Czym dokładnie jest cykl azotowy?

Azot, najobficiej występujący pierwiastek w naszej atmosferze, ma kluczowe znaczenie dla życia. Azot znajduje się w glebie i roślinach, w wodzie, którą pijemy, i w powietrzu, którym oddychamy. Jest on również niezbędny do życia: jest kluczowym budulcem DNA, który określa naszą genetykę, jest niezbędny do wzrostu roślin, a zatem niezbędny do produkcji żywności, którą uprawiamy. Ale jak we wszystkim, kluczem jest równowaga: zbyt mało azotu i rośliny nie mogą się rozwijać, co prowadzi do niskich plonów; ale zbyt dużo azotu może być toksyczne dla roślin, a także może zaszkodzić naszemu środowisku. Rośliny, które nie mają wystarczającej ilości azotu stają się żółtawe i nie rosną dobrze, mogą mieć mniejsze kwiaty i owoce. Rolnicy mogą dodawać nawozy azotowe, aby uzyskać lepsze plony, ale zbyt duża ilość może zaszkodzić roślinom i zwierzętom, a także zanieczyścić nasze systemy wodne. Zrozumienie cyklu azotowego - jak azot przemieszcza się z atmosfery do ziemi, przez glebę i z powrotem do atmosfery w niekończącym się cyklu - może pomóc nam uprawiać zdrowe rośliny i chronić nasze środowisko.

 

WPROWADZENIE

Azot, lub N, używając jego naukowego skrótu, jest bezbarwnym, bezwonnym pierwiastkiem. Azot znajduje się w glebie pod naszymi stopami, w wodzie, którą pijemy i w powietrzu, którym oddychamy. W rzeczywistości, azot jest najobficiej występującym pierwiastkiem w ziemskiej atmosferze: około 78% atmosfery to azot! Azot jest ważny dla wszystkich żywych istot, w tym dla nas. Odgrywa kluczową rolę we wzroście roślin: zbyt mało azotu i rośliny nie mogą się rozwijać, co prowadzi do niskich plonów; ale zbyt dużo azotu może być toksyczne dla roślin [1]. Azot jest niezbędny dla naszego zaopatrzenia w żywność, ale jego nadmiar może szkodzić środowisku.

 

DLACZEGO AZOT JEST WAŻNY?

Delikatna równowaga substancji, która jest ważna dla utrzymania życia jest ważnym obszarem badań, a równowaga azotu w środowisku nie jest wyjątkiem [2]. Kiedy roślinom brakuje azotu, żółkną, mają zahamowany wzrost, wytwarzają mniejsze owoce i kwiaty. Rolnicy mogą dodawać do swoich upraw nawozy zawierające azot, aby zwiększyć ich wzrost. Naukowcy szacują, że bez nawozów azotowych stracilibyśmy nawet jedną trzecią upraw, na których polegamy przy produkcji żywności i innych rodzajach rolnictwa. Musimy jednak wiedzieć, ile azotu jest potrzebne do wzrostu roślin, ponieważ zbyt duża ilość może zanieczyścić drogi wodne, szkodząc życiu wodnemu.

 

AZOT JEST KLUCZEM DO ŻYCIA!

Azot jest kluczowym elementem kwasów nukleinowych DNADeoxyribonucleic acid, samoreplikujący się materiał, który występuje w prawie wszystkich żywych organizmach jako główny składnik chromosomów i nośnik informacji genetycznej. oraz RNARibonucleic acid, kwas nukleinowy występujący we wszystkich żywych komórkach, pełniący rolę posłańca przenoszącego instrukcje z DNA. które są najważniejszymi ze wszystkich cząsteczek biologicznych i kluczowe dla wszystkich żywych istot. DNA przenosi informację genetyczną, czyli instrukcje dotyczące sposobu tworzenia formy życia. Kiedy rośliny nie otrzymują wystarczającej ilości azotu, nie są w stanie produkować aminokwasów (substancji, które zawierają azot i wodór i tworzą wiele żywych komórek, mięśni i tkanek). Bez aminokwasów rośliny nie mogą wytwarzać specjalnych białek, które są potrzebne komórkom roślinnym do wzrostu. Bez wystarczającej ilości azotu, wzrost roślin jest negatywnie zakłócony. Przy zbyt dużej ilości azotu rośliny wytwarzają nadmiar biomasy, czyli materii organicznej, takiej jak łodygi i liście, ale za mało struktury korzeniowej. W skrajnych przypadkach rośliny o bardzo wysokim poziomie azotu zaabsorbowanego z gleby mogą zatruć zwierzęta hodowlane, które je jedzą [3].

