Wat is precies de stikstofcyclus?

Stikstof, het meest voorkomende element in onze atmosfeer, is van cruciaal belang voor het leven. Stikstof zit in de bodem en in planten, in het water dat we drinken en in de lucht die we inademen. Het is ook essentieel voor het leven: een belangrijke bouwsteen van DNA, dat onze genetica bepaalt, is essentieel voor de groei van planten, en dus noodzakelijk voor het voedsel dat we verbouwen. Maar zoals bij alles is evenwicht essentieel: te weinig stikstof maakt dat planten niet kunnen gedijen, wat leidt tot lage gewasopbrengsten; maar te veel stikstof kan giftig zijn voor planten en kan ook ons milieu schaden. Planten die niet genoeg stikstof hebben, worden gelig en groeien niet goed en kunnen kleinere bloemen en vruchten hebben. Boeren kunnen stikstofmeststof toevoegen om betere gewassen te produceren, maar te veel stikstof kan planten en dieren schaden en onze watersystemen vervuilen. Inzicht in de stikstofcyclus - hoe stikstof zich verplaatst van de atmosfeer naar de aarde, door de bodem en terug naar de atmosfeer in een eindeloze cyclus - kan ons helpen gezonde gewassen te telen en ons milieu te beschermen.

 

INLEIDING

Stikstof, of N, zoals de wetenschappelijke afkorting luidt, is een kleurloos en reukloos element. Stikstof zit in de grond onder onze voeten, in het water dat we drinken en in de lucht die we inademen. Stikstof is zelfs het meest voorkomende element in de atmosfeer van de aarde: ongeveer 78% van de atmosfeer bestaat uit stikstof! Stikstof is belangrijk voor alle levende wezens, ook voor ons. Het speelt een sleutelrol in de groei van planten: te weinig stikstof en planten kunnen niet gedijen, wat leidt tot lage gewasopbrengsten; maar te veel stikstof kan giftig zijn voor planten [1]. Stikstof is noodzakelijk voor onze voedselvoorziening, maar een teveel aan stikstof kan schadelijk zijn voor het milieu.

 

WAAROM IS STIKSTOF BELANGRIJK?

Het delicate evenwicht van stoffen dat belangrijk is voor de instandhouding van het leven is een belangrijk onderzoeksgebied, en het evenwicht van stikstof in het milieu vormt daarop geen uitzondering [2]. Wanneer planten te weinig stikstof hebben, worden ze geel, groeien ze minder goed en produceren ze kleinere vruchten en bloemen. Landbouwers kunnen stikstofhoudende meststoffen aan hun gewassen toevoegen om de groei te bevorderen. Wetenschappers schatten dat we zonder stikstofmeststoffen tot een derde van de gewassen waarvan we afhankelijk zijn voor voedsel en andere vormen van landbouw zouden verliezen. Maar we moeten weten hoeveel stikstof nodig is voor de groei van planten, want te veel stikstof kan waterwegen vervuilen en het aquatisch leven schaden.

 

STIKSTOF IS DE SLEUTEL TOT HET LEVEN!

Stikstof is een sleutelelement in de nucleïnezuren DNADeoxyribonucleïnezuur, een zelfreplicerend materiaal dat in bijna alle levende organismen aanwezig is als hoofdbestanddeel van chromosomen, en drager van genetische informatie. en RNARibonucleïnezuur, een nucleïnezuur dat in alle levende cellen aanwezig is, fungeert als boodschapper die de instructies van DNA overbrengt, de belangrijkste van alle biologische moleculen en cruciaal voor alle levende wezens. DNA draagt de genetische informatie, dat wil zeggen de instructies voor de samenstelling van een levensvorm. Wanneer planten niet genoeg stikstof krijgen, kunnen zij geen aminozuren produceren (stoffen die stikstof en waterstof bevatten en waaruit veel levende cellen, spieren en weefsels bestaan). Zonder aminozuren kunnen planten niet de speciale eiwitten maken die de plantencellen nodig hebben om te groeien. Zonder voldoende stikstof wordt de groei van planten negatief beïnvloed. Met te veel stikstof produceren planten een overmaat aan biomassa, of organische stof, zoals stengels en bladeren, maar niet genoeg wortelstructuur. In extreme gevallen kunnen planten met een zeer hoog stikstofgehalte dat uit de bodem is opgenomen, landbouwhuisdieren die ze eten vergiftigen [3].

