خصائص دورة النيتروجين ، الخزانات ، المراحل ، الأهمية

ال دورة النيتروجين إنها عملية حركة النيتروجين بين الغلاف الجوي والمحيط الحيوي. إنها واحدة من أكثر الدورات الكيميائية الحيوية ذات الصلة. النيتروجين (N) عنصر ذو أهمية كبيرة ، لأنه مطلوب من قبل جميع الكائنات الحية لنموه. وهو جزء من التركيب الكيميائي للأحماض النووية (DNA و RNA) والبروتينات.

أكبر كمية من النيتروجين على الكوكب موجودة في الغلاف الجوي. النيتروجين الجوي (ن₂) لا يمكن استخدامها مباشرة من قبل معظم الكائنات الحية. هناك بكتيريا قادرة على تثبيته وإدماجه في التربة أو الماء بطرق يمكن استخدامها من قبل الكائنات الأخرى.

بعد ذلك ، يتم استيعاب النيتروجين بواسطة الكائنات ذاتية التغذية. معظم الكائنات غيرية التغذية الحصول عليها عن طريق التغذية. ثم يطلقون التجاوزات في صورة البول (الثدييات) أو البراز (الطيور).

في مرحلة أخرى من العملية ، هناك بكتيريا تساهم في تحويل الأمونيا إلى نتريت ونترات مدمجة في التربة. وفي نهاية الدورة ، تستخدم مجموعة أخرى من الكائنات الحية الدقيقة الأكسجين المتاح في مركبات النيتروجين في التنفس. في هذه العملية يطلقون النيتروجين في الغلاف الجوي.

حاليا ، يتم إنتاج أكبر كمية من النيتروجين المستخدم في الزراعة من قبل البشر. وقد أدى ذلك إلى زيادة في هذا العنصر في التربة ومصادر المياه ، مما تسبب في اختلال التوازن في هذه الدورة الكيميائية الجيولوجية.

مؤشر

• 1 الخصائص العامة
  • 1.1 الأصل
  • 1.2 الأشكال الكيميائية 
  • 1.3 التاريخ
  • 1.4 متطلبات الكائنات الحية
• 2 مكونات
  • 2.1 -Reservorios
  • 2.2 - الكائنات الحية الدقيقة المشاركة
• 3 مراحل
  • 3.1 التثبيت
  • 3.2 الاستيعاب
  • 3.3 التجويد
  • 3.4 النترجة
  • 3.5 نزع النتره
• 4 الأهمية
• 5 تعديلات دورة النيتروجين
• 6 المراجع

الخصائص العامة

مصدر

يعتبر أن النيتروجين ناتج عن التخليق النووي (إنشاء نوى ذرية جديدة). وصلت النجوم ذات كتل الهيليوم الكبيرة إلى الضغط ودرجة الحرارة اللازمة لتكوين النيتروجين.

عندما نشأت الأرض ، كان النيتروجين في حالة صلبة. بعد ذلك ، مع النشاط البركاني ، ذهب هذا العنصر إلى الحالة الغازية وتم دمجه في الغلاف الجوي للكوكب.

كان النيتروجين في شكل ن₂. ربما الأشكال الكيميائية المستخدمة من قبل الكائنات الحية (الأمونيا NH₃) ظهرت بدورات النيتروجين بين البحر والبراكين. بهذه الطريقة ، NH₃ سيكون قد تم دمجها في الغلاف الجوي ومع العناصر الأخرى أدت إلى ظهور جزيئات عضوية.

الأشكال الكيميائية

يحدث النيتروجين في أشكال كيميائية مختلفة ، ويشار إلى حالات الأكسدة المختلفة (فقدان الإلكترونات) من هذا العنصر. هذه الأشكال المختلفة تختلف في خصائصها وسلوكها. غاز النيتروجين₂) ليس صدئ.

