Stikstofsiklus

Stikstof is die volopste element in die atmosfeer en is noodsaaklik vir alle lewe. Die stikstofsiklus is die biogeochemiese siklus wat n beskrywing van die transformasies van stikstof-en stikstof-bevattende verbindings in die natuur. Dit is 'n siklus wat insluit gasvormige komponente.

Aarde se atmosfeer is ongeveer 78-80% stikstof, [1] maak dit vir die grootste poel van stikstof. Stikstof is noodsaaklik vir baie biologiese prosesse, dan is dit noodsaaklik vir enige lewe hier op Aarde. Dat dit in alle aminosure, is opgeneem in die proteïen, en is teenwoordig in die basisse dat make-up nukleïensure, soos die DNA en RNA. In plante, baie van die stikstof gebruik word in die chlorofil molekule wat noodsaaklik is vir fotosintese en verder te groei. [2]

Hoewel die aarde se atmosfeer is 'n ryk bron van stikstof, die meeste is relatief onbruikbaar deur plante [3]. Verwerking, of fixation, is nodig om te sit gasvormige stikstof in die vorm bruikbare deur lewende organismes. Dit maak die stikstof 'n belangrike deel van voedselproduksie. Die oorvloed of skaarsheid van hierdie "vaste" vorm van stikstof, ook bekend as reaktief stikstof, dikteer hoeveel kos kan op 'n stuk grond verbou word.

Toenemende gebruik van stikstof kunsmis veroorsaak dramatiese omgewing verander, insluitend die oppervlak-en grondwater besoedeling, oseaan dooie sones (ekologie) en die bevordering van aardverwarming.

Ammoniak is uiters giftig vir visse en die water ontslag vlak van ammoniak uit water treatment plants moet dikwels word noukeurig gemonitor. Om te verhoed dat verlies van die vis, nitrificatie voor ontslag is dikwels wenslik. Land toepassing kan wees 'n aantreklike alternatief vir die meganiese deurlugting nodig is vir nitrificatie.

Tydens anaërobiese (lae suurstof) toestande, denitrificatie deur bakterieë tree op. Dit lei in nitraat word omgeskakel na stikstof gasse (NEE, N2O, N2) en teruggestuur word aan die atmosfeer. Nitraat kan ook verminder word na nitriet en daarna saam met die ammonium in die anammox-proses, wat lei ook in die produksie van distikstof gas.

Die Prosesse van die stikstofsiklus

Nitrogen fixation

Atmosferiese stikstof moet verwerk word nie, of die "vaste" (sien artikel op stikstofbinding), om deur die plante gebruik kan word. Sommige fixation tree op in die weerlig slaan, maar die meeste fixation word gedoen deur vrylewende of simbiotiese bakterieë. Hierdie bakterieë nitrogenase enzyme het dat gasvormige stikstof met waterstof verbind te produseer ammoniak, wat dan verder te omskep deur die bakterieë om hul eie organiese verbindings. Sommige stikstof vaststelling bakterieë, soos Rhizobium-, woon in die wortels van peulplante nodules (soos ertjies of boontjies). Hier vorm by 'n mutualis tische verhouding die plant, die vervaardiging van ammoniak in ruil vir koolhidrate. Voedingstof-arme gronde kan word beplant met peulgewasse te verryk hulle met stikstof. Paar ander plante kan sulke symbioses vorm. Tans 'n baie groot gedeelte van stikstof gefixeerd in ammoniak chemiese plante.

Omskakeling van die N2

Die omskakeling van stikstof (N2) vanaf die atmosfeer in 'n vorm geredelik beskikbaar is vir plante en vandaar na die diere en die mens is' n belangrike stap in die stikstofsiklus, wat die verspreiding van die verskaffing van hierdie noodsaaklike voedingstof. Daar is vier maniere om te sit N2 (atmosferiese stikstofgas) in meer chemies reaktiewe vorme: [2]

1. Biological fixation: sommige simbiotiese bakterieë (meestal geassosieer met vlinderbloemigen) en 'n paar vrylewende bakterieë in staat om vas te stel stikstof as organiese stikstof. 'N voorbeeld van mutualis tische stikstof vaststelling van bakterieë is die Rhizobium bakterieë, wat in die peulgewas wortel nodules woon. Hierdie spesies is diazotrophs. 'N voorbeeld van' n vrylewende bakterieë is Azotobacter.
2. Industrial N-fiksasie: Onder groot druk, by 'n temperatuur van 600 C, en met die gebruik van' n katalisator, atmosferiese stikstof en waterstof (gewoonlik afgelei van natuurlike gas of olie) gekombineer kan word om vorm ammoniak (NH3). In die Haber-proses Stellenbosch, N2 is saam omgeskakel met waterstofgas (H2) in ammoniak (NH3) wat gebruik word om kunsmis en plofstowwe.
3. Van Combustion fossielbrandstowwe: motor-enjins en termiese kragsentrales, wat vrylating verskillende stikstofoxiden (NOx).
4. Other prosesse: Verder, die vorming van NO vanaf N2 en O2 as gevolg van fotone en veral die weerlig, is belangrik vir die atmosferiese chemie, maar nie vir terrestriële akwatiese of stikstof omset.