WAT IS PRECIES DE STIKSTOFCYCLUS?

De stikstofcyclus is een zich herhalende cyclus van processen waarbij stikstof zich beweegt door zowel levende als niet-levende dingen: de atmosfeer, de bodem, het water, planten, dieren en bacteriënMicroscopische levende organismen die meestal maar één cel bevatten en overal voorkomen. Bacteriën kunnen de afbraak van organisch materiaal in de bodem veroorzaken. Om de verschillende delen van de cyclus te doorlopen, moet stikstof van vorm veranderen. In de atmosfeer bestaat stikstof als een gas (N2), maar in de bodem bestaat het als stikstofoxide, NO, en stikstofdioxide, NO2, en bij gebruik als meststof kan het in andere vormen voorkomen, zoals ammoniak, NH3, dat nog verder kan worden verwerkt tot een andere meststof, ammoniumnitraat, of NH4NO3.

 

Er zijn vijf stadia in de stikstofcyclus, en we zullen ze nu stuk voor stuk bespreken: fixatie of vervluchtiging, mineralisatie, nitrificatie, immobilisatie en denitrificatie. In dit beeld zetten microben in de bodem stikstofgas (N2) om in wat men noemt vluchtige ammoniak (NH3), dus het fixatieproces wordt vervluchtiging genoemd. UitlogingWanneer een mineraal of chemische stof (zoals nitraat, of NO3) uit de bodem of ander bodemmateriaal wegvloeit en naar de omgeving lekt. is waar bepaalde vormen van stikstof (zoals nitraat, of NO3) in water oplossen en uit de bodem lekken, waardoor waterwegen kunnen worden vervuild.

 

FASE 1: STIKSTOFBINDING

In dit stadium verplaatst stikstof zich van de atmosfeer naar de bodem. De atmosfeer van de aarde bevat een enorme voorraad stikstofgas (N2). Maar deze stikstof is "niet beschikbaar" voor planten, omdat de gasvorm niet direct door planten kan worden gebruikt zonder een transformatie te ondergaan. Om door planten te kunnen worden gebruikt, moet de N2 worden omgezet via een proces dat stikstoffixatie wordt genoemd. Door fixatie wordt stikstof uit de atmosfeer omgezet in vormen die planten via hun wortelstelsel kunnen opnemen.

 

Een kleine hoeveelheid stikstof kan worden gebonden wanneer de bliksem de energie levert die nodig is om N2 met zuurstof te laten reageren, waarbij stikstofoxide, NO, en stikstofdioxide, NO2, ontstaan. Deze vormen van stikstof komen dan in de bodem terecht via regen of sneeuw. Stikstof kan ook worden gebonden via het industriële proces waarmee kunstmest wordt gemaakt. Deze vorm van fixatie vindt plaats onder hoge hitte en druk, waarbij stikstof uit de lucht en waterstof worden gecombineerd tot ammoniak (NH3), dat vervolgens verder kan worden verwerkt tot ammoniumnitraat (NH4NO3), een vorm van stikstof die aan de bodem kan worden toegevoegd en door planten kan worden gebruikt.

 

De meeste stikstofbinding gebeurt op natuurlijke wijze, in de bodem, door bacteriën. In figuur 3 (hierboven) ziet u stikstofbinding en vormverandering in de bodem. Sommige bacteriën hechten zich aan plantenwortels en hebben een symbiotische (gunstig voor zowel de plant als de bacterie) relatie met de plant [6]. De bacteriën krijgen energie via fotosynthese en in ruil daarvoor zetten ze stikstof vast in een vorm die de plant nodig heeft. De gefixeerde stikstof wordt vervolgens naar andere delen van de plant gebracht en gebruikt om plantenweefsels te vormen, zodat de plant kan groeien. Andere bacteriën leven vrij in de bodem of het water en kunnen stikstof fixeren zonder deze symbiotische relatie. Deze bacteriën kunnen ook vormen van stikstof creëren die door organismen kunnen worden gebruikt.