تصنف الأشكال المؤكسدة على أنها عضوية وغير عضوية. الأشكال العضوية موجودة في الأحماض الأمينية والبروتينات بشكل رئيسي. الدول غير العضوية هي الأمونيا (NH₃) ، أيون الأمونيوم (NH₄) ، النتريت (لا₂) والنترات (لا₃) ، من بين أمور أخرى.

تاريخ

اكتشف النيتروجين في عام 1770 من قبل ثلاثة علماء بشكل مستقل (Scheele و Rutherford و Lavosier). في عام 1790 ، أطلق الفرنسي تشابتال الغاز على أنه نيتروجين.

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، وجد أنه عنصر أساسي في أنسجة الكائنات الحية ونمو النباتات. وبالمثل ، تم إثبات وجود تدفق مستمر بين الأشكال العضوية وغير العضوية.

في البداية كان يعتبر أن مصادر النيتروجين هي البرق وترسب الغلاف الجوي. في عام 1838 ، حدد Boussingault التثبيت البيولوجي لهذا العنصر في البقوليات. ثم ، في عام 1888 ، تم اكتشاف أن الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بجذور البقوليات كانت مسؤولة عن إصلاح N₂.

اكتشاف مهم آخر هو وجود البكتيريا التي كانت قادرة على أكسدة الأمونيا إلى النتريت. وكذلك المجموعات الأخرى التي حولت النتريت إلى نترات.

في وقت مبكر من عام 1885 ، قرر Gayon أن مجموعة أخرى من الكائنات الحية الدقيقة لديها القدرة على تحويل النترات إلى N₂. بهذه الطريقة ، يمكن فهم دورة النيتروجين على الكوكب.

متطلبات الكائنات الحية

تتطلب جميع الكائنات الحية النيتروجين لعملياتها الحيوية ، ولكن ليس جميعها يستخدمونها بنفس الطريقة. بعض البكتيريا قادرة على استخدام النيتروجين في الغلاف الجوي مباشرة. يستخدم آخرون المركبات النيتروجينية كمصدر للأكسجين.

تتطلب الكائنات ذاتية التغذية إمدادًا على شكل نترات. من جانبهم ، لا يمكن للعديد من المغاير استخدامها إلا في شكل مجموعات أمينية يحصلون عليها من طعامهم.

المكونات

-الخزانات

أكبر مصدر طبيعي للنيتروجين هو الغلاف الجوي ، حيث يوجد 78 ٪ من هذا العنصر في شكل غازي (N₂) ، مع بعض آثار أكسيد النيتروز وأول أكسيد النيتروجين.

تحتوي الصخور الرسوبية على حوالي 21٪ يتم إطلاقها ببطء شديد. ويرد 1 ٪ المتبقية في المواد العضوية والمحيطات في شكل النيتروجين العضوي والنترات والأمونيا.

-الكائنات الحية الدقيقة المشاركة

هناك ثلاثة أنواع من الكائنات الحية الدقيقة التي تشارك في دورة النيتروجين. هذه هي المثبتات ، النتريفات و denitrifiers.

ن تحديد البكتيريا₂

يرمزون لمركب من إنزيمات النيتروجين التي تشارك في عملية التثبيت. معظم هذه الكائنات الحية الدقيقة تستعمر جذور النباتات وتتطور داخل أنسجتها.

النوع الاكثر شيوعا من تحديد البكتيريا هو الريزوبيم, الذي يرتبط مع جذور البقوليات. هناك أنواع أخرى مثل Frankia, نوستوك و Pasasponia التي تتعايش مع جذور مجموعات أخرى من النباتات.

البكتيريا الزرقاء في شكل حر ، يمكن إصلاح النيتروجين في الغلاف الجوي في البيئات المائية

البكتيريا النترجة

هناك ثلاثة أنواع من الكائنات الحية الدقيقة التي تشارك في عملية النترجة. هذه البكتيريا قادرة على أكسدة الأمونيا أو أيون الأمونيوم الموجود في التربة. إنها كائنات كيميائية عضوية (قادرة على أكسدة المواد غير العضوية كمصدر للطاقة).

