מאפייני מחזור חנקן, מאגרים, שלבים, חשיבות

ה מחזור חנקן זה תהליך של חנקן בין האטמוספרה לביוספרה. זהו אחד מחזורי biogeochemical הרלוונטיים ביותר. חנקן (N) הוא מרכיב בעל חשיבות רבה, שכן הוא נדרש על ידי כל האורגניזמים לצמיחתה. זהו חלק מהרכב הכימי של חומצות גרעין (DNA ו- RNA) וחלבונים.

הכמות הגדולה ביותר של חנקן על פני כדור הארץ היא באווירה. החנקן האטמוספרי (N₂) לא ניתן להשתמש ישירות על ידי רוב היצורים החיים. ישנם חיידקים מסוגלים לתקן את זה ולשלב אותו לתוך האדמה או המים בדרכים שניתן להשתמש בהם על ידי אורגניזמים אחרים.

לאחר מכן, חנקן הוא מתבולל על ידי אורגניזמים autotrophic. רוב האורגניזמים הטרוטרופיים רוכשים אותו על ידי האכלה. לאחר מכן הם משחררים את החריגות בצורה של שתן (יונקים) או צואה (ציפורים).

בשלב אחר של התהליך ישנם חיידקים המשתתפים בהפיכת אמוניה לניטריטים ולחנקות המשולבים בקרקע. ובסוף המחזור, קבוצה נוספת של מיקרואורגניזמים משתמשת בחמצן הזמין בתרכובות חנקן בנשימה. בתהליך זה הם משחררים את החנקן בחזרה לאטמוספירה.

כיום, הכמות הגדולה ביותר של חנקן המשמשים בחקלאות מיוצר על ידי בני אדם. זה הביא עודף של אלמנט זה בקרקע ומקורות מים, מה שגורם לחוסר איזון במחזור ביוגיוכימי זה.

אינדקס

• 1 מאפיינים כלליים
  • 1.1 מוצא
  • 1.2 צורות כימיות 
  • 1.3 היסטוריה
  • 1.4 דרישות לאורגניזמים
• 2 רכיבים
  • 2.1 - מאגרים
  • 2.2 - מיקרואורגניזמים המשתתפים
• 3 שלבים
  • 3.1 תיקון
  • 3.2 הטמעה
  • 3.3 אמוניפיקציה
  • 3.4 ניטריפיקציה
  • 3.5 ניטרול
• 4 חשיבות
• 5 שינויים של מחזור החנקן
• 6 הפניות

מאפיינים כלליים

מוצא

זה נחשב כי חנקן שמקורו nucleosynthesis (יצירת גרעינים אטומיים חדשים). כוכבים עם מסות הליום גדולות הגיעו ללחץ והטמפרטורה הדרושים ליצירת חנקן.

כאשר כדור הארץ מקורו, החנקן היה במצב מוצק. לאחר מכן, עם הפעילות הגעשית אלמנט זה נכנס למצב הגזי ושולב באטמוספירה של הכוכב.

החנקן היה בצורת נ₂. כנראה צורות כימיות בשימוש על ידי יצורים חיים (אמוניה NH₃) הופיעו על ידי מחזורי חנקן בין הים לבין הרי געש. בדרך זו, NH₃ היו משולבים באטמוספרה ויחד עם גורמים אחרים הולידו מולקולות אורגניות.

צורות כימיות

חנקן מתרחש בצורות כימיות שונות, התייחס למצבי חמצון שונים (אובדן אלקטרונים) של אלמנט זה. צורות שונות אלה משתנות הן במאפייניהן והן בהתנהגותן. גז חנקן (N₂) אינו חלוד.

צורות חמצון מסווגים אורגני ו אנאורגני. הצורות האורגניות נמצאות בחומצות אמינו ובחלבונים בעיקר. המדינות האורגניות הן אמוניה (NH₃), יון אמוניום (NH₄), nitrites (NO₂) וחנקות (NO₃), בין היתר.

היסטוריה

חנקן התגלה בשנת 1770 על ידי שלושה מדענים באופן עצמאי (Scheele, Rutherford and Lavosier). בשנת 1790 הצרפתי בשם Chaptal בשם גז כמו חנקן.

במחצית השנייה של המאה התשע עשרה נמצא כי הוא מרכיב חיוני ברקמות של אורגניזמים חיים וצמיחת צמחים. כמו כן, הוכח קיומו של זרם קבוע בין הצורות האורגניות והאורגניות.

