Das Stickstoffkreislauf Es ist der Prozess der Stickstoffbewegung zwischen Atmosphäre und Biosphäre. Es ist einer der wichtigsten biogeochemischen Kreisläufe. Stickstoff (N) ist ein Element von großer Bedeutung, da es von allen Organismen für ihr Wachstum benötigt wird. Es ist Teil der chemischen Zusammensetzung von Nukleinsäuren (DNA und RNA) und Proteinen.
Die größte Menge an Stickstoff auf dem Planeten befindet sich in der Atmosphäre. Luftstickstoff (N.zwei) kann von den meisten Lebewesen nicht direkt verwendet werden. Es gibt Bakterien, die es fixieren und auf eine Weise in Boden oder Wasser einbauen können, die von anderen Organismen verwendet werden kann..
Anschließend wird Stickstoff von autotrophen Organismen aufgenommen. Die meisten heterotrophen Organismen erwerben es über die Nahrung. Dann setzen sie die Exzesse in Form von Urin (Säugetiere) oder Exkrementen (Vögel) frei..
In einer anderen Phase des Prozesses gibt es Bakterien, die an der Umwandlung von Ammoniak in Nitrite und Nitrate beteiligt sind, die in den Boden eingebaut werden. Und am Ende des Zyklus verwendet eine andere Gruppe von Mikroorganismen den in stickstoffhaltigen Verbindungen verfügbaren Sauerstoff bei der Atmung. Dabei setzen sie Stickstoff wieder in die Atmosphäre frei.
Derzeit wird die größte Menge an Stickstoff, die in der Landwirtschaft verwendet wird, vom Menschen produziert. Dies hat zu einem Überschuss dieses Elements in Böden und Wasserquellen geführt, was zu einem Ungleichgewicht in diesem biogeochemischen Kreislauf führt..
Artikelverzeichnis
Es wird angenommen, dass Stickstoff durch Nukleosynthese (Bildung neuer Atomkerne) entstanden ist. Sterne mit großen Heliummassen erreichten den Druck und die Temperatur, die zur Bildung von Stickstoff erforderlich sind.
Als die Erde entstand, befand sich Stickstoff in einem festen Zustand. Später, mit vulkanischer Aktivität, wurde dieses Element ein gasförmiger Zustand und wurde in die Atmosphäre des Planeten eingebaut..
Stickstoff lag in Form von N vorzwei. Wahrscheinlich die chemischen Formen, die von Lebewesen verwendet werden (Ammoniak NH3) erschienen durch Stickstoffkreisläufe zwischen Meer und Vulkanen. Auf diese Weise kann der NH3 es wäre in die Atmosphäre eingebaut worden und hätte zusammen mit anderen Elementen organische Moleküle hervorgebracht.
Stickstoff kommt in verschiedenen chemischen Formen vor und bezieht sich auf verschiedene Oxidationsstufen (Elektronenverlust) dieses Elements. Diese verschiedenen Formen unterscheiden sich sowohl in ihren Eigenschaften als auch in ihrem Verhalten. Stickstoffgas (N.zwei) ist nicht rostig.
Oxidierte Formen werden in organische und anorganische eingeteilt. Die organischen Formen kommen hauptsächlich in Aminosäuren und Proteinen vor. Die anorganischen Zustände sind Ammoniak (NH3), das Ammoniumion (NH4), Nitrite (NRzwei) und Nitrate (NO3), unter anderen.
Stickstoff wurde 1770 von drei unabhängigen Wissenschaftlern entdeckt (Scheele, Rutherford und Lavosier). 1790 nannte das französische Kapitel das Gas Stickstoff.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde festgestellt, dass es ein wesentlicher Bestandteil des Gewebes lebender Organismen und des Pflanzenwachstums ist. Ebenso wurde die Existenz eines konstanten Flusses zwischen organischen und anorganischen Formen nachgewiesen..
Stickstoffquellen wurden ursprünglich als Blitzschlag und atmosphärische Ablagerung angesehen. 1838 bestimmte Boussingault die biologische Fixierung dieses Elements in Hülsenfrüchten. Dann, im Jahr 1888, wurde entdeckt, dass die mit den Wurzeln von Hülsenfrüchten verbundenen Mikroorganismen für die Fixierung von N verantwortlich warenzwei.