تتدخل البكتيريا ذات الأجناس المختلفة بالتسلسل في هذه العملية. ورم نيترومي أكسدة NH3 و NH4 إلى النتريت. ثم Nitrobacter و Nitrosococcus أكسدة هذا المركب إلى النترات.

في عام 2015 تم اكتشاف مجموعة أخرى من البكتيريا المشاركة في هذه العملية. فهي قادرة على أكسدة الأمونيا مباشرة إلى النترات وتقع في الجنس Nitrospira. بعض الفطريات قادرة أيضا على نترجة الأمونيا.

نزع البكتيريا

لقد تمت الإشارة إلى أن أكثر من 50 جنسًا مختلفًا من البكتيريا يمكن أن يقلل النترات إلى ن₂. يحدث هذا في ظل الظروف اللاهوائية (عدم وجود الأكسجين).

أكثر الأنواع الشائعة الشائعة هي المقلونة, Paracoccus, الزائفة, الريزوبيم, Thiobacillus و Thiosphaera. غالبية هذه المجموعات غير متجانسة.

في عام 2006 تم اكتشاف بكتيريا (ميثيلوميرابيليس أوكسيفيرا) وهو الهوائية. إنه ميثانوتورفي (يحصل على طاقة الكربون والميثان) وهو قادر على الحصول على الأكسجين من عملية نزع النتروجين.

مراحل

تمر دورة النيتروجين بعدة مراحل في تعبئتها في جميع أنحاء الكوكب. هذه المراحل هي:

تحديد

إنه تحويل النيتروجين في الغلاف الجوي إلى أشكال تعتبر تفاعلية (والتي يمكن استخدامها من قبل الكائنات الحية). كسر الروابط الثلاثة التي تحتوي على جزيء N₂ يتطلب قدرا كبيرا من الطاقة ويمكن أن يحدث بطريقتين: غير الحيوي أو الحيوي.

تثبيت اللاأحيائي

يتم الحصول على النترات عن طريق تثبيت الطاقة العالية في الغلاف الجوي. انها تأتي من الطاقة الكهربائية من البرق والإشعاع الكوني.

ذا ن₂ يتم دمجها مع الأكسجين لتكوين أشكال مؤكسدة من النيتروجين مثل NO (ثاني أكسيد النيتروجين) و NO₂ (أكسيد النيتروز). بعد ذلك ، يتم إحضار هذه المركبات إلى سطح الأرض بواسطة المطر مثل حمض النتريك (HNO)₃).

يشتمل التثبيت عالي الطاقة على حوالي 10٪ من النترات الموجودة في دورة النيتروجين.

التثبيت الحيوي

ويتم ذلك عن طريق الكائنات الحية الدقيقة في التربة. عموما ترتبط هذه البكتيريا مع جذور النباتات. يقدر أن التثبيت الحيوي السنوي للنيتروجين يبلغ حوالي 200 مليون طن سنويًا.

يتحول النيتروجين في الغلاف الجوي إلى الأمونيوم. في المرحلة الأولى من التفاعل ، N₂ يتم تقليل إلى NH₃ (الأمونيا). بهذه الطريقة يتم دمجها في الأحماض الأمينية.

في هذه العملية ، يتم استخدام مجمع إنزيمي مع العديد من مراكز الحد من الأكسيد. يتكون مجمع النيتروجيناز من اختزال (يوفر الإلكترونات) ونيتروجين. يستخدم الأخير الإلكترونات لتقليل N₂ إلى NH₃. في هذه العملية يتم استهلاك كمية كبيرة من ATP.

يتم تثبيط مجمع النيتروجين بشكل لا رجعة فيه في وجود تركيزات عالية من O₂. في العقيدات الجذرية ، يوجد بروتين (ليغيموغلوبين) يبقي محتوى O منخفضًا للغاية₂. ينتج هذا البروتين عن طريق التفاعل بين الجذور والبكتيريا.