בהתחלה זה נחשב כי מקורות החנקן היו ברק ותצהיר אטמוספרי. ב- 1838 קבע בוסינגו את הקיבוע הביולוגי של יסוד זה בקטניות. ואז, בשנת 1888, התגלה כי מיקרואורגניזמים הקשורים שורשי קטניות היו אחראים לתקן את N₂.

תגלית חשובה נוספת היא קיומם של חיידקים המסוגלים לחמצן אמוניה לניטריטים. כמו גם קבוצות אחרות אשר הפכו nitrites לתוך חנקות.

כבר בשנת 1885, גייון קבע כי קבוצה אחרת של מיקרואורגניזמים יש את היכולת להפוך חנקות לתוך N₂. בדרך כזו, כי מחזור חנקן על הפלנטה יכול להיות מובן.

דרישת אורגניזמים

כל היצורים החיים דורשים חנקן לתהליכים החיוניים שלהם, אך לא כולם משתמשים בו באותו אופן. כמה חיידקים מסוגלים להשתמש בחנקן אטמוספרי ישירות. אחרים משתמשים בתרכובות חנקן כמקור חמצן.

אורגניזמים אוטוטרופיים דורשים אספקה ​​בצורה של חנקות. מצידם, הטרוטרופים רבים יכולים להשתמש בו רק בצורת קבוצות אמינו שהם מקבלים מהאוכל שלהם.

רכיבים

-מאגרים

המקור הטבעי הגדול ביותר של חנקן הוא האווירה, שם 78% של אלמנט זה נמצא בצורה גזי (N₂), עם כמה עקבות של תחמוצות חנקן וחנקן חד חמצני.

סלעים משקעים מכילים כ 21% משחררים לאט מאוד. 1% הנותרים מכילה חומר אורגני והאוקיינוסים בצורה של חנקן אורגני, חנקות ואמוניה.

-משתתפים מיקרואורגניזמים

ישנם שלושה סוגים של מיקרואורגניזמים המשתתפים במחזור החנקן. אלה הם מסדרנים, nitrifiers ו denitrifiers.

N- תיקון חיידקים₂

הם קוד עבור קומפלקס של אנזימים nitrogenase המעורבים בתהליך קיבוע. רוב מיקרואורגניזמים אלה ליישב את הריזופירה של צמחים ולהתפתח בתוך הרקמות שלהם.

הסוג הנפוץ ביותר של חיידקים תיקון הוא רייזוביום, אשר מזוהה עם שורשים של קטניות. יש ז'אנרים אחרים כמו פרנקיה, נוסטוק ו פסאספוניה זה עושה סימביוזה עם שורשים של קבוצות אחרות של צמחים.

Cyanobacteria בצורה חופשית, ניתן לתקן חנקן אטמוספרי בסביבות מימיות

חיידקים מזיקים

ישנם שלושה סוגים של מיקרואורגניזמים המעורבים בתהליך ניטריפיקציה. חיידקים אלה מסוגלים חמצון אמוניה או יון אמוניום נוכח באדמה. הם אורגניזמים chemolithotrophic (המסוגל לחמצן חומרים אנאורגניים כמקור אנרגיה).

חיידקים של גנרלים שונים להתערב ברצף בתהליך. Nitrosoma ו Nitrocystis לחמצן NH3 ו NH4 ל nitrites. ואז Nitrobacter ו ניטרוסקוקוס לחמצן את המתחם לחנקות.

בשנת 2015 התגלתה קבוצה נוספת של חיידקים המעורבים בתהליך זה. הם מסוגלים ישירות חמצון אמוניה לחנקות ממוקמים בסוג ניטרוספירה. כמה פטריות מסוגלים גם אמוניה nitrifying.

חיידקים דוחה

זה כבר ציין כי יותר מ -50 סוגים שונים של חיידקים יכולים להפחית חנקות ל- N₂. זה קורה בתנאים אנאירוביים (העדר חמצן).

הנפוץ ביותר denirrifying גנריות הם אלקליגנים, פאראקוקוס, פסודומונס, רייזוביום, Thiobacillus ו תיוספרה. רוב הקבוצות הללו הן הטרוטרופיות.

בשנת 2006 התגלה חיידק (Methylomirabilis oxyfera) שהוא אירובי. זה methanotrophic (משיגה פחמן ומתאן אנרגיה) והוא מסוגל לקבל חמצן מן תהליך denitrification.

שלבים

מחזור החנקן עובר כמה שלבים בהתגייסותו בכל רחבי כדור הארץ. השלבים הבאים הם:

קיבעון

זה ההמרה של חנקן אטמוספרי לצורות נחשב תגובתי (אשר ניתן להשתמש על ידי יצורים חיים). שבירת שלוש הקשרים המכילים את המולקולה N₂ זה דורש כמות גדולה של אנרגיה יכול להתרחש בשתי דרכים: אביוטי או ביוטי.