Eine weitere wichtige Entdeckung war die Existenz von Bakterien, die Ammoniak zu Nitriten oxidieren konnten. Sowie andere Gruppen, die Nitrite in Nitrate umwandelten.
Bereits 1885 stellte Gayon fest, dass eine andere Gruppe von Mikroorganismen die Fähigkeit besitzt, Nitrate in N umzuwandelnzwei. Auf diese Weise konnte der Stickstoffkreislauf auf dem Planeten verstanden werden.
Alle Lebewesen benötigen Stickstoff für ihre lebenswichtigen Prozesse, aber nicht alle verwenden ihn auf die gleiche Weise. Einige Bakterien können Luftstickstoff direkt verwenden. Andere verwenden Stickstoffverbindungen als Sauerstoffquelle.
Autotrophe Organismen benötigen eine Versorgung in Form von Nitraten. Andererseits können viele Heterotrophe es nur in Form von Aminogruppen verwenden, die sie aus ihrer Nahrung erhalten.
Die größte natürliche Stickstoffquelle ist die Atmosphäre, in der 78% dieses Elements in gasförmiger Form vorliegen (N.zwei) mit einigen Spuren von Lachgas und Stickstoffmonoxid.
Sedimentgesteine enthalten ungefähr 21%, die sehr langsam freigesetzt werden. Die restlichen 1% sind in organischer Substanz und den Ozeanen in Form von organischem Stickstoff, Nitraten und Ammoniak enthalten.
Es gibt drei Arten von Mikroorganismen, die am Stickstoffkreislauf beteiligt sind. Dies sind Fixiermittel, Nitrifikatoren und Denitrifikatoren.
Sie codieren einen Komplex von Stickstoffaseenzymen, die am Fixierungsprozess beteiligt sind. Die meisten dieser Mikroorganismen besiedeln die Rhizosphäre von Pflanzen und entwickeln sich in ihren Geweben..
Die häufigste Gattung zur Fixierung von Bakterien ist Rhizobium, was mit Hülsenfruchtwurzeln verbunden ist. Es gibt andere Genres wie Frankia, Nostoc Y. Rosine das macht Symbiose mit Wurzeln anderer Pflanzengruppen.
Cyanobakterien in freier Form können Luftstickstoff in Gewässern binden
Es gibt drei Arten von Mikroorganismen, die am Nitrifikationsprozess beteiligt sind. Diese Bakterien sind in der Lage, das im Boden vorhandene Ammoniak oder Ammoniumion zu oxidieren. Sie sind chemolyttrophe Organismen (die in der Lage sind, anorganische Materialien als Energiequelle zu oxidieren)..
Bakterien verschiedener Gattungen greifen nacheinander in den Prozess ein. Nitrosom und Nitrocystis Sie oxidieren NH3 und NH4 zu Nitriten. Später Nitrobacter Y. Nitrosococcus oxidiere diese Verbindung zu Nitraten.
Im Jahr 2015 wurde eine weitere Gruppe von Bakterien entdeckt, die in diesen Prozess eingreifen. Sie können Ammoniak direkt zu Nitraten oxidieren und befinden sich in der Gattung Nitrospira. Einige Pilze können auch Ammoniak nitrifizieren.
Es wurde vermutet, dass mehr als 50 verschiedene Bakteriengattungen Nitrate zu N reduzieren könnenzwei. Dies geschieht unter anaeroben Bedingungen (Abwesenheit von Sauerstoff).
Die häufigsten denitrifizierenden Gattungen sind Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus Y. Thiosphaera. Die meisten dieser Gruppen sind Heterotrophe.
Im Jahr 2006 ein Bakterium (Methylomirabilis oxyfera) was aerob ist. Es ist methanotrop (es gewinnt Kohlenstoff und Energie aus Methan) und kann Sauerstoff aus dem Denitrifikationsprozess gewinnen..
Der Stickstoffkreislauf durchläuft mehrere Phasen seiner Mobilisierung auf der ganzen Welt. Diese Phasen sind:
Es ist die Umwandlung von Luftstickstoff in Formen, die als reaktiv gelten (die von Lebewesen verwendet werden können). Das Aufbrechen der drei Bindungen, die das N-Molekül enthältzwei erfordert viel Energie und kann auf zwei Arten auftreten: abiotisch oder biotisch.