Assimilasie

Sommige plante kry stikstof uit die grond, en deur die opname van hul wortels in die vorm van óf nitraatione of ammonium ione. Alle stikstof verkry deur diere kan terug gaan na die eet van die plante teruggespoor word op 'n sekere stadium van die voedselketting.

Plante kan absorbeer ammoniumione nitraat of uit die grond deur hul wortelhare. As nitraat geabsorbeer is, is dit die eerste verminder tot nitrietione en dan ammoniumione vir opname in aminosure, intens nukleïensure, en chlorofil. [2] In die plante wat 'n mutualis tische verhouding met rhizobia het, sommige stikstof geassimileer is in die vorm van ammoniumione direk vanaf die knoppies. Diere, swamme en ander heterotrofe organismes te absorbeer stikstof soos aminosure, nukleotiede en ander klein organiese molekules.

Ammonification

As 'n plant sterf,' n dier sterf, of 'n dier skei afval, is die aanvanklike vorm van organiese stikstof word. Bakterieë, of in sommige gevalle, swamme, sit die organiese stikstof binne die oorblyfsels terug in ammonium (NH4), 'n proses genaamd ammonification of mineraliserings. Ensieme Betrokke:

• GS: GLN Synthetase (cytosole & plastiede)
• GOGAT: GLU 2-oxoglutarate aminotransferase (Ferredoxin & NADH afhanklik)
• GDH: GLU dehidrogenase:
  • Mineur Rol in die ammonium-assimilasie.
  • Belangrik in die aminosuur katabolisme.

Nitrificatie

Die omskakeling van ammoniak na nitraat word hoofsaaklik uitgevoer deur grond-lewende bakterieë en ander nitrifying bakterieë. Die primêre fase van die nitrificatie, die oksidasie van ammoniak (NH3) uitgevoer word deur bakterieë soos die Nitrosomonas spesies, wat bekeerlinge ammoniak na nitriet (NO2-). Ander bakteriese spesies, soos die Nitrobacter, is verantwoordelik vir die oksidasie van die nitriete in nitraat (NO3-). [2]. Dit is belangrik vir die nitriete word omgesit na nitraat weens opgehoopte nitrieten is giftig te plant lewe.

As gevolg van hulle 'n baie hoë oplosbaarheid, kan nitraat betree die grondwater. Verhoogde nitraat in die grondwater is 'n bekommernis vir drinkwater gebruik omdat nitraat kan inmeng met bloed suurstof vlakke in babas en veroorsaak methemoglobinemia of blou baba-sindroom. [4] Waar die grondwater herladingen stroom vloei, nitraat-verrykte grondwater kan bydra tot eutrofikasie,' n proses wat lei tot hoë alge, veral blou-groen alge-bevolking en die dood van die water in die lewe as gevolg van oormatige behoefte aan suurstof. Hoewel nie direk giftig vir visse lewe soos ammoniak, kan nitraat indirekte effek op visse het as dit dra by tot hierdie vermesting. Stikstof het bygedra tot ernstige eutrofiëring probleme in sommige water liggame. Vanaf 2006, is die toepassing van stikstof bemesting word toenemend beheerde in Brittanje en die Verenigde State. Is dit voorkom in dieselfde trant as die beheer van fosfor kunsmis, beperking van wat normaalweg beskou as noodsaaklik vir die herstel van die vermeste waters.

Denitrification

Denitrificatie word die vermindering van nitraat terug in die grootliks onaktiewe stikstofgas (N2), die voltooiing van die stikstofsiklus. Hierdie proses word uitgevoer deur bakteriese spesies soos Pseudomonas en Clostridium in die anaerobiese toestande. [2] Hulle gebruik die nitraat as 'n elektron aanvaarder in die plek van die suurstof tydens respirasie. Hierdie facultatively anaërobiese bakterieë kan ook woon in aërobiese toestande.

Anaerobiese ammonium oxidation

In hierdie biologiese proses, nitriet en ammonium direk omgesit word in distikstof gas. Hierdie proses maak tot 'n groot deel van distikstof sukses in die oseane.

