Blandt de biogeokemiske cyklusser er kvælstof den mest undersøgte. Tjek et resume og kend dets betydning
Kvælstof er et væsentligt kemisk element for eksistensen af liv på jorden, da det er en bestanddel af alle aminosyrerne i vores krop ud over de nitrogenholdige baser (som udgør DNA- og RNA-molekylerne). Cirka 78% af den luft, vi indånder, består af nitrogen fra atmosfæren (N 2), som er dens største reservoir. En af grundene til dette er, at N2 er den inerte form for nitrogen, dvs. det er en gas, der i almindelige situationer ikke er reaktiv. Således har det ophobet sig i atmosfæren siden dannelsen af planeten. På trods af dette har få levende væsener evnen til at absorbere det i sin molekylære form (N 2). Det viser sig, at kvælstof, ligesom jern og svovl, deltager i en naturlig cyklus, hvor dets kemiske struktur gennemgår transformationer i hvert trin.tjener som grundlag for andre reaktioner og dermed bliver tilgængelige for andre organismer - dette er den store betydning af nitrogencyklussen (eller "nitrogencyklus").
For at atmosfærisk N2 når jorden, når det kommer ind i økosystemet, skal det gennemgå en proces kaldet fiksering, der udføres af små grupper af nitrificerende bakterier, som fjerner kvælstof i form af N2 og inkorporerer det i deres organiske molekyler. Når fiksering udføres af levende organismer, såsom bakterier, kaldes det biologisk fiksering eller biofiksering. I øjeblikket kan kommerciel gødning også bruges til nitrogenfiksering, der karakteriserer industriel fiksering, en metode, der er meget anvendt i landbruget. Ud over disse er der også fysisk fiksering, som udføres af lyn og elektriske gnister, gennem hvilke nitrogen oxideres og føres til jorden gennem regn, men en sådan metode har en reduceret kapacitet til nitrogenfiksering,hvilket ikke er nok for organismer og liv på Jorden til at opretholde sig selv.
Når bakterier fikserer N2, frigiver de ammoniak (NH3). Når ammoniak er i kontakt med jordvandmolekyler, dannes ammoniumhydroxid, der, når det er ioniseret, producerer ammonium (NH4) i en proces, der er en del af nitrogencyklussen og kaldes ammonifikation. I naturen er der en balance mellem ammoniak og ammonium, som reguleres af pH. I miljøer, hvor pH er mere surt, dannes NH4-dannelsen, og i mere basiske miljøer er den mest almindelige proces dannelsen af NH3. Dette ammonium har tendens til at blive absorberet og bruges hovedsageligt af planter, der har bakterier forbundet med deres rødder (bacteriorrizas). Når det produceres af fritlevende bakterier, har dette ammonium tendens til at være tilgængeligt i jorden til brug af andre bakterier (nitrobakterier).
Nitrobakterier er kemosyntetisatorer, dvs. de er autotrofiske væsener (som producerer deres egen mad), som fjerner den energi, der er nødvendig for at overleve fra kemiske reaktioner. For at opnå denne energi har de en tendens til at oxidere ammonium, omdanne det til nitrit (NO 2 -) og senere til nitrat (NO 3 -). Denne proces med nitrogencyklussen kaldes nitrifikation.
Nitrat forbliver frit i jorden og har ingen tendens til at akkumuleres i naturligt intakte miljøer, hvilket gør det i stand til at tage tre forskellige veje: at blive absorberet af planter, at blive denitrifieret eller at nå vandmasser. Både denitrifikation og strømmen af nitrat til vandområder har negative konsekvenser for miljøet.
Påvirkning af miljøet
Denitrifikation (eller denitrifikation) er en proces, der udføres af bakterier kaldet denitrifieringsmidler, der omdanner nitratet til N2 igen og udfører kvælstof tilbage til atmosfæren. Ud over N 2 er andre gasser, der kan produceres, nitrogenoxid (NO), som kombineres med atmosfærisk ilt, hvilket favoriserer dannelsen af sur regn og nitrogenoxid (N 2 O), som er en vigtig forårsagende gas drivhuseffekten, som forværrer den globale opvarmning.