Nitrate werden durch energiereiche Fixierung in der Atmosphäre erhalten. Es ist aus der elektrischen Energie des Blitzes und der kosmischen Strahlung.
Dannzwei verbindet sich mit Sauerstoff zu oxidierten Formen von Stickstoff wie NO (Stickstoffdioxid) und NOzwei (Lachgas). Anschließend werden diese Verbindungen durch Regen als Salpetersäure (HNO) an die Erdoberfläche transportiert3).
Die Hochenergiefixierung enthält ungefähr 10% der im Stickstoffkreislauf vorhandenen Nitrate.
Es wird von Mikroorganismen im Boden durchgeführt. Diese Bakterien sind im Allgemeinen mit den Wurzeln von Pflanzen verbunden. Die jährliche biotische Stickstofffixierung wird auf ungefähr 200 Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt.
Luftstickstoff wird in Ammoniak umgewandelt. In einer ersten Phase der Reaktion wird das N.zwei wird zu NH reduziert3 (Ammoniak). In dieser Form ist es in Aminosäuren eingebaut.
An diesem Prozess ist ein enzymatischer Komplex mit verschiedenen Oxidations-Reduktions-Zentren beteiligt. Dieser Stickstoffasekomplex besteht aus einer Reduktase (liefert Elektronen) und einer Stickstoffase. Letzterer verwendet Elektronen, um N zu reduzierenzwei zu NH3. Dabei wird eine große Menge ATP verbraucht.
Der Stickstoffasekomplex wird in Gegenwart hoher O-Konzentrationen irreversibel gehemmtzwei. In radikalen Knötchen ist ein Protein (Leghemoglobin) vorhanden, das den O-Gehalt sehr niedrig hält.zwei. Dieses Protein entsteht durch die Wechselwirkung zwischen den Wurzeln und den Bakterien.
Pflanzen, die keine symbiotische Assoziation mit N-fixierenden Bakterien habenzwei, Sie entziehen dem Boden Stickstoff. Die Absorption dieses Elements erfolgt in Form von Nitraten durch die Wurzeln.
Sobald Nitrate in die Pflanze gelangen, wird ein Teil davon von den Wurzelzellen verwendet. Ein weiterer Teil wird vom Xylem an die gesamte Pflanze verteilt.
Wenn es verwendet werden soll, wird Nitrat im Zytoplasma zu Nitrit reduziert. Dieser Prozess wird durch das Enzym Nitratreduktase katalysiert. Nitrite werden zu Chloroplasten und anderen Plastiden transportiert, wo sie zum Ammoniumion (NH) reduziert werden4).
Ammoniumionen in großen Mengen sind giftig für die Pflanze. So wird es schnell in Carbonatskelette eingebaut, um Aminosäuren und andere Moleküle zu bilden..
Bei Verbrauchern wird Stickstoff durch direkte Fütterung von Pflanzen oder anderen Tieren gewonnen.
Bei diesem Verfahren werden die im Boden vorhandenen stickstoffhaltigen Verbindungen zu einfacheren chemischen Formen abgebaut. Stickstoff ist in toten organischen Stoffen und Abfällen wie Harnstoff (Säugetierurin) oder Harnsäure (Vogelkot) enthalten..
Der in diesen Substanzen enthaltene Stickstoff liegt in Form komplexer organischer Verbindungen vor. Mikroorganismen verwenden die in diesen Substanzen enthaltenen Aminosäuren, um ihre Proteine herzustellen. Dabei setzen sie überschüssigen Stickstoff in Form von Ammoniak oder Ammoniumionen frei..
Diese Verbindungen stehen im Boden zur Verfügung, damit andere Mikroorganismen in den folgenden Phasen des Zyklus wirken können.
Während dieser Phase oxidieren Bodenbakterien Ammoniak und Ammoniumionen. Dabei wird Energie freigesetzt, die von den Bakterien in ihrem Stoffwechsel genutzt wird..