 

Figuur 3 - Stadia van de stikstofcyclus.

Figuur 3 - Stadia van de stikstofcyclus.

De stikstofcyclus: De stikstofcyclus door de verschillende vormen in de bodem bepaalt de hoeveelheid stikstof die beschikbaar is voor planten om op te nemen. Bron: https://www.agric.wa.gov.au/soil-carbon/immobilisation-soil-nitrogen-heavy-stubble-loads.

FASE 2: MINERALISATIE

Deze fase vindt plaats in de bodem. Stikstof verplaatst zich van organische materialen, zoals mest of plantaardig materiaal, naar een anorganische vorm van stikstof die planten kunnen gebruiken. Uiteindelijk zijn de voedingsstoffen van de plant opgebruikt en sterft de plant af en ontbindt. Dit wordt belangrijk in de tweede fase van de stikstofcyclus. Mineralisatie vindt plaats wanneer microben organisch materiaal, zoals dierlijke mest of ontbindend plantaardig of dierlijk materiaal, omzetten in een vorm van stikstof die door planten kan worden gebruikt. Alle planten in cultuur, behalve peulvruchtenEen lid van de erwtenfamilie: bonen, linzen, sojabonen, pinda's en erwten, zijn planten met zaaddozen die zich in tweeën splitsen. (planten met zaaddozen die in tweeën splijten, zoals linzen, bonen, erwten of pinda's) krijgen de stikstof die ze nodig hebben via de bodem. Peulvruchten krijgen stikstof via fixatie die plaatsvindt in hun wortelknolletjes, zoals hierboven beschreven.

De eerste vorm van stikstof die bij het mineralisatieproces ontstaat is ammoniak, NH3. De NH3 in de bodem reageert vervolgens met water tot ammonium, NH4. Dit ammonium wordt in de bodem vastgehouden en is beschikbaar voor gebruik door planten die geen stikstof krijgen via de hierboven beschreven symbiotische stikstofbinding.

FASE 3: NITRIFICATIE

De derde fase, nitrificatie, komt ook in de bodem voor. Tijdens de nitrificatie wordt de ammoniak in de bodem, geproduceerd tijdens de mineralisatie, omgezet in verbindingen die nitrieten (NO2-) en nitraten (NO3-) worden genoemd. Nitraten kunnen worden gebruikt door planten en dieren die de planten eten. Sommige bacteriën in de bodem kunnen ammoniak omzetten in nitrieten. Hoewel nitriet niet direct bruikbaar is voor planten en dieren, kunnen andere bacteriën nitrieten omzetten in nitraten - een vorm die wel bruikbaar is voor planten en dieren. Deze reactie levert energie op voor de bacteriën die bij dit proces betrokken zijn. De bacteriën waar we het over hebben heten nitrosomonas en nitrobacter. Nitrobacter zet nitrieten om in nitraten; nitrosomonas zet ammoniak om in nitrieten. Beide soorten bacteriën kunnen alleen werken in aanwezigheid van zuurstof, O2 [7]. Het nitrificatieproces is belangrijk voor planten, omdat het een extra voorraad beschikbare stikstof oplevert die door de planten via hun wortelstelsel kan worden opgenomen.