Den tredje vej, hvor nitrat når vandområder, forårsager et miljøproblem kaldet eutrofiering. Denne proces er kendetegnet ved en stigning i koncentrationen af næringsstoffer (hovedsageligt nitrogenforbindelser og fosfor) i vandet i en sø eller dæmning. Dette overskud af næringsstoffer favoriserer den accelererede multiplikation af alger, som ender med at hindre lysets passage og afbalancere vandmiljøet. En anden måde at tilvejebringe dette overskud af næringsstoffer i et vandmiljø er at frigive spildevand i det uden ordentlig behandling.
Et andet spørgsmål, der skal overvejes, er, at kvælstof også kan være skadeligt for planter, når det er til stede i mængder, der går ud over deres assimileringsevne. Således kan et overskud af kvælstof fast i jorden begrænse væksten af planten og skade afgrøder. Således skal carbon / nitrogen-forholdet også overvejes i komposteringsprocesser, således at metabolismen i kolonierne af mikroorganismer, der er involveret i nedbrydningsprocessen, altid er aktive.
Kvælstofabsorption hos mennesker
Mennesker og andre dyr har adgang til nitrat fra at spise planter, der har absorberet det stof eller, ifølge fødekæden, fra at spise andre dyr, der har fodret med disse planter. Dette nitrat vender tilbage til cyklussen efter en organismes død (organisk stof) eller ved udskillelse (urinstof eller urinsyre, i de fleste landdyr og ammoniak, i fiskeudskillelser), der indeholder nitrogenforbindelser. Således vil nedbrydende bakterier virke på det organiske stof, der frigiver ammoniak. Ammoniak kan også omdannes til nitrit og nitrat af de samme nitrobakterier, der transformerer ammonium og integreres med cyklussen.
Et alternativ til gødning
Som vi har set, kan kvælstoffiksering i jorden give positive virkninger, men processen foregår i overskud, det kan have negative konsekvenser for miljøet. Menneskehedens indblanding i kvælstofcyklussen skyldes industriel fiksering (ved brug af gødning), hvilket øger koncentrationen af kvælstof, der skal fikseres, hvilket forårsager problemer som de ovennævnte.
Et alternativ til brug af gødning ville være afgrødedrejning, vekslende kulturer af kvælstoffikserende og ikke-fikserende planter. Kvælstoffikserende planter er dem, der har bakterier og andre fikserende organismer forbundet med deres rødder, som det forekommer i bælgfrugter (såsom bønner og sojabønner). Rotationen vil favorisere fiksering af kvælstof i sikrere mængder end brugen af gødning, hvilket giver næringsstoffer, der er kompatible med plantens assimileringsevne, favoriserer deres udvikling og reducerer mængden af næringsstoffer, der når vandområderne. En lignende proces kaldet "grøn gødning" kan også anvendes til erstatning af gødning.
Denne proces består i at dyrke kvælstoffikserende planter og børste dem, før de producerer frø, efterlader dem på plads som barkflis, så senere kulturer af andre arter kan fremstilles. Nedenfor kan vi se et billede, der giver os et resumé af, hvad der blev set i hele artiklen:
ANAMMOX
Akronymet på engelsk (betyder anaerob oxidation af ammoniak) navngiver en innovativ biologisk proces til fjernelse af ammoniak fra vand og gasser.
Den består af en genvej, da ammoniak ikke behøver at blive nitrificeret til nitrit og nitrat for at blive denitrifieret tilbage til formen af N2. Med ANAMMOX-processen omdannes ammoniak direkte til nitrogengas (N2). Den første storstationsstation blev installeret i Nederlandene i 2002, og i 2012 var der allerede 11 anlæg i drift.
ANAMMOX-processen er effektiv og bæredygtig og kan bruges til at fjerne ammoniak fra spildevand i koncentrationer større end 100 mg / l. Inden for reaktorerne eksisterer der nitrificerende bakterier og ANAMMOX, hvor den førstnævnte omdanner ca. halvdelen af ammoniak til nitrider (kemiske forbindelser, der har nitrogen i deres sammensætning), og ANAMMOX-bakterierne virker ved at omdanne nitriderne og ammoniakken til nitrogengas.
Anaerob oxidation af ammoniak har vist sig at være lovende og kan allerede findes i industrielle processer såsom spildevandsbehandling, organisk fast affald, fødevareindustri, gødning, blandt andre.
