Kväveegenskaper, reservoarer, stadier, vikt



den kvävecykel Det är processen med kvävgasrörelse 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 dess tillväxt. Det är en del av den kemiska sammansättningen av nukleinsyror (DNA och RNA) och proteiner.

Den största mängden kväve på planeten ligger i atmosfären. Det atmosfäriska kvävet (N2) kan inte användas direkt av de flesta levande varelser. Det finns bakterier som kan fixa det och införliva det i jorden eller vattnet på sätt som kan användas av andra organismer.

Därefter assimileras kväve av autotrofa organismer. De flesta heterotrofa organismer förvärvar det genom utfodring. Sedan släpper de överflöd i form av urin (däggdjur) eller utsöndring (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 av mikroorganismer syre tillgängliga i kväveföreningar vid andning. I denna process frisätter de kvävet tillbaka i atmosfären.

För närvarande produceras den största mängden kväve som används inom jordbruket av människor. Detta har resulterat i ett överskott av detta element i mark och vattenkällor vilket orsakar obalans i denna biogeokemiska cykel.

index

  • 1 Allmänna egenskaper
    • 1.1 Ursprung
    • 1.2 Kemiska former 
    • 1.3 Historia
    • 1.4 Krav på organismer
  • 2 komponenter
    • 2.1 -Reservorios
    • 2.2 -Microorganisms participating
  • 3 steg
    • 3.1 Fixering
    • 3.2 Assimilering
    • 3.3 Amonification
    • 3.4 Nitrifikation
    • 3,5 Denitrifikation
  • 4 Betydelse
  • 5 Förändringar av kvävecykeln
  • 6 referenser

Allmänna egenskaper

källa

Det anses att kväve härrör från nukleosyntes (skapande av nya atomkärnor). Stjärnor med stora heliummassor nådde det tryck och den temperatur som krävs för att kväve bildas.

När jorden härstammar var kvävet i ett fast tillstånd. Då, med den vulkaniska aktiviteten, gick detta element in i gasform och införlivades i planetens atmosfär.

Kvävet var i form av N2. Förmodligen de kemiska formerna som används av levande varelser (ammoniak NH3) uppträdde av kvävecykler mellan havet och vulkanerna. På detta sätt, NH3 skulle ha inkorporerats i atmosfären och tillsammans med andra element gav upphov till organiska molekyler.

Kemiska former

Kväve förekommer i olika kemiska former, hänvisade till olika oxidationstillstånd (förlust av elektroner) av detta element. Dessa olika former varierar både i deras egenskaper och i deras beteende. Kvävegas (N2) är inte rostig.

Oxiderade former klassificeras som organiska och oorganiska. De organiska formerna är huvudsakligen närvarande i aminosyror och proteiner. De oorganiska tillstånden är ammoniak (NH3), ammoniumjonen (NH4), nitrit (NO2) och nitrater (NO3), bland annat.

historia

Kväve upptäcktes 1770 av tre forskare självständigt (Scheele, Rutherford och Lavosier). 1790 namngav fransman Chaptal gas som kväve.

Under andra hälften av artonhundratalet befanns det vara en väsentlig del av vävnaderna hos levande organismer och tillväxten av växter. På samma sätt bevisades förekomsten av ett konstant flöde mellan de organiska och oorganiska formerna.

I början ansågs det att kvävekällorna var blixtnedslag och atmosfärisk deponering. År 1838 bestämde Boussingault den biologiska fixeringen av detta element i baljväxter. Därefter upptäcktes det i 1888 att mikroorganismerna associerade med baljväxternas rötter var ansvariga för att fixera N2.

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

Så tidigt som 1885 bestämde Gayon att en annan grupp av mikroorganismer hade möjlighet att omvandla nitrater till N2. På ett sådant sätt kunde kvävecykeln på planeten förstås.

Krav på organismer

Alla levande varelser kräver kväve för sina vitala processer, men inte alla använder det på samma sätt. Vissa bakterier kan direkt använda atmosfäriskt kväve. Andra använder kväveföreningar som en iltkälla.

Autotrofa organismer kräver en tillförsel i form av nitrater. För sin del kan många heterotrofer endast använda den i form av aminogrupper som de erhåller från deras mat.

komponenter

-reservoarer

Den största naturliga kvävekällan är atmosfären, där 78% av detta element finns i gasform (N2), med några spår av kväveoxid och kvävemonoxid.