FASE 4: IMMOBILISATIE

De vierde fase van de stikstofcyclus is immobilisatie, soms omschreven als het omgekeerde van mineralisatie. Deze twee processen bepalen samen de hoeveelheid stikstof in de bodem. Net als planten hebben micro-organismen Een organisme, of levend wezen, dat te klein is om zonder microscoop te worden gezien, zoals een bacterie. die in de bodem leven, stikstof nodig als energiebron. Deze bodemmicro-organismen halen stikstof uit de bodem wanneer de resten van ontbindende planten niet genoeg stikstof bevatten. Wanneer micro-organismen ammonium (NH4+) en nitraat (NO3-) opnemen, zijn deze vormen van stikstof niet langer beschikbaar voor de planten en kan er een stikstoftekort ontstaan. Door immobilisatie wordt stikstof dus vastgelegd in micro-organismen. Immobilisatie is echter belangrijk omdat het helpt de hoeveelheid stikstof in de bodem te beheersen en in evenwicht te brengen door de stikstof vast te leggen, of te immobiliseren, in micro-organismen.

FASE 5: DENITRIFICATIE

In de vijfde fase van de stikstofcyclus keert stikstof terug naar de lucht als nitraten door bacteriën worden omgezet in atmosferische stikstof (N2) via het proces dat wij denitrificatie noemen. Dit resulteert in een algemeen verlies van stikstof uit de bodem, aangezien de gasvormige vorm van stikstof in de atmosfeer terechtkomt, terug naar waar we ons verhaal begonnen.

STIKSTOF IS CRUCIAAL VOOR HET LEVEN

De kringloop van stikstof door het ecosysteem is cruciaal voor de instandhouding van productieve en gezonde ecosystemen met noch te veel, noch te weinig stikstof. De productie van planten en de biomassa (levend materiaal) worden beperkt door de beschikbaarheid van stikstof. Inzicht in de werking van de stikstofcyclus tussen plant en bodem kan ons helpen betere beslissingen te nemen over welke gewassen we moeten verbouwen en waar we ze moeten verbouwen, zodat we over voldoende voedsel beschikken. Kennis van de stikstofcyclus kan ons ook helpen de vervuiling te verminderen die wordt veroorzaakt door het toevoegen van te veel meststoffen aan de bodem. Bepaalde planten kunnen meer stikstof of andere voedingsstoffen opnemen, zoals fosfor, een andere meststof, en kunnen zelfs worden gebruikt als een "buffer" of filter, om te voorkomen dat te veel meststoffen in waterwegen terechtkomen. Uit een studie van Haycock en Pinay [8] bleek bijvoorbeeld dat populieren (Populus italica) die als buffer werden gebruikt, 99% van het nitraat tegenhielden dat tijdens de winter in de ondergrondse waterstroom terechtkwam, terwijl een oeverzone bedekt met een specifiek gras (Lolium perenne L.) tot 84% van het nitraat tegenhield, waardoor het niet in de rivier terechtkwam.

Zoals u hebt gezien, leidt te weinig stikstof in de bodem tot honger bij planten, terwijl te veel van het goede slecht kan zijn: een teveel aan stikstof kan planten en zelfs vee vergiftigen! Verontreiniging van onze waterbronnen door een overschot aan stikstof en andere voedingsstoffen is een enorm probleem, aangezien het mariene leven verstikt wordt door de afbraak van dode algenbloei. Landbouwers en gemeenschappen moeten werken aan een betere opname van toegevoegde voedingsstoffen door gewassen en dierlijk mestafval goed behandelen. We moeten ook de natuurlijke plantenbufferzones beschermen die de stikstofafvoer kunnen opnemen voordat deze de wateren bereikt. Maar onze huidige patronen van het kappen van bomen voor de aanleg van wegen en andere bouwwerken verergeren dit probleem, omdat er minder planten overblijven om overtollige voedingsstoffen op te nemen. We moeten verder onderzoek doen om te bepalen welke plantensoorten het beste in kustgebieden kunnen groeien om overtollige stikstof op te nemen. We moeten ook andere manieren vinden om het probleem van overtollige stikstof in aquatische ecosystemen op te lossen of te vermijden. Door te werken aan een vollediger begrip van de stikstofcyclus en andere cycli die spelen in de onderling verbonden natuurlijke systemen van de aarde, kunnen we beter begrijpen hoe we de kostbare natuurlijke hulpbronnen van de aarde beter kunnen beschermen.