Che cos'è esattamente il ciclo dell'azoto?

L'azoto, l'elemento più abbondante nella nostra atmosfera, è fondamentale per la vita. L'azoto si trova nei terreni e nelle piante, nell'acqua che beviamo e nell'aria che respiriamo. È anche essenziale per la vita: un elemento chiave del DNA, che determina la nostra genetica, è essenziale per la crescita delle piante e quindi necessario per il cibo che coltiviamo. Ma come per ogni cosa, l'equilibrio è fondamentale: se l'azoto è troppo scarso, le piante non possono prosperare, con conseguente scarsa resa dei raccolti; ma troppo azoto può essere tossico per le piante e può anche danneggiare il nostro ambiente. Le piante che non hanno abbastanza azoto ingialliscono, non crescono bene e possono avere fiori e frutti più piccoli. Gli agricoltori possono aggiungere fertilizzanti azotati per produrre raccolti migliori, ma una quantità eccessiva può danneggiare piante e animali e inquinare i nostri sistemi acquatici. Comprendere il ciclo dell'azoto, ovvero come l'azoto si sposta dall'atmosfera alla terra, attraverso il suolo e di nuovo nell'atmosfera in un ciclo infinito, può aiutarci a coltivare colture sane e a proteggere il nostro ambiente.

 

INTRODUZIONE

L'azoto, o N, secondo la sua abbreviazione scientifica, è un elemento incolore e inodore. L'azoto è presente nel suolo sotto i nostri piedi, nell'acqua che beviamo e nell'aria che respiriamo. Infatti, l'azoto è l'elemento più abbondante nell'atmosfera terrestre: circa 78% dell'atmosfera è azoto! L'azoto è importante per tutti gli esseri viventi, compresi noi. Svolge un ruolo fondamentale nella crescita delle piante: se l'azoto è troppo scarso, le piante non possono prosperare, con conseguente scarsa resa dei raccolti; ma troppo azoto può essere tossico per le piante [1]. L'azoto è necessario per il nostro approvvigionamento alimentare, ma un eccesso di azoto può danneggiare l'ambiente.

 

PERCHÉ L'AZOTO È IMPORTANTE?

Il delicato equilibrio di sostanze importanti per il mantenimento della vita è un'importante area di ricerca e l'equilibrio dell'azoto nell'ambiente non fa eccezione [2]. Quando le piante mancano di azoto, ingialliscono, hanno una crescita stentata e producono frutti e fiori più piccoli. Gli agricoltori possono aggiungere fertilizzanti contenenti azoto alle loro colture, per aumentarne la crescita. Senza i fertilizzanti azotati, gli scienziati stimano che perderemmo fino a un terzo delle colture su cui facciamo affidamento per l'alimentazione e altri tipi di agricoltura. Ma dobbiamo sapere quanto azoto è necessario per la crescita delle piante, perché una quantità eccessiva può inquinare i corsi d'acqua, danneggiando la vita acquatica.

 

L'AZOTO È LA CHIAVE DELLA VITA!

L'azoto è un elemento chiave negli acidi nucleici DNADeossiribonucleico, un materiale autoreplicante presente in quasi tutti gli organismi viventi come componente principale dei cromosomi e portatore di informazioni genetiche, e RNARibonucleico, un acido nucleico presente in tutte le cellule viventi, che agisce come messaggero trasportando le istruzioni dal DNA, che sono le più importanti di tutte le molecole biologiche e fondamentali per tutti gli esseri viventi. Il DNA trasporta le informazioni genetiche, ossia le istruzioni per la costituzione di una forma di vita. Quando le piante non ricevono abbastanza azoto, non sono in grado di produrre aminoacidi (sostanze che contengono azoto e idrogeno e che costituiscono molte cellule, muscoli e tessuti viventi). Senza aminoacidi, le piante non possono produrre le proteine speciali di cui le cellule vegetali hanno bisogno per crescere. Senza una quantità sufficiente di azoto, la crescita delle piante ne risente negativamente. In caso di eccesso di azoto, le piante producono un eccesso di biomassa, o di materia organica, come steli e foglie, ma non una sufficiente struttura radicale. In casi estremi, le piante con livelli molto elevati di azoto assorbito dal suolo possono avvelenare gli animali da allevamento che le mangiano [3].

