Razumevanje dušikovega kroga

Med biogeokemičnimi cikli je dušik najbolj preučevan. Preverite povzetek in se zavedajte njegovega pomena

Dušikov cikel

Dušik je bistven kemični element za obstoj življenja na Zemlji, saj je poleg dušikovih baz (ki tvorijo molekule DNA in RNA) sestavni del vseh aminokislin v našem telesu. Približno 78% zraka, ki ga vdihavamo, je sestavljen iz dušika iz ozračja (N 2), ki je njegov največji rezervoar. Eden od razlogov za to je, da je N 2 inertna oblika dušika, to je plin, ki v običajnih situacijah ni reaktiven. Tako se v atmosferi kopiči že od nastanka planeta. Kljub temu ima le malo živih bitij sposobno, da jo absorbirajo v molekularni obliki (N 2). Izkazalo se je, da dušik, tako kot železo in žveplo, sodeluje v naravnem ciklu, v katerem se njegova kemijska struktura pretvori v vsaki od faz,služi kot osnova za druge reakcije in tako postane na voljo drugim organizmom - to je velik pomen dušikovega kroga (ali "dušikovega kroga").

Da atmosferski N 2 doseže tla in vstopi v ekosistem, mora iti skozi postopek, imenovan fiksacija, ki ga izvajajo majhne skupine nitrificirajočih bakterij, ki odstranijo dušik v obliki N 2 in ga vključijo v svoje organske molekule. Kadar fiksacijo izvajajo živi organizmi, na primer bakterije, se to imenuje biološka fiksacija ali biofiksacija. Trenutno je mogoče uporabiti tudi komercialna gnojila za fiksiranje dušika, ki označujejo industrijsko fiksacijo, ki se pogosto uporablja v kmetijstvu. Poleg teh obstaja tudi fizična fiksacija, ki se izvaja s strelo in električnimi iskrami, skozi katere se dušik oksidira in skozi deževje prenese v tla, vendar ima taka metoda zmanjšano sposobnost fiksiranja dušika,kar ni dovolj, da se organizmi in življenje na Zemlji ohranijo.

Ko bakterije pritrdijo N 2, sprostijo amoniak (NH 3). Amoniak v stiku z molekulami vode v tleh tvori amonijev hidroksid, ki pri ionizaciji tvori amonij (NH 4) v procesu, ki je del dušikovega cikla in se imenuje amonifikacija. V naravi obstaja ravnovesje med amoniakom in amonijem, ki ga uravnava pH. V okoljih, kjer je pH bolj kisel, prevladuje tvorba NH 4, v bolj osnovnih okoljih pa je najpogostejši postopek tvorba NH 3. Ta amonij ponavadi absorbirajo in uporabljajo predvsem rastline, ki imajo bakterije, povezane s svojimi koreninami (bacteriorrizas). Ko ga proizvajajo prosto živeče bakterije, je ta običajno na voljo v tleh za uporabo drugim bakterijam (nitrobakterija).

Nitrobakterije so kemosintetizatorji, torej so avtotrofna bitja (ki si proizvajajo lastno hrano), ki iz kemijskih reakcij odstranijo energijo, ki je potrebna za njihovo preživetje. Da bi dobili to energijo, običajno oksidirajo amonij in ga pretvorijo v nitrit (NO 2 -) in kasneje v nitrat (NO 3 -). Ta postopek dušikovega cikla se imenuje nitrifikacija.

Nitrat ostaja prost v tleh in se ne nabira v naravno nedotaknjenih okoljih, zato lahko po treh različnih poteh absorbira rastline, denitrificira ali doseže vodna telesa. Tako denitrifikacija kot pretok nitrata v vodna telesa imata negativne posledice za okolje.

Vplivi na okolje

Denitrifikacija (ali denitrifikacija) je postopek, ki ga izvajajo bakterije, imenovane denitrifikatorji, ki spet pretvorijo nitrat v N2 in vrnejo dušik v ozračje. Poleg N2 lahko nastaneta tudi dušikov oksid (NO), ki se kombinira z atmosferskim kisikom, kar daje prednost kislem dežju, in dušikov oksid (N 2 O), ki je pomemben povzročitelj plina učinek tople grede, ki poslabša globalno segrevanje.