استيعاب

النباتات التي ليس لها أي ارتباط تكافلي مع البكتيريا المثبتة للـ N₂, يأخذون النيتروجين من التربة. يتم امتصاص هذا العنصر في شكل نترات خلال الجذور.

بمجرد دخول النترات إلى النبات ، يتم استخدام جزء من الخلايا الجذرية. يتم توزيع جزء آخر من النسيج إلى النبات كله.

عندما يتم استخدامه ، يتم تقليل النترات إلى النتريت في السيتوبلازم. يتم تحفيز هذه العملية عن طريق اختزال نترات الإنزيم. يتم نقل النيتريت إلى البلاستيدات الخضراء وغيرها من البلاستيدات ، حيث يتم اختزالها إلى أيون الأمونيوم (NH₄).

أيون الأمونيوم بكميات كبيرة سامة للنبات. لذلك يتم دمجها بسرعة في هياكل عظمية كربونية لتشكيل الأحماض الأمينية والجزيئات الأخرى.

في حالة المستهلكين ، يتم الحصول على النيتروجين عن طريق التغذية مباشرة من النباتات أو الحيوانات الأخرى.

amonificación

في هذه العملية ، تتحلل مركبات النيتروجين الموجودة في التربة إلى أشكال كيميائية أبسط. يوجد النيتروجين في المواد العضوية الميتة والنفايات مثل اليوريا (البول من الثدييات) أو حمض اليوريك (فضلات الطيور).

النيتروجين الموجود في هذه المواد في شكل مركبات عضوية معقدة. تستخدم الكائنات الحية الدقيقة الأحماض الأمينية الموجودة في هذه المواد لإنتاج بروتيناتها. في هذه العملية يطلقون النيتروجين الزائد في شكل أمونيا أو أيون الأمونيوم.

هذه المركبات متوفرة في التربة للكائنات الحية الدقيقة الأخرى للعمل في المراحل التالية من الدورة.

النترجة

خلال هذه المرحلة ، تعمل بكتيريا التربة على أكسدة الأمونيا وأيون الأمونيوم. في هذه العملية ، يتم إطلاق الطاقة التي تستخدمها البكتيريا في عملية التمثيل الغذائي.

في الجزء الأول ، والبكتيريا النتروزية للجنس Nitrosomas أكسدة الأمونيا وأيون الأمونيوم في النتريت. في غشاء هذه الكائنات الحية الدقيقة هو إنزيم الأمونيا mooxigenasa. هذا يؤكسد NH₃ لهيدروكسيل أمين ، والذي يتأكسد بعد ذلك إلى النتريت في محيط النواة للبكتيريا.

في وقت لاحق ، أكسدة البكتيريا النتريت النتريت إلى النترات باستخدام إنزيم النتريت أوكسيريدوكتاز. النترات متوفرة في التربة ، حيث يمكن امتصاصها بواسطة النباتات.

النتروجين

في هذه المرحلة ، يتم تحويل الأشكال المؤكسدة من النيتروجين (النتريت والنترات) مرة أخرى إلى N₂ وإلى حد أقل أكسيد النيتروز.

يتم تنفيذ هذه العملية عن طريق البكتيريا اللاهوائية ، والتي تستخدم مركبات النيتروجين كمقبلات للإلكترون أثناء التنفس. يعتمد معدل نزع النتروجين على عدة عوامل ، مثل النترات المتاحة وتشبع التربة ودرجة الحرارة.

عندما تكون التربة مشبعة بالماء ، فإن O₂ أنها ليست متاحة بسهولة والبكتيريا استخدام NO₃ باعتباره متقبل الإلكترون. عندما تكون درجات الحرارة منخفضة للغاية ، لا تستطيع الكائنات الدقيقة تنفيذ العملية.

هذه المرحلة هي الطريقة الوحيدة التي يتم بها إزالة النيتروجين من النظام البيئي. بهذه الطريقة ، فإن N₂ التي تم إرجاعها إلى الغلاف الجوي والحفاظ على توازن هذا العنصر.