Sedimentära stenar innehåller ungefär 21% som frisätts mycket långsamt. Resterande 1% finns i organiskt material och oceanerna i form av organiskt kväve, nitrater och ammoniak.

-Deltagande mikroorganismer

Det finns tre typer av mikroorganismer som deltar i kvävecykeln. Dessa är fixeringsmedel, nitrifieringsmedel och denitrifieringsmedel.

N-fixerande bakterier2

De kodar för ett komplex av kväveasenzymer som är involverade i fixeringsprocessen. De flesta av dessa mikroorganismer koloniserar rhizosfären av växter och utvecklas i sina vävnader.

Den vanligaste typen av fixeringsbakterier är Rhizobium, som är förknippad med rötter av baljväxter. Det finns andra genrer 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 som är involverade i nitrifikationsprocessen. Dessa bakterier kan oxidera ammoniak eller ammoniumjonen som är närvarande i jorden. De är kemolitotrofa organismer (kan oxidera oorganiska material som en energikälla).

Bakterier av olika genera ingriper i följd i processen. Nitrosoma och Nitrocystis oxiderar NH3 och NH4 till nitrit. sedan Nitrobacter och Nitrosococcus oxidera denna förening till nitrater.

År 2015 upptäcktes en annan grupp av bakterier involverade i denna process. De kan direkt oxidera ammoniak till nitrater och är belägna i släktet Nitrospira. Vissa svampar kan också nitrifiera ammoniak.

Denitrifierande bakterier

Det har påpekats att mer än 50 olika gener av bakterier kan minska nitrater till N2. Detta sker under anaeroba förhållanden (frånvaro av syre).

Den vanligaste denitrifierande släkten är Alcaligenes, Paracoccus, pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus och Thiosphaera. Majoriteten av dessa grupper är heterotrofa.

Under 2006 upptäcktes en bakterie (Metylomirabilis oxyfera) som är aerob. Det är metanotrofiskt (erhåller kol och metangenergi) och kan erhålla syre från denitrifikationsprocessen.

stadier

Kvävecykeln går igenom flera steg i mobiliseringen över hela planeten. Dessa faser är:

fastställande

Det är omvandlingen av atmosfäriskt kväve till former som anses vara reaktiva (vilket kan användas av levande varelser). Brytningen av de tre bindningarna som innehåller N-molekylen2 Det kräver en stor mängd energi och kan förekomma på två sätt: abiotisk eller biotisk.

Abiotisk fixering

Nitrater erhålls genom hög energifixering i atmosfären. Det kommer från den elektriska energin av blixt och kosmisk strålning.

N2 det kombineras med syre för att härleda oxiderade kväveformer som NO (kvävedioxid) och NO2 (kväveoxid). Därefter bringas dessa föreningar till jordens yta av regn som salpetersyra (HNO3).

Hög energi fixering innehåller ungefär 10% av nitraten närvarande i kvävecykeln.

Biotisk fixering

Det utförs av jordmikroorganismer. Generellt är dessa bakterier associerade med växternas rötter. Det beräknas att den årliga biotiska fixeringen av kväve är cirka 200 miljoner ton per år.

Det atmosfäriska kvävet omvandlas till ammonium. I en första fas av reaktionen är N2 reduceras till NH3 (Ammoniak). På så sätt införlivas det i aminosyrorna.

I detta förfarande är ett enzymatiskt komplex med olika oxidreduceringscentraler inblandade. Detta kväveas-komplex består av ett reduktas (tillhandahåller elektroner) och ett kväveas. Den senare använder elektronerna för att minska N2 till NH3. I processen förbrukas en stor mängd ATP.

Kväveas-komplexet inhiberas irreversibelt i närvaro av höga koncentrationer av O2. I de radikala knutarna finns ett protein (leghemoglobin) som håller O-innehållet väldigt lågt2. Detta protein produceras genom interaktionen mellan rötter och bakterier.

assimilering

Växter som inte har någon symbiotisk förening med N-fixerande bakterier2, de tar kvävet från jorden. Absorptionen av detta element görs i form av nitrater genom rötterna.

När nitraten kommer in i växten används en del av rotcellerna. En annan del fördelas av xylemen till hela anläggningen.

