KVÄVECYKEL: EGENSKAPER, RESERVOARER OCH STADIER - MILJÖ - 2025

Den kvävecykeln är processen av kväve rörelse 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 är i atmosfären. Atmosfäriskt kväve (N ₂ ) kan inte användas direkt av de flesta levande saker. Det finns bakterier som kan fixa den och införliva den i jorden eller vattnet på sätt som kan användas av andra organismer.

Vattenkropp eutrofieras genom anrikning med kväve och fosfor i Lille (norra Frankrike). Författare: F. lamiot (eget verk), från Wikimedia Commons

Därefter assimileras kväve av autotrofiska organismer. De flesta heterotrofiska organismer förvärvar det genom mat. Sedan frigör de överskottet i form av urin (däggdjur) eller excrement (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 är tillgängligt i kvävehaltiga föreningar i andning. 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 orsakat en obalans i denna biogeokemiska cykel.

Generella egenskaper

Ursprung

Kväve anses ha kommit genom nukleosyntes (skapande av nya atomkärnor). Stjärnor med stora massor av helium nådde det tryck och temperatur som var nödvändig för att kväve skulle bildas.

När jorden uppstod var kväve i fast tillstånd. Senare, med vulkanisk aktivitet, blev detta element ett gasformigt tillstånd och införlivades i planetens atmosfär.

Kväve var i form av N ₂ . Förmodligen de kemiska formerna som används av levande varelser (NH ₃ ammoniak ) dök upp av kvävcykler mellan havet och vulkanerna. På detta sätt, NH ₃ skulle ha införlivats i atmosfären och tillsammans med andra element gav upphov till organiska molekyler.

Kemiska former

Kväve förekommer i olika kemiska former, med hänvisning till olika oxidationstillstånd (förlust av elektroner) för detta element. Dessa olika former varierar både i egenskaper och beteende. Kvävgas (N ₂ ) inte är oxiderad.

Oxiderade former klassificeras i organiska och oorganiska. De organiska formerna förekommer huvudsakligen i aminosyror och proteiner. De oorganiska tillstånden är ammoniak (NH ₃ ), ammoniumjon (NH ₄ ), nitriter (NO ₂ ) och nitrater (NO ₃ ), bland andra.

Historia

Kväve upptäcktes 1770 av tre forskare oberoende (Scheele, Rutherford och Lavosier). 1790 kallade French Chaptal gasen som kväve.

Under andra hälften av 1800-talet befanns det vara en väsentlig komponent i vävnaderna från 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 avsättning. 1838 bestämde Boussingault den biologiska fixeringen av detta element i baljväxter. Då, i 1888, upptäcktes det att mikroorganismerna associerade med rötterna av baljväxter var ansvariga för fixering av N ₂ .

En annan viktig upptäckt var förekomsten av bakterier som kunde oxidera ammoniak till nitriter. Förutom andra grupper som förvandlade nitriter till nitrater.

Så tidigt som 1885, Gayon fastställt att en annan grupp av mikroorganismer hade förmågan att omvandla nitrat till N ₂ . På ett sådant sätt att kvävcykeln på planeten kunde förstås.

Byråns krav

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 syrekälla.

Autotrofiska organismer kräver tillförsel i form av nitrater. För sin del kan många heterotrofer bara använda den i form av aminogrupper som de får från maten.

Komponenter

-Reserves

Den största naturliga kvävekällan är atmosfären, där 78% av detta element finns i gasform (N ₂ ), med några spår av kväveoxid och kväveoxid.

Sedimentära bergarter innehåller cirka 21% som frigörs mycket långsamt. De återstående 1% ingår i organiskt material och haven i form av organiskt kväve, nitrater och ammoniak.

-Meddelande mikroorganismer

Det finns tre typer av mikroorganismer som deltar i kvävcykeln. Dessa är fixeringsmedel, nitreringsmedel och denitifieringsmedel.

N-fixande bakterier

De kodar ett komplex av kväveenzymer som är involverade i fixeringsprocessen. De flesta av dessa mikroorganismer koloniserar växternas rizosfär och utvecklas i deras vävnader.

Den vanligaste släkten att fixa bakterier är Rhizobium, som är förknippat med baljväxter. Det finns andra släkter som Frankia, Nostoc och Pasasponia som gör symbios med rötter från andra grupper av växter.