CZYM DOKŁADNIE JEST CYKL AZOTOWY?

Cykl azotowy to powtarzający się cykl procesów, podczas których azot przemieszcza się zarówno przez rzeczy żywe, jak i nieożywione: atmosferę, glebę, wodę, rośliny, zwierzęta i bakterieMikroskopijne organizmy żywe, które zwykle zawierają tylko jedną komórkę i występują wszędzie. Bakterie mogą powodować rozkład lub rozbicie, materiału organicznego w glebach.... Aby przejść przez różne części cyklu, azot musi zmienić formy. W atmosferze, azot istnieje jako gaz (N2), ale w glebie istnieje jako tlenek azotu, NO, i dwutlenek azotu, NO2, a kiedy jest używany jako nawóz, może występować w innych formach, takich jak amoniak, NH3, który może być przetwarzany jeszcze bardziej w inny nawóz, azotan amonu, lub NH4NO3.

 

Istnieje pięć etapów cyklu azotowego, a teraz omówimy każdy z nich po kolei: utrwalanie lub ulatnianie, mineralizacja, nitryfikacja, immobilizacja i denitryfikacja. Na tym zdjęciu mikroby w glebie zamieniają gazowy azot (N2) w tak zwany lotny amoniak (NH3), więc proces wiązania nazywa się wolatilizacją. WypłukiwanieGdy minerał lub substancja chemiczna (taka jak azotan lub NO3) odpływa z gleby lub innego materiału gruntowego i wycieka do otaczającego obszaru. jest, gdy pewne formy azotu (takie jak azotan lub NO3) rozpuszcza się w wodzie i wycieka z gleby, potencjalnie zanieczyszczając drogi wodne.

 

ETAP 1: WIĄZANIE AZOTU

W tym etapie azot przemieszcza się z atmosfery do gleby. Atmosfera ziemska zawiera ogromną pulę gazowego azotu (N2). Jednak ten azot jest "niedostępny" dla roślin, ponieważ gazowa forma nie może być bezpośrednio wykorzystana przez rośliny bez przejścia transformacji. Aby rośliny mogły go wykorzystać, N2 musi zostać przekształcony w procesie zwanym wiązaniem azotu. Fiksacja przekształca azot z atmosfery w formy, które rośliny mogą wchłonąć przez swoje systemy korzeniowe.

 

Niewielka ilość azotu może zostać utrwalona, gdy piorun dostarcza energii potrzebnej do reakcji N2 z tlenem, tworząc tlenek azotu, NO, i dwutlenek azotu, NO2. Te formy azotu dostają się do gleby przez deszcz lub śnieg. Azot może być również utrwalony w procesie przemysłowym, w którym powstają nawozy. Ta forma wiązania występuje w warunkach wysokiego ciepła i ciśnienia, podczas których azot atmosferyczny i wodór są łączone w celu utworzenia amoniaku (NH3), który może być następnie przetwarzany dalej, w celu wytworzenia azotanu amonu (NH4NO3), formy azotu, która może być dodawana do gleby i wykorzystywana przez rośliny.

 

Większość wiązania azotu zachodzi naturalnie, w glebie, przez bakterie. Na rysunku 3 (powyżej) można zobaczyć wiązanie azotu i wymianę formy zachodzącą w glebie. Niektóre bakterie przyczepiają się do korzeni roślin i wchodzą w symbiotyczny (korzystny zarówno dla rośliny, jak i dla bakterii) związek z rośliną [6]. Bakterie otrzymują energię w wyniku fotosyntezy, a w zamian wiążą azot w formę potrzebną roślinie. Związany azot jest następnie przenoszony do innych części rośliny i jest wykorzystywany do tworzenia tkanek roślinnych, dzięki czemu roślina może rosnąć. Inne bakterie żyją swobodnie w glebie lub wodzie i mogą wiązać azot bez symbiotycznego związku. Bakterie te mogą również tworzyć formy azotu, które mogą być wykorzystane przez organizmy.