Im ersten Teil die nitrosifizierenden Bakterien der Gattung Nitrosomen Sie oxidieren Ammoniak und Ammoniumionen zu Nitrit. Das Enzym Ammoniak-Mooxygenase befindet sich in der Membran dieser Mikroorganismen. Es oxidiert das NH3 zu Hydroxylamin, das dann im Periplasma der Bakterien zu Nitrit oxidiert wird.
Anschließend oxidieren die nitrierenden Bakterien die Nitrite mit dem Enzym Nitritoxidoreduktase zu Nitraten. Nitrate bleiben im Boden verfügbar, wo sie von Pflanzen aufgenommen werden können.
In diesem Stadium werden oxidierte Formen von Stickstoff (Nitrite und Nitrate) wieder in N umgewandeltzwei und in geringerem Maße Lachgas.
Der Prozess wird von anaeroben Bakterien durchgeführt, die während der Atmung stickstoffhaltige Verbindungen als Elektronenakzeptoren verwenden. Die Denitrifikationsrate hängt von mehreren Faktoren ab, wie der verfügbaren Nitrat- und Bodensättigung und -temperatur..
Wenn der Boden mit Wasser gesättigt ist, wird der O.zwei es ist nicht mehr leicht verfügbar und die Bakterien verwenden NO3 als Elektronenakzeptor. Bei sehr niedrigen Temperaturen können Mikroorganismen den Prozess nicht ausführen.
Nur in dieser Phase wird Stickstoff aus einem Ökosystem entfernt. Auf diese Weise kann der N.zwei das war feste Rückkehr in die Atmosphäre und das Gleichgewicht dieses Elements bleibt erhalten.
Dieser Zyklus hat eine große biologische Relevanz. Wie bereits erläutert, ist Stickstoff ein wichtiger Bestandteil lebender Organismen. Durch diesen Prozess wird es biologisch nutzbar.
Bei der Entwicklung von Kulturpflanzen ist die Verfügbarkeit von Stickstoff eine der Hauptbeschränkungen der Produktivität. Seit Beginn der Landwirtschaft wurde der Boden mit diesem Element angereichert.
Der Anbau von Hülsenfrüchten zur Verbesserung der Bodenqualität ist eine gängige Praxis. Ebenso fördert die Aussaat von Reis in überfluteten Böden die für die Verwendung von Stickstoff notwendigen Umweltbedingungen..
Während des 19. Jahrhunderts wurde Guano (Vogelkot) häufig als externe Stickstoffquelle in Kulturpflanzen verwendet. Bis zum Ende dieses Jahrhunderts reichte es jedoch nicht aus, die Nahrungsmittelproduktion zu steigern.
Der deutsche Chemiker Fritz Haber entwickelte Ende des 19. Jahrhunderts ein Verfahren, das später von Carlo Bosch kommerzialisiert wurde. Dies besteht aus der Reaktion von N.zwei und Wasserstoffgas, um Ammoniak zu bilden. Es ist als Haber-Bosch-Verfahren bekannt.
Diese Form der künstlichen Ammoniakproduktion ist eine der Hauptstickstoffquellen, die von Lebewesen genutzt werden können. Es wird angenommen, dass 40% der Weltbevölkerung für ihre Nahrung auf diese Düngemittel angewiesen sind.
Die derzeitige anthropische Ammoniakproduktion beträgt ungefähr 85 Tonnen pro Jahr. Dies hat negative Auswirkungen auf den Stickstoffkreislauf..
Aufgrund des hohen Einsatzes chemischer Düngemittel kommt es zu einer Kontamination von Böden und Grundwasserleitern. Es wird angenommen, dass mehr als 50% dieser Kontamination eine Folge der Haber-Bosch-Synthese sind.
Stickstoffüberschüsse führen zur Eutrifikation (Nährstoffanreicherung) von Gewässern. Die anthropische Euutrifikation ist sehr schnell und bewirkt ein beschleunigtes Wachstum hauptsächlich von Algen.
Sie verbrauchen viel Sauerstoff und können Giftstoffe ansammeln. Aufgrund des Sauerstoffmangels sterben die anderen im Ökosystem vorhandenen Organismen ab.
Darüber hinaus setzt die Verwendung fossiler Brennstoffe eine große Menge Lachgas in die Atmosphäre frei. Dieser reagiert mit Ozon und bildet Salpetersäure, eine der Komponenten des sauren Regens..
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