Cyanobakterier i fri form kan fixa atmosfäriskt kväve i vattenmiljöer

Nitrifierande bakterier

Det finns tre typer av mikroorganismer involverade i nitrifikationsprocessen. Dessa bakterier kan oxidera ammoniak eller den ammoniumjon som finns i jorden. Det är kemolyttrofiska organismer (som kan oxidera oorganiska material som energikälla).

Bakterier av olika släkter intervenerar i processen i följd. Nitrosoma och Nitrocystis oxiderar NH3 och NH4 till nitriter. Nitrobacter och Nitrosococcus oxiderar sedan denna förening till nitrater.

Under 2015 upptäcktes en annan grupp bakterier som ingriper i denna process. De kan direkt oxidera ammoniak till nitrater och finns i släktet Nitrospira. Vissa svampar kan också nitifiera ammoniak.

Denitrifierande bakterier

Det har föreslagits, att mer än 50 olika släkten av bakterier kan minska nitrater till N ₂ . Detta sker under anaeroba förhållanden (frånvaro av syre).

De vanligaste denitrifierande släktena är Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus och Thiosphaera. De flesta av dessa grupper är heterotrofer.

År 2006 upptäcktes en bakterie (Methylomirabilis oxyfera) som är aerob. Det är metanotrofiskt (det erhåller kol och energi från metan) och kan erhålla syre från denitrifikationsprocessen.

Stages

Kvävcykeln går igenom olika stadier i sin mobilisering över hela planeten. Dessa faser är:

Fixering

Det är omvandlingen av atmosfäriskt kväve till former som anses vara reaktiva (som kan användas av levande varelser). Brytningen av de tre bindningar som finns i N ₂ -molekylen kräver en stor mängd energi och kan ske på två sätt: abiotiska eller biotiska.

Kvävecykel. Bytes av YanLebrel från en bild från miljöskyddsbyrån: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, via Wikimedia Commons

Abiotisk fixering

Nitrater erhålls genom fixering med hög energi i atmosfären. Det kommer från den elektriska energin från blixtar och kosmisk strålning.

N ₂ kombineras med syre för att bilda oxiderade former av kväve såsom NO (kvävedioxid) och NO ₂ (kväveoxid). Senare transporteras dessa föreningar till jordens yta med regn som salpetersyra (HNO ₃ ).

Högenergifixering innehåller cirka 10% av de nitrater som finns i kvävcykeln.

Biotisk fixering

Det utförs av mikroorganismer i jorden. Dessa bakterier är generellt förknippade med växternas rötter. Den årliga biotiska kvävefixeringen uppskattas till cirka 200 miljoner ton per år.

Atmosfäriskt kväve förvandlas till ammoniak. I en första fasen av reaktionen, N ₂ reduceras till NH ₃ (ammoniak). I denna form införlivas den i aminosyror.

I denna process är ett enzymatiskt komplex med olika oxidationsreduktionscentra involverat. Detta nitrogenaskomplex består av ett reduktas (tillhandahåller elektroner) och ett kvävgas. De senare använda elektroner för att reducera N ₂ till NH ₃ . En stor mängd ATP konsumeras i processen.

Den nitrogenaskomplexet irreversibelt inhiberas i närvaro av höga koncentrationer av O ₂ . I radikala knutor, är ett protein (leghemoglobin) närvarande som håller O ₂ halten mycket låg . Detta protein produceras genom växelverkan mellan rötterna och bakterierna.

Assimilering

Växter som inte har en symbiotisk förening med N _2- fixande bakterier tar kväve från jorden. Absorptionen av detta element utförs i form av nitrater genom rötterna.

När nitrater har kommit in i växten används en del av rotcellerna. En annan del distribueras av xylemet till hela anläggningen.

När det ska användas reduceras nitrat till nitrit i cytoplasma. Denna process katalyseras av enzymnitratreduktas. Nitriter transporteras till kloroplaster och andra plastider, där de reduceras till ammoniumjonen (NH ₄ ).

Ammoniumjonen är i stora mängder giftig för växten. Så det införlivas snabbt i karbonatskelett för att bilda aminosyror och andra molekyler.

För konsumenterna erhålles kväve genom att matas direkt från växter eller andra djur.

ammonifiering

I denna process bryts de kväveföreningar som finns i jorden ned till enklare kemiska former. Kväve finns i döda organiska ämnen och avfall som urea (däggdjururin) eller urinsyra (fågelutsöndring).