 

Rysunek 3 - Etapy cyklu azotowego.

Rysunek 3 - Etapy cyklu azotowego.

Cykl azotowy: Cykle azotu poprzez różne formy w glebie określają ilość azotu dostępnego do pobrania przez rośliny. Źródło: https://www.agric.wa.gov.au/soil-carbon/immobilisation-soil-nitrogen-heavy-stubble-loads.

ETAP 2: MINERALIZACJA

Ten etap odbywa się w glebie. Azot przechodzi z materiałów organicznych, takich jak obornik lub materiały roślinne do nieorganicznej formy azotu, którą mogą wykorzystać rośliny. W końcu składniki odżywcze rośliny zostają zużyte, a roślina umiera i rozkłada się. Staje się to ważne w drugim etapie cyklu azotowego. Mineralizacja ma miejsce, gdy mikroby działają na materiał organiczny, taki jak obornik zwierzęcy lub rozkładający się materiał roślinny lub zwierzęcy i zaczynają przekształcać go w formę azotu, która może być wykorzystana przez rośliny. Wszystkie rośliny uprawne, z wyjątkiem roślin strączkowychCzłonek rodziny groszkowatych: fasola, soczewica, soja, orzeszki ziemne i groch, to rośliny ze strąkami nasiennymi, które dzielą się na pół. (rośliny ze strąkami nasiennymi, które dzielą się na pół, takie jak soczewica, fasola, groch lub orzeszki ziemne) otrzymują potrzebny im azot z gleby. Rośliny strączkowe otrzymują azot poprzez wiązanie, które zachodzi w ich guzkach korzeniowych, jak opisano powyżej.

Pierwszą formą azotu powstałą w procesie mineralizacji jest amoniak, NH3. NH3 w glebie reaguje następnie z wodą tworząc amon, NH4. Ten amon jest przechowywany w glebie i jest dostępny do wykorzystania przez rośliny, które nie otrzymują azotu poprzez symbiotyczne wiązanie azotu opisane powyżej.

ETAP 3: NITRYFIKACJA

Trzeci etap, nitryfikacja, również zachodzi w glebach. Podczas nitryfikacji znajdujący się w glebach amoniak, powstały podczas mineralizacji, zostaje przekształcony w związki zwane azotynami, NO2-, i azotanami, NO3-. Azotany mogą być wykorzystywane przez rośliny i zwierzęta, które je spożywają. Niektóre bakterie w glebie mogą przekształcać amoniak w azotyny. Chociaż azotyny nie są bezpośrednio wykorzystywane przez rośliny i zwierzęta, inne bakterie mogą przekształcić azotyny w azotany - formę, która jest wykorzystywana przez rośliny i zwierzęta. Reakcja ta dostarcza energii bakteriom zaangażowanym w ten proces. Bakterie, o których mówimy to Nitrosomonas i Nitrobacter. Nitrobacter przekształca azotyny w azotany; Nitrosomonas przekształca amoniak w azotyny. Oba rodzaje bakterii mogą działać tylko w obecności tlenu, O2 [7]. Proces nitryfikacji jest ważny dla roślin, ponieważ wytwarza dodatkowy zapas dostępnego azotu, który może być wchłonięty przez rośliny poprzez ich systemy korzeniowe.