När det kommer att användas, reduceras nitrat till nitrit i cytoplasman. Denna process katalyseras av enzymetitratreduktaset. Nitrit transporteras till kloroplaster och andra plastider, där de reduceras till ammoniumjon (NH4).

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

När det gäller konsumenter erhålls kväve genom att mata direkt från växter eller andra djur.

amonificación

I denna process försämras kväveföreningar som finns i marken till enklare kemiska former. Kväve finns i död organiskt material och avfall som urea (urin från däggdjur) eller urinsyra (utsöndring från fåglar).

Kvävet i dessa ämnen är i form av komplexa organiska föreningar. Mikroorganismer använder aminosyrorna i dessa substanser för att producera sina proteiner. I denna process frisätter de överskott av kväve i form av ammoniak eller ammoniumjon.

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

nitrifiering

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

I den första delen är de nitrosifierande bakterierna i släktet Nitrosomas oxidera ammoniak och ammoniumjon i nitrit. I membranet av dessa mikroorganismer är enzymet ammoniakmooxigenasa. Detta oxiderar NH3 till hydroxylamin, vilken sedan oxideras till nitrit i bakteriens periplasma.

Därefter oxiderar nitreringsbakterierna nitritema till nitrater med hjälp av enzymetitritoxidoreduktas. Nitrat är tillgängligt i jorden, där de kan absorberas av växter.

denitrifikation

I detta stadium omvandlas oxiderade kväveformer (nitriter och nitrater) tillbaka till N2 och i mindre utsträckning kväveoxid.

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

När jorden är mättad med vatten, O2 Det är inte tillgängligt och bakterier använder NO3 som en elektron acceptor. När temperaturen är mycket låg kan mikroorganismer inte genomföra processen.

Denna fas är det enda sättet att kväve tas bort från ett ekosystem. På så sätt kan N2 det var fast avkastning till atmosfären och balansen av detta element upprätthålls.

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.

I utvecklingen av grödor är tillgängligheten av kväve en av de viktigaste begränsningarna för produktiviteten. Sedan jordbruket har jorden blivit berikad med detta element.

Odling av baljväxter för att förbättra jordens kvalitet är en vanlig praxis. På samma sätt främjar planteringen av ris i översvämd mark de miljöförhållanden som är nödvändiga för användning av kväve.

Under 1800-talet användes guano (fågelexkreta) allmänt som en yttre kvävekälla i grödor. Men i slutet av detta århundrade var det inte tillräckligt att öka livsmedelsproduktionen.

Den tyska kemisten Fritz Haber, i slutet av 1800-talet, utvecklade en process som senare marknadsfördes av Carlo Bosch. Detta innebär att N reagerar2 och gasformigt väte för att bilda ammoniak. Det är känt som Haber-Bosch-processen.

Denna form av artificiell ammoniak är en av huvudkällorna för kväve som kan användas av levande varelser. Det anses att 40% av världens befolkning beror på dessa gödningsmedel för deras mat.

Förändringar av kvävecykeln

Den nuvarande antropogena ammoniakproduktionen är cirka 85 ton per år. Detta medför negativa konsekvenser i kvävecykeln.

På grund av den höga användningen av kemiska gödningsmedel är det förorening av mark och vattenlevande ämnen. Det anses att mer än 50% av denna förorening är en följd av Haber-Bosch-syntesen.

Överskottet av kväve leder till eutrofiering (berikning med näringsämnen) av vattenkroppar. Antropogen eutrifiering är mycket snabb och orsakar accelererad tillväxt främst av alger.

Dessa förbrukar stora mängder syre och kan ackumulera toxiner. På grund av brist på syre, slutar de andra organismerna i ekosystemet att dö.

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

referenser

  1. Cerón L och A Aristizábal (2012) Kväve- och fosforcykelns dynamik i marken. Rev. Colomb. Biotechnol. 14: 285-295.
  2. Estupiñan R och B Quesada (2010) Haber-Bosch-processen i agroindustrial samhället: faror och alternativ. Agroalimentary System: commodification, kamp och motstånd. ILSA Editorial. Bogotá, Colombia 75-95
  3. Galloway JN (2003) Den globala kvävecykeln. I: Schelesinger W (red.) Avhandling om geokemi. Elsevier, USA. sid 557-583.
  4. Galloway JN (2005) Den globala kvävecykeln: tidigare, nutid och framtid. Vetenskap i Kina 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) Kvävecykeln. Nuvarande biologi 26: 83-101.