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 frigör de överskott av kväve i form av ammoniak eller ammoniumjon.

Dessa föreningar är tillgängliga i jorden för att andra mikroorganismer kan verka i följande faser av cykeln.

nitrifikation

Under denna fas oxiderar jordbakterier ammoniak och ammoniumjon. I processen frigörs energi som används av bakterierna i deras ämnesomsättning.

I den första delen oxiderar nitrosifierande bakterier av släktet Nitrosomas ammoniak och ammoniumjon till nitrit. Enzymet ammoniakmoxygenas finns i membranet hos dessa mikroorganismer. Detta oxiderar NH ₃ till hydroxylamin, som därefter oxideras till nitrit i periplasman hos bakterierna.

Därefter oxiderar de nitrerande bakterier nitriterna till nitrater med användning av enzymnitritoxidoreduktas. Nitrat förblir tillgängligt i jorden, där de kan tas upp av växter.

denitrifikation

I detta skede, oxiderade former av kväve (nitrit och nitrat) omvandlas tillbaka till N ₂ och i mindre utsträckning till dikväveoxid.

Processen utförs av anaeroba bakterier, som använder kväveföreningar som elektronacceptorer under andning. Denitrifikationshastigheten beror på flera faktorer, såsom tillgängligt nitrat och markmättnad och temperatur.

När jorden är mättad med vatten är O _{2 inte} längre lättillgänglig och bakterier använder NO ₃ som elektronacceptor. När temperaturen är mycket låg, kan mikroorganismer inte utföra processen.

Denna fas är det enda sättet kväve tas bort från ett ekosystem. På detta sätt, den N ₂ är som var fast återgår till atmosfären och återstoden av detta element bibehålls.

Betydelse

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 tillgången på kväve en av de viktigaste produktivitetsbegränsningarna. Sedan jordbrukets början har jorden berikats med detta element.

Odling av baljväxter för att förbättra jordkvaliteten är vanligt. På samma sätt främjar plantering av ris i översvämmade jordar de miljöförhållanden som är nödvändiga för användning av kväve.

Under 1800-talet användes guano (fågelutsöndring) allmänt som en yttre kvävekälla i grödor. I slutet av detta århundrade var det dock otillräckligt för att öka livsmedelsproduktionen.

Den tyska kemisten Fritz Haber utvecklade i slutet av 1800-talet en process som senare kommersialiserades av Carlo Bosch. Detta består i omsättning av N ₂ och vätgas för att bilda ammoniak. Det är känt som Haber-Bosch-processen.

Denna form av konstgjord produktion av ammoniak är en av de viktigaste kvävekällorna som kan användas av levande varelser. Det anses att 40% av världspopulationen beror på dessa gödselmedel för sin mat.

Störningar av kvävecykler

Den nuvarande antropiska produktionen av ammoniak är cirka 85 ton per år. Detta har negativa konsekvenser för kvävcykeln.

På grund av den höga användningen av kemiska gödselmedel är det förorening av jord och akviferer. Det anses att mer än 50% av denna förorening är en följd av Haber-Bosch-syntesen.

Kväveöverskott leder till eutrifikation (berikning med näringsämnen) i vattendrag. Antropisk euutrifikation är mycket snabb och orsakar accelererad tillväxt främst av alger.

De konsumerar mycket syre och kan samla upp gifter. På grund av bristen på syre slutar de andra organismerna som finns i ekosystemet att dö.

Dessutom släpper användningen av fossila bränslen stora mängder kväveoxid ut i atmosfären. Detta reagerar med ozon och bildar salpetersyra, som är en av komponenterna i surt regn.

referenser

1. Cerón L och A Aristizábal (2012) Dynamik för kväve- och fosforcykeln i jord. Pastor Colomb. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R och B Quesada (2010) Haber-Bosch-processen i det agroindustriella samhället: faror och alternativ. Agrifood-systemet: kommodifiering, kamp och motstånd. Redaktionell ILSA. Bogota Colombia. 75-95
3. Galloway JN (2003) Den globala kvävcykeln. I: Schelesinger W (red.) Avhandling om geokemi. Elsevier, USA. s 557-583.
4. Galloway JN (2005) Den globala kvävcykeln: förflutna, nutid och framtid. Science in China Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Kvävekaskaden orsakad av mänskliga aktiviteter. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L och M Klotz (2016) Kvävcykeln. Aktuell biologi 26: 83-101.