CHE COS'È ESATTAMENTE IL CICLO DELL'AZOTO?

Il ciclo dell'azoto è un ciclo ripetuto di processi durante i quali l'azoto si muove attraverso gli esseri viventi e non: l'atmosfera, il suolo, l'acqua, le piante, gli animali e i batteriMicroscopici organismi viventi che di solito contengono una sola cellula e si trovano ovunque. I batteri possono causare la decomposizione o la rottura del materiale organico nei terreni. Per muoversi attraverso le diverse parti del ciclo, l'azoto deve cambiare forma. Nell'atmosfera, l'azoto esiste come gas (N2), ma nei terreni esiste come ossido di azoto (NO) e biossido di azoto (NO2) e, quando viene utilizzato come fertilizzante, può trovarsi in altre forme, come l'ammoniaca (NH3), che può essere ulteriormente trasformata in un altro fertilizzante, il nitrato di ammonio (NH4NO3).

 

Il ciclo dell'azoto si articola in cinque fasi, di cui parleremo in seguito: fissazione o volatilizzazione, mineralizzazione, nitrificazione, immobilizzazione e denitrificazione. In questa immagine, i microbi del suolo trasformano l'azoto gassoso (N2) in ammoniaca volatile (NH3), quindi il processo di fissazione è chiamato volatilizzazione. LisciviazioneQuando un minerale o una sostanza chimica (come il nitrato, o NO3) drena dal suolo o da altro materiale del terreno e si riversa nell'area circostante. è il caso in cui alcune forme di azoto (come il nitrato, o NO3) si sciolgono nell'acqua e fuoriescono dal suolo, inquinando potenzialmente i corsi d'acqua.

 

FASE 1: FISSAZIONE DELL'AZOTO

In questa fase, l'azoto si sposta dall'atmosfera al suolo. L'atmosfera terrestre contiene un'enorme quantità di azoto gassoso (N2). Ma questo azoto non è "disponibile" per le piante, perché la forma gassosa non può essere utilizzata direttamente dalle piante senza subire una trasformazione. Per essere utilizzato dalle piante, l'N2 deve essere trasformato attraverso un processo chiamato fissazione dell'azoto. La fissazione converte l'azoto presente nell'atmosfera in forme che le piante possono assorbire attraverso il loro apparato radicale.

 

Una piccola quantità di azoto può essere fissata quando i fulmini forniscono l'energia necessaria affinché l'N2 reagisca con l'ossigeno, producendo ossido di azoto, NO, e biossido di azoto, NO2. Queste forme di azoto entrano poi nel suolo attraverso la pioggia o la neve. L'azoto può essere fissato anche attraverso il processo industriale che crea i fertilizzanti. Questa forma di fissazione avviene in condizioni di calore e pressione elevati, durante le quali l'azoto atmosferico e l'idrogeno si combinano per formare ammoniaca (NH3), che può essere ulteriormente trattata per produrre nitrato di ammonio (NH4NO3), una forma di azoto che può essere aggiunta al suolo e utilizzata dalle piante.

 

La maggior parte della fissazione dell'azoto avviene naturalmente, nel suolo, ad opera dei batteri. Nella Figura 3 (in alto) è possibile osservare la fissazione dell'azoto e lo scambio di forma che avviene nel suolo. Alcuni batteri si attaccano alle radici delle piante e hanno un rapporto simbiotico (vantaggioso sia per la pianta che per i batteri) con la pianta [6]. I batteri ottengono energia attraverso la fotosintesi e, in cambio, fissano l'azoto in una forma di cui la pianta ha bisogno. L'azoto fissato viene poi trasportato in altre parti della pianta e utilizzato per formare i tessuti vegetali, in modo che la pianta possa crescere. Altri batteri vivono liberamente nel suolo o nell'acqua e possono fissare l'azoto senza questa relazione simbiotica. Questi batteri possono anche creare forme di azoto che possono essere utilizzate dagli organismi.