أهمية

هذه الدورة لها أهمية بيولوجية كبيرة. كما أوضحنا سابقًا ، يعتبر النيتروجين جزءًا مهمًا من الكائنات الحية. من خلال هذه العملية تصبح قابلة للاستخدام بيولوجيا.

في تطوير المحاصيل ، يعد توافر النيتروجين أحد القيود الرئيسية على الإنتاجية. منذ بداية الزراعة ، تم إثراء التربة بهذا العنصر.

زراعة البقوليات لتحسين نوعية التربة هي ممارسة شائعة. وبالمثل ، فإن زراعة الأرز في التربة التي غمرتها الفيضانات يعزز الظروف البيئية اللازمة لاستخدام النيتروجين.

خلال القرن التاسع عشر ، تم استخدام ذرق الطائر (فضلات الطيور) على نطاق واسع كمصدر خارجي للنيتروجين في المحاصيل. ومع ذلك ، بحلول نهاية هذا القرن لم يكن كافيا لزيادة إنتاج الغذاء.

قام الكيميائي الألماني فريتز هابر ، في نهاية القرن التاسع عشر ، بتطوير عملية قام كارلو بوش بتسويقها لاحقًا. وهذا ينطوي على جعل N يتفاعل₂ والهيدروجين الغازي لتشكيل الأمونيا. ومن المعروف باسم عملية هابر بوش.

هذا النوع من الأمونيا الاصطناعية هو أحد المصادر الرئيسية للنيتروجين القابل للاستعمال بواسطة الكائنات الحية. يعتبر أن 40 ٪ من سكان العالم يعتمدون على هذه الأسمدة في طعامهم.

تعديلات دورة النيتروجين

يبلغ إنتاج الأمونيا الحالي الناتج عن الأنشطة البشرية حوالي 85 طنًا سنويًا. هذا يجلب عواقب سلبية في دورة النيتروجين.

بسبب الاستخدام العالي للأسمدة الكيماوية ، هناك تلوث للتربة والمياه الجوفية. يعتبر أن أكثر من 50 ٪ من هذا التلوث هو نتيجة لتوليف هابر بوش.

تؤدي تجاوزات النيتروجين إلى التخثث (الإثراء بالمواد المغذية) للأجسام المائية. إن التخثر الناتج عن الأنشطة البشرية سريع للغاية ويسبب نموًا سريعًا للطحالب.

هذه تستهلك كميات كبيرة من الأكسجين ويمكن أن تتراكم السموم. بسبب نقص الأكسجين ، فإن الكائنات الحية الأخرى الموجودة في النظام الإيكولوجي تنتهي بموتها.

بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي استخدام الوقود الأحفوري إلى إطلاق كميات كبيرة من أكسيد النيتروز في الغلاف الجوي. يتفاعل هذا مع الأوزون ويشكل حمض النتريك ، وهو أحد مكونات المطر الحمضي.

مراجع

1. Cerón L and A Aristizábal (2012) ديناميات دورة النيتروجين والفوسفور في التربة. القس. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R and B Quesada (2010) عملية Haber-Bosch في المجتمع الصناعي الزراعي: الأخطار والبدائل. النظام الزراعي: السلع ، والصراعات والمقاومة. افتتاحية ILSA. بوغوتا ، كولومبيا 75-95
3. Galloway JN (2003) دورة النيتروجين العالمية. In: Schelesinger W (ed.) أطروحة عن الجيوكيمياء. إلسفير ، الولايات المتحدة الأمريكية. ص 557-583.
4. Galloway JN (2005) دورة النيتروجين العالمية: الماضي والحاضر والمستقبل. العلوم في الصين Ser C علوم الحياة 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) سلسلة النيتروجين الناجمة عن الأنشطة البشرية. ايكوس 16: 14-17.
6. شتاين لام وكلوتز (2016) دورة النيتروجين. علم الأحياء الحالي 26: 83-101.