ETAP 4: UNIERUCHOMIENIE

Czwartym etapem cyklu azotowego jest immobilizacja, czasami opisywana jako odwrotność mineralizacji. Te dwa procesy wspólnie kontrolują ilość azotu w glebie. Podobnie jak rośliny, mikroorganizmy Organizm lub żywa istota, która jest zbyt mała, aby zobaczyć ją bez mikroskopu, np. bakteria. żyjące w glebie wymagają azotu jako źródła energii. Te mikroorganizmy glebowe pobierają azot z gleby, gdy pozostałości po rozkładających się roślinach nie zawierają wystarczającej ilości azotu. Kiedy mikroorganizmy pobierają amon (NH4+) i azotan (NO3-), te formy azotu nie są już dostępne dla roślin i mogą powodować niedobór azotu, czyli jego brak. Immobilizacja, zatem, wiąże azot w mikroorganizmach. Immobilizacja jest jednak ważna, ponieważ pomaga kontrolować i równoważyć ilość azotu w glebie, wiążąc go lub unieruchamiając w mikroorganizmach.

ETAP 5: DENITRYFIKACJA

W piątym etapie cyklu azotowego, azot wraca do powietrza, ponieważ azotany są przekształcane w azot atmosferyczny (N2) przez bakterie w procesie, który nazywamy denitryfikacją. Powoduje to ogólną utratę azotu z gleby, ponieważ gazowa forma azotu przemieszcza się do atmosfery, czyli tam, gdzie zaczęliśmy naszą opowieść.

AZOT JEST NIEZBĘDNY DO ŻYCIA

Cyrkulacja azotu przez ekosystem jest kluczowa dla utrzymania produktywnych i zdrowych ekosystemów, w których nie ma ani za dużo, ani za mało azotu. Produkcja roślin i biomasa (żywy materiał) są ograniczone przez dostępność azotu. Zrozumienie, jak działa cykl azotowy roślina-gleba, może pomóc nam w podejmowaniu lepszych decyzji o tym, jakie uprawy uprawiać i gdzie je uprawiać, abyśmy mieli wystarczającą podaż żywności. Wiedza na temat cyklu azotowego może również pomóc nam w zmniejszeniu zanieczyszczenia spowodowanego przez dodanie zbyt dużej ilości nawozu do gleby. Niektóre rośliny mogą wchłonąć więcej azotu lub innych składników odżywczych, takich jak fosfor, inny nawóz, a nawet mogą być wykorzystywane jako "bufor" lub filtr, aby zapobiec przedostawaniu się nadmiernej ilości nawozu do dróg wodnych. Na przykład, badanie przeprowadzone przez Haycock i Pinay [8] wykazało, że topola (Populus italica) użyta jako bufor zatrzymała 99% azotanów dostających się do podziemnego strumienia wody w zimie, podczas gdy strefa brzegowa rzeki pokryta specyficzną trawą (Lolium perenne L.) zatrzymała 84% azotanów, zapobiegając ich przedostaniu się do rzeki.

Jak widać, za mało azotu w glebie powoduje, że rośliny są głodne, natomiast za dużo dobrej rzeczy może być złe: nadmiar azotu może zatruć rośliny, a nawet zwierzęta hodowlane! Zanieczyszczenie naszych źródeł wody przez nadmiar azotu i innych składników odżywczych jest ogromnym problemem, ponieważ życie morskie jest duszone przez rozkład martwych zakwitów alg. Rolnicy i społeczności muszą pracować nad poprawą wchłaniania dodanych składników odżywczych przez uprawy i odpowiednio traktować odpady z odchodów zwierzęcych. Musimy również chronić naturalne strefy buforowe roślin, które mogą wchłonąć spływy azotu, zanim dotrą one do zbiorników wodnych. Jednak nasze obecne wzorce wycinania drzew w celu budowy dróg i innych konstrukcji pogarszają ten problem, ponieważ pozostaje mniej roślin, które mogą wchłonąć nadmiar składników odżywczych. Musimy przeprowadzić dalsze badania, aby określić, które gatunki roślin najlepiej rosną na obszarach przybrzeżnych, aby wchłonąć nadmiar azotu. Musimy również znaleźć inne sposoby, aby rozwiązać lub uniknąć problemu nadmiaru azotu rozlewającego się do ekosystemów wodnych. Pracując nad pełniejszym zrozumieniem cyklu azotowego i innych cykli występujących w połączonych systemach naturalnych Ziemi, możemy lepiej zrozumieć, jak lepiej chronić cenne zasoby naturalne Ziemi.