Menslike invloede op die stikstofsiklus

As gevolg van 'n uitgebreide verbouing van peulplante (veral soja-, lusern, en klawer),' n groeiende gebruik van die Haber-proses van Stellenbosch in die skepping van chemiese kunsmis, en die besoedeling wat uitgestraal word deur voertuie en industriële plante, het die mens meer as verdubbel het die jaarlikse oordrag van stikstof in biologies beskikbare vorms. [4] Daarbenewens het die mens aansienlik bygedra het tot die oordrag van stikstof sporen gasse vanaf die Aarde na die atmosfeer, en uit die land te akwatiese stelsels. Menslike verbouings aan die globale stikstofsiklus is die mees intense in ontwikkelde lande en in Asië, waar die voertuig die uitstoot en die industriële landbou die hoogste is. [5]

N2O (nitrous oxide) het in die atmosfeer toegeneem as gevolg van die landbou-bevrugting, biomassa verbranding, die vee en voerkrale, en ander industriële bronne. [6] N2O het nadelige gevolge in die stratosfeer, waar dit breek en tree op as 'n katalisator in van die vernietiging van atmosferiese osoon. N2O in die atmosfeer is 'n kweekhuisgas, wat tans die derde grootste bydraer tot aardverwarming, na koolstofdioksied en metaan. Hoewel nie as 'n oorvloed in die atmosfeer soos koolstofdioksied, vir' n ekwivalente massa, stikstofoksied is byna 300 keer sterker in sy vermoë om te warm die planeet. [7]

Ammoniak (NH3) in die atmosfeer het verdriedubbel as die gevolg van menslike aktiwiteite. It is 'n reagens in die atmosfeer, waar dit dien as' n aerosol, dalende kwaliteit van die lug en vashou op te water druppels, uiteindelik lei tot suurreën. Fossielbrandstof kan verbranding het ook bygedra tot 'n 6 of 7 vou toename in NOx-vloed in die atmosfeer. NOx-aktief te verander atmosferiese chemie, en is 'n voorloper van die troposfeer (laer atmosfeer) osoon produksie, wat bydra tot rookmis, suurreën, skadevergoeding plante en verhoog stikstof insette tot ekosisteme. [2] Ekostelsel prosesse kan verhoog met stikstofbemesting, maar menslike insette kan ook lei tot stikstof volop, wat verswak, produktiwiteit en kan doodmaak plante. [4] Vermindering in die biodiversiteit kan ook tot gevolg hê as die hoër stikstof beskikbaarheid verhoog stikstof-veeleisende grasse, veroorsaak 'n agteruitgang van stikstof-arm, spesies uiteenlopende heide. [8]

Afvalwater

Ter plaatse riool fasiliteite soos septiese tenks en hou tenks vrylating van groot hoeveelhede stikstof in die omgewing deur die nakoming deur middel van 'n drainfield in die grond. Mikrobiese aktiwiteit verorber die stikstof en ander kontaminante in die afvalwater. Maar in sekere gebiede die grond nie geskik is vir die afhandeling van enige of al die afvalwater, en as gevolg daarvan, die afvalwater met die kontaminante betree die waterdraers. Hierdie verontreinigingen akkumuleer en uiteindelik eindig in die drinkwater. Een van die kontaminante bekommerd oor die meeste is stikstof in die vorm van nitrate. 'N nitraat konsentrasie van 10 ppm of 10 milligram per liter is die huidige EPA-perk vir drinkwater en die tipiese huishoudelike afvalwater kan produseer' n verskeidenheid van 20-85 dpm (milligram per liter).

Die gesondheids-risiko geassosieer met drink> 10 mg / kg stikstof die water is die ontwikkeling van methemoglobinemia en is word veroorsaak blou baba-sindroom. Verskeie state programme het nou begin om gevorderde afvalwaterbehandeling stelsels in te voer om die tipiese ter plaatse riool fasiliteite. Die resultaat van hierdie stelsels is 'n algemene vermindering van stikstof, sowel as ander kontaminante in die afvalwater.

Bykomende, dalk 'n groter risiko's word deur die verhoging van vaste stikstof in akwatiese stelsels wat lei tot eutrofikasie en hypoxie, verstel die chemie en biologie van beide varswater en seewater stelsels, en stijgende die skepping en die groei van die Natuur Compendium Leeswijzer mere en oceanisch dooie sones. [9 ] [10] Die omvang en gevolge van die mens veroorsaak verdubbeling van biologies beskikbare stikstof in die grond, water, en in die lug van die aarde gedurende die afgelope eeu is nog steeds verkeerd verstaan. [11]