קיבעון אביוטי

חנקות מתקבלים על ידי קיבוע אנרגיה גבוהה באטמוספרה. זה בא מן האנרגיה החשמלית של ברק וקרינה קוסמית.

נ₂ הוא משולב עם חמצן כדי להפיק צורות חמצון של חנקן כגון NO (דו תחמוצת חנקן) ו NO₂ (תחמוצת החנקן). לאחר מכן, תרכובות אלה מובאים על פני כדור הארץ על ידי גשם כמו חומצה חנקתית (HNO)₃).

קיבוע אנרגיה גבוהה משלבת כ -10% של החנקות הקיימות במחזור החנקן.

קיבוע ביולוגי

זה מתבצע על ידי מיקרואורגניזמים הקרקע. בדרך כלל חיידקים אלה קשורים עם שורשי הצמחים. ההערכה היא כי הקיבעון הביולוגי השנתי של חנקן הוא כ 200 מיליון טון בשנה.

החנקן האטמוספרי הופך לאמוניום. בשלב הראשון של התגובה, N₂ מצטמצם ל NH₃ (אמוניה). בדרך זו הוא משולב לתוך חומצות האמינו.

בתהליך זה, מעורב קומפלקס אנזימטי עם מרכזי הפחתת תחמוצת שונים. זה מורכב nitrogenase מורכב reductase (מספק אלקטרונים) ו nitrogenase. האחרון משתמש האלקטרונים כדי להפחית את N₂ ל NH₃. בתהליך כמות גדולה של ATP הוא נצרך.

המרכיב nitrogenase הוא מעכב באופן בלתי הפיך בנוכחות ריכוזים גבוהים של O₂. בגידולים הרדיקליים קיים חלבון (leghemoglobin) אשר שומר על תוכן O נמוך מאוד₂. חלבון זה מיוצר על ידי אינטראקציה בין שורשים וחיידקים.

הטמיעה

צמחים שאין להם קשר סימביוטי עם N- תיקון חיידקים₂, הם לוקחים את החנקן מהקרקע. הקליטה של ​​אלמנט זה נעשה בצורה של חנקות דרך השורשים.

לאחר החנקות להיכנס לצמח, חלק משמש את תאי השורש. חלק אחר מופץ על ידי העצה לצמח כולו.

כאשר הוא הולך לשמש, חנקתי מצטמצם ניטריט בציטופלסמה. תהליך זה הוא catalyzed על ידי אנזים ניטראט רדוקטאז. Nitrites מועברים chloroplasts ופלסטידים אחרים, שם הם מופחת יוני יון (NH₄).

יון אמוניום בכמויות גדולות הוא רעיל לצמח. אז זה משולב במהירות לתוך שלדי פחמן כדי ליצור חומצות אמינו ומולקולות אחרות.

במקרה של הצרכנים, חנקן מתקבל על ידי האכלה ישירות מצמחים או בעלי חיים אחרים.

אמוניפיקציה

בתהליך זה, תרכובות חנקן הנוכחי באדמה מושפלות צורות כימיות פשוטות יותר. חנקן נמצא בחומר אורגני מת ופסולת כגון אוריאה (שתן מ יונקים) או חומצת שתן (excreta מן הציפורים).

החנקן הכלול בחומרים אלה הוא בצורה של תרכובות אורגניות מורכבות. מיקרואורגניזמים משתמשים בחומצות האמינו הכלולות בחומרים אלו כדי לייצר את החלבונים שלהם. בתהליך זה הם משחררים עודף חנקן בצורה של אמוניה או יון אמוניום.

תרכובות אלו זמינות בקרקע עבור מיקרואורגניזמים אחרים לפעול בשלבים הבאים של המחזור.

ניטריפיקציה

במהלך שלב זה חיידקים קרקע לחמצן אמוניה יון אמוניום. בתהליך זה, האנרגיה משוחררת כי משמש את החיידקים שלהם מטבוליזם.

בחלק הראשון, החיידקים nitrosifying של הסוג ניטרוזומים לחמצן אמוניה ויון אמוניום לניטריט. בקרום של מיקרואורגניזמים אלה היא אמוניה mooxigenasa אמוניה. זה מחמצן את NH₃ כדי hydroxylamine, אשר מחומצן אז ניטריט ב periplasm של החיידק.

לאחר מכן, החיידקים ניטרינג לחמצן את nitrites כדי חנקות באמצעות oxidoreductase ניטריט אנזים. חנקות זמינות בקרקע, שם הם יכולים להיספג על ידי צמחים.