 

Figura 3 - Fasi del ciclo dell'azoto.

Figura 3 - Fasi del ciclo dell'azoto.

Il ciclo dell'azoto: Il ciclo dell'azoto attraverso le varie forme presenti nel suolo determina la quantità di azoto disponibile per l'assorbimento da parte delle piante. Fonte: https://www.agric.wa.gov.au/soil-carbon/immobilisation-soil-nitrogen-heavy-stubble-loads.

FASE 2: MINERALIZZAZIONE

Questa fase si svolge nel terreno. L'azoto si sposta da materiali organici, come il letame o i materiali vegetali, a una forma inorganica di azoto che le piante possono utilizzare. Alla fine, i nutrienti della pianta sono esauriti e la pianta muore e si decompone. Questo aspetto diventa importante nella seconda fase del ciclo dell'azoto. La mineralizzazione avviene quando i microbi agiscono sul materiale organico, come il letame animale o il materiale vegetale o animale in decomposizione, e iniziano a convertirlo in una forma di azoto utilizzabile dalle piante. Tutte le piante coltivate, tranne le leguminoseI membri della famiglia dei piselli: fagioli, lenticchie, soia, arachidi e piselli, sono piante con baccelli che si dividono a metà. (piante con baccello diviso a metà, come lenticchie, fagioli, piselli o arachidi) ottengono l'azoto necessario attraverso il terreno. I legumi ottengono l'azoto attraverso la fissazione che avviene nei noduli delle radici, come descritto sopra.

La prima forma di azoto prodotta dal processo di mineralizzazione è l'ammoniaca, NH3. L'NH3 presente nel suolo reagisce poi con l'acqua per formare ammonio, NH4. Questo ammonio viene trattenuto nel terreno ed è disponibile per l'uso da parte delle piante che non ottengono l'azoto attraverso la relazione simbiotica di fissazione dell'azoto descritta sopra.

FASE 3: NITRIFICAZIONE

Anche la terza fase, la nitrificazione, si verifica nel suolo. Durante la nitrificazione l'ammoniaca presente nel suolo, prodotta durante la mineralizzazione, viene convertita in composti chiamati nitriti, NO2-, e nitrati, NO3-. I nitrati possono essere utilizzati dalle piante e dagli animali che le consumano. Alcuni batteri presenti nel suolo possono trasformare l'ammoniaca in nitriti. Sebbene i nitriti non siano direttamente utilizzabili da piante e animali, altri batteri possono trasformare i nitriti in nitrati, una forma utilizzabile da piante e animali. Questa reazione fornisce energia ai batteri impegnati in questo processo. I batteri di cui parliamo si chiamano nitrosomonas e nitrobacter. I nitrobacter trasformano i nitriti in nitrati; i nitrosomonas trasformano l'ammoniaca in nitriti. Entrambi i tipi di batteri possono agire solo in presenza di ossigeno, O2 [7]. Il processo di nitrificazione è importante per le piante, poiché produce una scorta supplementare di azoto disponibile che può essere assorbito dalle piante attraverso il loro apparato radicale.