Tretja pot, kjer nitrat doseže vodna telesa, povzroča okoljski problem, imenovan evtrofikacija. Za ta proces je značilno povečanje koncentracije hranil (predvsem dušikovih spojin in fosforja) v vodah jezera ali jezu. Ta presežek hranil spodbuja pospešeno razmnoževanje alg, kar na koncu ovira prehod svetlobe in neuravnoteži vodno okolje. Drug način za zagotavljanje tega presežka hranil v vodnem okolju je sprostitev odplak vanj brez ustrezne obdelave.

Drugo vprašanje, ki ga je treba upoštevati, je dejstvo, da je dušik lahko škodljiv tudi za rastline, če je v količinah, ki presegajo njihove asimilacijske sposobnosti. Tako lahko presežek dušika, pritrjen v tleh, omeji rast rastline in škoduje pridelkom. Tako je treba pri postopkih kompostiranja upoštevati tudi razmerje ogljik / dušik, tako da so presnovni procesi kolonij mikroorganizmov, ki sodelujejo v procesu razgradnje, vedno aktivni.

Absorpcija dušika pri ljudeh

Ljudje in druge živali imajo dostop do nitrata iz prehranjevalnih rastlin, ki so to snov absorbirale, ali, v skladu s prehranjevalno verigo, iz prehranjevanja drugih živali, ki so se s temi rastlinami hranile. Ta nitrat se vrne v cikel po smrti nekega organizma (organska snov) ali z izločanjem (sečnina ali sečna kislina pri večini kopenskih živali in amonijak v iztrebkih rib), ki vsebuje dušikove spojine. Tako bodo razpadajoče bakterije delovale na organske snovi, ki sproščajo amoniak. Amoniak se lahko pretvori v nitrite in nitrate z istimi nitrobakterijami, ki preoblikujejo amonij, ki se integrira s ciklom.

Alternativa gnojilom

Kot smo videli, fiksiranje dušika v tleh lahko povzroči pozitivne učinke, vendar postopek poteka v presežku, lahko ima negativne posledice za okolje. Vmešavanje človeštva v dušikov cikel nastane z industrijsko fiksacijo (z uporabo gnojil), kar poveča koncentracijo dušika, ki ga je treba določiti, kar povzroča težave, kot so zgoraj omenjene.

Alternativa za uporabo gnojil bi bila kolobarjenje, izmenične kulture rastlin, ki pritrjujejo dušik in ne pritrjujejo rastlin. Rastline, ki vežejo dušik, so tiste, ki imajo bakterije in druge fiksirne organizme, povezane s svojimi koreninami, kot pri stročnicah (na primer fižol in soja). Kolobarjenje bi dajalo prednost fiksaciji dušika v varnejših količinah kot uporaba gnojil, s čimer bi zagotovili hranila, združljiva z asimilacijsko sposobnostjo rastlin, spodbudili njihov razvoj in zmanjšali stopnjo hranil, ki prispejo v vodna telesa. Podoben postopek, imenovan "zeleni gnoj", lahko uporabimo tudi za zamenjavo gnojil.

Ta postopek je sestavljen iz gojenja rastlin za pritrjevanje dušika in ščetkanja, preden pridelujejo semena, tako da ostanejo na mestu kot zastirka, tako da lahko pridelujemo poznejše kulture drugih vrst. Spodaj si lahko ogledamo sliko, ki nam prinaša povzetek tega, kar smo videli skozi članek:

cikel dušika

ANAMMOX

Kratica v angleščini (kar pomeni anaerobno oksidacijo amoniaka) poimenuje inovativni biološki postopek odstranjevanja amoniaka iz vode in plinov.

Sestavljen je iz bližnjice, saj amoniaka ni treba nitrificirati v nitrit, nitrat pa denitrificirati nazaj v obliko N 2. S postopkom ANAMMOX bi se amoniak neposredno pretvoril v plin dušika (N 2). Prva obsežna postaja je bila nameščena leta 2002 na Nizozemskem, leta 2012 pa je že obratovalo 11 objektov.

Učinkovit in trajnosten postopek ANAMMOX lahko uporabimo za odstranjevanje amoniaka iz odplak v koncentracijah nad 100 mg / l. V reaktorjih soobstajajo nitrificirajoče bakterije in ANAMMOX, kjer prvi približno polovico amoniaka pretvorijo v nitride (kemične spojine, ki imajo v svoji sestavi dušik), bakterije ANAMMOX pa delujejo tako, da pretvorijo nitride in amoniak v dušikov plin.

cikel dušika

Anaerobna oksidacija amoniaka se je izkazala za obetavno in jo med drugim že najdemo v industrijskih procesih, kot so čiščenje odpadnih voda, trdni organski odpadki, živilska industrija, gnojila.


Original text