces skyldes udelukkende aktiviteten af denitrificerende bakterier, som har evnen til at reducere nitrat gennem nitrit til gasformig lattergas (N 2 O) og nitrogen (N 2 ). Disse gasser frigives frit til atmosfæren.
10 [H] + 2 H+ + 2NO3- = N2 + 6 H2OI fravær af oxygen tjener nitrat som den endelige hydrogenacceptor.
Evnen til at opnå energi ved at bruge nitrat som den endelige brintacceptor til at danne et nitrogenmolekyle er udbredt i bakterier.
Midlertidige tab af nitrogen i begrænsede områder af jorden er uden tvivl forbundet med aktiviteten af denitrificerende bakterier.
Således er nitrogencyklussen umulig uden deltagelse af jordmikroflora.
Fordøjelige kvælstofforbindelser kan ophobes i jorden i en uorganisk form (nitrat) eller kan inkorporeres i en levende organisme som organisk nitrogen . Assimilering og mineralisering bestemmer henholdsvis optagelsen af nitrogenforbindelser fra jorden, deres tilknytning til plantebiomolekyler og deres omdannelse til uorganisk nitrogen efter plantedød . Assimilation er omdannelsen af uorganisk nitrogen (såsom nitrat) til en organisk form for nitrogen, såsom aminosyrer . Nitrat omdannes af enzymer først til nitrit (nitritreduktase ) , derefter til ammoniak ( nitritreduktase ). Ammoniak er en del af aminosyrerne.
I fravær af menneskelig aktivitet er processerne med nitrogenfiksering og nitrifikation næsten fuldstændig afbalanceret af modsatte reaktioner af denitrifikation . En del af kvælstoffet kommer ind i atmosfæren fra kappen med vulkanudbrud, en del er solidt fikseret i jord og lermineraler, derudover siver nitrogen konstant fra atmosfærens øverste lag ind i det interplanetariske rum. Men på nuværende tidspunkt er nitrogenkredsløbet påvirket af mange menneskeskabte faktorer.
Den første er sur regn , et fænomen, hvor der er et fald i pH-værdien af nedbør og sne på grund af luftforurening med sure oxider (for eksempel nitrogenoxider). Kemien af dette fænomen er som følger. For at forbrænde fossile brændstoffer forsynes forbrændingsmotorer og kedler med luft eller en blanding af brændstof med luft. Næsten 4/5 af luften består af nitrogengas og 1/5 af ilt . Ved høje temperaturer skabt inde i installationerne opstår reaktionen af nitrogen med oxygen uundgåeligt, og nitrogenoxid dannes:
N 2 + O 2 \u003d 2NO - QDenne reaktion er endoterm og forekommer naturligt under lynudladninger og ledsager også andre lignende magnetiske fænomener i atmosfæren. I dag, som et resultat af deres aktiviteter, øger en person i høj grad akkumuleringen af nitrogenoxid (II) på planeten.
Nitrogenoxid (II) oxideres let til nitrogenoxid (IV) selv under normale forhold:
2NO + O 2 \u003d 2NO 2Dernæst reagerer nitrogenoxid med atmosfærisk vand for at danne syrer:
2NO 2 + H 2 O \u003d HNO 3 + HNO 2salpetersyre og salpetersyre dannes . I dråber af atmosfærisk vand dissocierer disse syrer med dannelsen af henholdsvis nitrat- og nitritioner, og ionerne kommer ind i jorden med sur regn.
Den anden gruppe af menneskeskabte faktorer, der påvirker jordbundens nitrogenudveksling, er teknologiske emissioner. Nitrogenoxider er en af de mest almindelige luftforurenende stoffer. Og den konstante vækst i produktionen af ammoniak, svovlsyre og salpetersyre er direkte relateret til stigningen i mængden af udstødningsgasser og følgelig til stigningen i mængden af nitrogenoxider, der udsendes til atmosfæren. Den tredje gruppe af faktorer er overgødskning af jord med nitritter, nitrater ( salpeter ) og organisk gødning.
Og endelig er kvælstofudvekslingen af jorder negativt påvirket af et øget niveau af biologisk forurening. Mulige årsager: spildevandsudledning, manglende overholdelse af sanitære standarder (hundeluftning, ukontrollerede organiske affaldsdepoter, dårlig funktion af kloaksystemer osv.). Som følge heraf er jorden forurenet med ammoniak, ammoniumsalte, urinstof , indol, mercaptaner og andre nedbrydningsprodukter af organisk stof. Der dannes en ekstra mængde ammoniak i jorden, som så forarbejdes af bakterier til nitrater.
Der er en konstant udveksling af kemiske elementer mellem lithosfæren , hydrosfæren , atmosfæren og levende organismer på Jorden. Denne proces er cyklisk: efter at have flyttet fra en sfære til en anden, vender elementerne igen tilbage til deres oprindelige tilstand.
Menneskeskabte biocenoser er særlige naturlige fællesskaber dannet under direkte påvirkning af mennesket, som selv kan skabe nye landskaber og for alvor ændre den økologiske balance. Derudover har menneskelig aktivitet en enorm indflydelse på kredsløbet af elementer. Det er blevet særligt bemærkelsesværdigt i det sidste århundrede, fordi der har været alvorlige ændringer i naturlige cyklusser på grund af tilsætning eller fjernelse af kemikalier, der er til stede i dem som følge af menneskeskabte påvirkninger.
Nitrogen er nødvendigt for eksistensen af dyr og planter: det er en del af proteiner , aminosyrer , nukleinsyrer , klorofyl , ædelstene osv. I denne henseende findes en betydelig mængde bundet nitrogen i levende organismer, "døde organiske stoffer" og spredt stof i havene og oceanerne.
Det er meget vigtigt at studere og kontrollere kvælstofkredsløbet, især i menneskeskabte biocenoser, fordi et lille svigt i enhver del af kredsløbet kan føre til alvorlige konsekvenser: alvorlig kemisk forurening af jord, tilgroning af vandområder og forurening med nedbrydningsprodukter af døde organisk stof (ammoniak, aminer osv.). ), højt indhold af opløselige nitrogenforbindelser i drikkevand.
For at studere funktionerne i nitrogenkredsløbet kan du bruge en omfattende metodologi til at studere indholdet af nitrit (NO 2 -), nitrat (NO 3 -) og ammonium (NH 4 +) ioner i jorden og dens mikrobiologiske indikatorer.