FASE 4: IMMOBILIZZAZIONE

La quarta fase del ciclo dell'azoto è l'immobilizzazione, talvolta descritta come l'inverso della mineralizzazione. Questi due processi insieme controllano la quantità di azoto nel suolo. Proprio come le piante, i microrganismiUn organismo, o un essere vivente, troppo piccolo per essere visto senza un microscopio, come un batterio. che vive nel suolo ha bisogno di azoto come fonte di energia. Questi microrganismi del suolo prelevano l'azoto dal terreno quando i residui delle piante in decomposizione non ne contengono a sufficienza. Quando i microrganismi assorbono ammonio (NH4+) e nitrato (NO3-), queste forme di azoto non sono più disponibili per le piante e possono causare una carenza di azoto. L'immobilizzazione, quindi, vincola l'azoto nei microrganismi. Tuttavia, l'immobilizzazione è importante perché aiuta a controllare e bilanciare la quantità di azoto nel terreno legandolo, o immobilizzandolo, nei microrganismi.

FASE 5: DENITRIFICAZIONE

Nella quinta fase del ciclo dell'azoto, l'azoto ritorna nell'aria quando i nitrati vengono convertiti in azoto atmosferico (N2) dai batteri attraverso il processo chiamato denitrificazione. Ciò comporta una perdita complessiva di azoto dal suolo, in quanto la forma gassosa dell'azoto si sposta nell'atmosfera, dove abbiamo iniziato la nostra storia.

L'AZOTO È FONDAMENTALE PER LA VITA

Il ciclo dell'azoto attraverso l'ecosistema è fondamentale per mantenere gli ecosistemi produttivi e sani, con azoto né troppo né troppo poco. La produzione vegetale e la biomassa (materiale vivente) sono limitate dalla disponibilità di azoto. Capire come funziona il ciclo dell'azoto tra pianta e suolo può aiutarci a prendere decisioni migliori su quali colture coltivare e dove coltivarle, in modo da avere un'adeguata disponibilità di cibo. La conoscenza del ciclo dell'azoto può anche aiutarci a ridurre l'inquinamento causato dall'aggiunta di troppi fertilizzanti al suolo. Alcune piante possono assorbire più azoto o altri nutrienti, come il fosforo, un altro fertilizzante, e possono persino essere usate come "cuscinetto", o filtro, per evitare che un eccesso di fertilizzanti entri nei corsi d'acqua. Per esempio, uno studio condotto da Haycock e Pinay [8] ha dimostrato che gli alberi di pioppo (Populus italica) utilizzati come cuscinetto trattenevano 99% dei nitrati che entravano nel flusso idrico sotterraneo durante l'inverno, mentre una zona della riva del fiume ricoperta da un'erba specifica (Lolium perenne L.) tratteneva fino a 84% dei nitrati, impedendo che entrassero nel fiume.

Come si è visto, una quantità insufficiente di azoto nel terreno lascia le piante affamate, mentre una quantità eccessiva di una cosa buona può essere negativa: l'azoto in eccesso può avvelenare le piante e persino il bestiame! L'inquinamento delle nostre sorgenti d'acqua a causa dell'eccesso di azoto e di altri nutrienti è un problema enorme, poiché la vita marina viene soffocata dalla decomposizione delle fioriture di alghe morte. Gli agricoltori e le comunità devono impegnarsi per migliorare l'assorbimento dei nutrienti aggiunti da parte delle colture e trattare correttamente i rifiuti di letame animale. Dobbiamo anche proteggere le zone cuscinetto naturali di piante che possono assorbire il deflusso di azoto prima che raggiunga i corpi idrici. Tuttavia, i nostri attuali modelli di disboscamento degli alberi per costruire strade e altre opere edilizie peggiorano questo problema, perché rimangono meno piante in grado di assorbire i nutrienti in eccesso. Dobbiamo fare ulteriori ricerche per determinare quali sono le specie vegetali migliori da coltivare nelle aree costiere per assorbire l'azoto in eccesso. Dobbiamo anche trovare altri modi per risolvere o evitare il problema dell'azoto in eccesso che si riversa negli ecosistemi acquatici. Lavorando per una comprensione più completa del ciclo dell'azoto e degli altri cicli in gioco nei sistemi naturali interconnessi della Terra, possiamo capire meglio come proteggere le preziose risorse naturali della Terra.