דחייה

בשלב זה, צורות חמצון של חנקן (nitrites וניטרטים) מומרים חזרה N₂ ובמידה פחותה תחמוצת החנקן.

התהליך מבוצע על ידי חיידקים אנאירוביים, אשר משתמשים תרכובות חנקן כמו acceptors אלקטרונים במהלך הנשימה. שיעור דטרניפיקציה תלוי במספר גורמים, כגון ניטראטציה זמין ורוויית אדמה וטמפרטורה.

כאשר הקרקע רוויה במים, O₂ זה לא זמין וחיידקים להשתמש לא₃ כמו acceptor אלקטרונים. כאשר הטמפרטורות נמוכות מאוד, מיקרואורגניזמים לא יכולים לבצע את התהליך.

שלב זה הוא הדרך היחידה בה מסיר חנקן ממערכת אקולוגית. בדרך זו, N₂ זה היה קבוע החזרות לאטמוספרה ואת יתרת האלמנט הזה נשמר.

משמעות

למעגל זה יש רלוונטיות ביולוגית גדולה. כפי שהסברנו קודם, חנקן הוא חלק חשוב של אורגניזמים חיים. בתהליך זה הוא הופך להיות שמיש מבחינה ביולוגית.

בפיתוח של גידולים, הזמינות של חנקן הוא אחד המגבלות העיקריות על הפריון. מאז תחילת החקלאות, האדמה הועשרה עם אלמנט זה.

טיפוח של קטניות כדי לשפר את איכות הקרקע היא נוהג נפוץ. כמו כן, נטיעת אורז באדמה מוצפת מקדם את התנאים הסביבתיים הדרושים לשימוש של חנקן.

במהלך המאה ה -19, guano (excreta ציפור) היה בשימוש נרחב כמקור חיצוני של חנקן בגידולים. עם זאת, עד סוף המאה זה לא היה מספיק כדי להגדיל את ייצור המזון.

הכימאי הגרמני פריץ הבר, בסוף המאה ה -19, פיתח תהליך ששוחרר מאוחר יותר על ידי קרלו בוש. זה כרוך ביצוע N מגיב₂ ומימן גזי ליצירת אמוניה. זה ידוע בשם תהליך Haber-Bosch.

צורה זו של אמוניה מלאכותית היא אחד המקורות העיקריים של חנקן שמיש על ידי יצורים חיים. זה נחשב כי 40% מאוכלוסיית העולם תלוי אלה דשנים עבור האוכל שלהם.

שינויים של מחזור החנקן

ייצור האמינו האנתרופוגני הנוכחי הוא כ 85 - טון בשנה. זה מביא לתוצאות שליליות במחזור החנקן.

בשל השימוש הגבוה בדשנים כימיים, יש זיהום של קרקעות ואקוויפרים. זה נחשב כי יותר מ 50% של זיהום זה הוא תוצאה של Haber-Bosch סינתזה.

החריגות של חנקן להוביל את eutropication (העשרה עם חומרים מזינים) של גופי מים. אטרופיקציה אנתרופוגנית היא מהירה מאוד וגורמת לצמיחה מואצת בעיקר של אצות.

אלה צורכים כמויות גדולות של חמצן והוא יכול לצבור רעלים. בשל חוסר חמצן, אורגניזמים אחרים הנוכחים במערכת האקולוגית בסופו של דבר גוסס.

בנוסף, השימוש בדלקים פוסיליים משחרר כמויות גדולות של תחמוצת חנקן לאטמוספרה. זה מגיב עם אוזון וחומצה חומצה חנקתית, שהוא אחד המרכיבים של גשם חומצי.

הפניות

1. Cerón L ו A Aristizábal (2012) דינמיקה של מחזור חנקן וזרחן בקרקעות. L מפעל ביוטכנולוגיה 14: 285-295.
2. Estupiñan R ו B Quesada (2010) את תהליך Haber-Bos בחברה agroindustrial: סכנות חלופות. המערכת האגרולימאנטית: מסחור, מאבקים והתנגדות. מאמר מערכת. בוגוטה, קולומביה 75-95
3. Galloway JN (2003) מחזור החנקן העולמי. ב: שלזינגר W (עורך) מסה על גיאוכימיה. אלסבייר, ארה"ב. עמ '557-583.
4. Galloway JN (2005) מחזור החנקן העולמי: עבר, הווה ועתיד. מדע בסין סר סי מדעי החיים 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) מפל החנקן הנגרם על ידי פעילות האדם. Oikos 16: 14-17.
6. שטיין L ו- M Klotz (2016) מחזור החנקן. ביולוגיה נוכחית 26: 83-101.