Starp bioģeoķīmiskajiem cikliem visplašāk tiek pētīts slāpeklis. Pārbaudiet kopsavilkumu un zināt tā nozīmi

Slāpeklis ir būtisks ķīmiskais elements dzīvības pastāvēšanai uz Zemes, jo tas ir visu mūsu ķermeņa aminoskābju sastāvdaļa papildus slāpekļa bāzēm (kas veido DNS un RNS molekulas). Aptuveni 78% no gaisa, ko elpojam, veido slāpeklis no atmosfēras (N 2), kas ir tā lielākais rezervuārs. Viens no iemesliem ir tas, ka N 2 ir slāpekļa inertā forma, tas ir, tā ir gāze, kas parastās situācijās nav reaktīva. Tādējādi tas ir uzkrāts atmosfērā kopš planētas veidošanās. Neskatoties uz to, maz dzīvu būtņu spēj absorbēt to molekulārajā formā (N 2). Izrādās, ka slāpeklis, tāpat kā dzelzs un sērs, piedalās dabiskā ciklā, kura laikā tā ķīmiskā struktūra katrā posmā mainās,kalpo par pamatu citām reakcijām un tādējādi kļūst pieejams citiem organismiem - tā ir slāpekļa cikla (vai "slāpekļa cikla") liela nozīme.

Lai atmosfēras N 2 nonāktu augsnē, iekļūstot ekosistēmā, tam jāiet cauri procesam, ko sauc par fiksāciju, un to veic mazas nitrificējošo baktēriju grupas, kas slāpekli N2 formā atdala un iekļauj savās organiskajās molekulās. Ja fiksāciju veic dzīvi organismi, piemēram, baktērijas, to sauc par bioloģisko fiksāciju vai biofiksāciju. Šobrīd slāpekļa fiksēšanai ir iespējams izmantot arī komerciālos mēslošanas līdzekļus, raksturojot rūpniecisko fiksāciju - lauksaimniecībā plaši izmantotu metodi. Papildus tiem ir arī fiziskā fiksācija, ko veic zibens un elektriskās dzirksteles, caur kurām slāpeklis oksidējas un lietus laikā tiek nogādāts augsnē, taču šādai metodei ir samazināta slāpekļa fiksācijas spēja,kas nav pietiekami, lai organismi un dzīvība uz Zemes varētu sevi uzturēt.

Kad baktērijas fiksē N 2, tās atbrīvo amonjaku (NH 3). Amonjaks, nonākot saskarē ar augsnes ūdens molekulām, veido amonija hidroksīdu, kas, jonizējot, ražo amoniju (NH 4) procesā, kas ir daļa no slāpekļa cikla un ko sauc par amonifikāciju. Dabā ir līdzsvars starp amonjaku un amoniju, ko regulē pH. Vidēs, kur pH ir vairāk skābes, dominē NH 4 veidošanās, un vairāk bāziskās vidēs visizplatītākais process ir NH 3 veidošanās. Šo amoniju mēdz absorbēt un izmantot galvenokārt augi, kuru saknēm ir saistītas baktērijas (bakteriorrizas). Ja to ražo brīvi dzīvojošas baktērijas, šis amonijs parasti ir pieejams augsnē, lai to izmantotu citas baktērijas (nitrobaktērijas).

Nitrobaktērijas ir ķīmiskos sintezatorus, tas ir, tās ir autotrofiskas būtnes (kas ražo paši savu pārtiku), kuras no ķīmiskām reakcijām noņem to izdzīvošanai nepieciešamo enerģiju. Lai iegūtu šo enerģiju, viņiem ir tendence oksidēt amoniju, pārveidojot to nitrītā (NO 2 -) un vēlāk nitrātā (NO 3 -). Šo slāpekļa cikla procesu sauc par nitrifikāciju.

Nitrāts augsnē paliek brīvs, un tam nav tendences uzkrāties dabiski neskartā vidē, tāpēc tas var iet trīs dažādos ceļos: augi tos absorbē, denitrifikē vai sasniedz ūdenstilpes. Gan denitrifikācija, gan nitrātu plūsma ūdenstilpēs negatīvi ietekmē vidi.

Ietekme uz vidi

Denitrifikācija (vai denitrifikācija) ir process, ko veic baktērijas, ko sauc par denitrifikatoriem, kuri nitrātu atkal pārveido par N 2, veicot slāpekļa atgriešanos atmosfērā. Papildus N 2, citas gāzes, kuras var radīt, ir slāpekļa oksīds (NO), kas apvienojas ar atmosfēras skābekli, veicinot skābā lietus veidošanos, un slāpekļa oksīds (N 2 O), kas ir svarīga izraisītāja gāze siltumnīcas efekts, kas saasina globālo sasilšanu.

Trešais ceļš, kur nitrāts nonāk ūdenstilpēs, izraisa vides problēmu, ko sauc par eitrofikāciju. Šo procesu raksturo barības vielu (galvenokārt slāpekļa savienojumu un fosfora) koncentrācijas palielināšanās ezera vai aizsprosta ūdeņos. Šis uzturvielu pārpalikums dod priekšroku aļģu paātrinātai pavairošanai, kas galu galā kavē gaismas pāreju, nelīdzsvarojot ūdens vidi. Vēl viens veids, kā nodrošināt šo uzturvielu pārpalikumu ūdens vidē, ir notekūdeņu izlaišana tajā bez pienācīgas apstrādes.

Vēl viens jāņem vērā fakts, ka slāpeklis var būt kaitīgs arī augiem, ja to daudzums ir lielāks par to asimilācijas spējām. Tādējādi augsnē fiksētais slāpekļa pārpalikums var ierobežot auga augšanu, kaitējot kultūrām. Tādējādi kompostēšanas procesos jāņem vērā arī oglekļa / slāpekļa attiecība, lai sadalīšanās procesā iesaistīto mikroorganismu koloniju vielmaiņa vienmēr būtu aktīva.

Slāpekļa absorbcija cilvēkiem

Cilvēkiem un citiem dzīvniekiem ir pieejams nitrāts, uzņemot augus, kas absorbējuši šo vielu, vai, saskaņā ar pārtikas ķēdi, norijot citus dzīvniekus, kuri barojuši šos augus. Šis nitrāts atgriežas ciklā pēc kāda organisma (organiskās vielas) nāves vai ar izdalīšanos (urīnviela vai urīnskābe, lielākajā daļā sauszemes dzīvnieku un amonjaks, zivju ekskrementos), kas satur slāpekļa savienojumus. Tādējādi sadalošās baktērijas iedarbosies uz organisko vielu, kas atbrīvo amonjaku. Amonjaku var pārveidot arī par nitrītiem un nitrātiem ar tām pašām nitrobaktērijām, kas pārveido amoniju, integrējoties ciklā.

Alternatīva mēslošanas līdzekļiem

Kā mēs redzējām, slāpekļa fiksācija augsnē var radīt pozitīvu efektu, bet process notiek pārmērīgi, var radīt negatīvas sekas videi. Cilvēces iejaukšanās slāpekļa ciklā notiek rūpnieciskā fiksācijā (izmantojot mēslojumu), kas palielina fiksējamā slāpekļa koncentrāciju, radot tādas problēmas kā iepriekš minētās.

Alternatīva mēslošanas līdzekļu izmantošanai būtu augseka, pārmaiņus slāpekļa fiksējošo un nestrādājošo augu kultūras. Slāpekli fiksējošie augi ir tie, kuru saknēm ir saistītas baktērijas un citi fiksējošie organismi, kā tas notiek pākšaugos (piemēram, pupās un sojas pupās). Rotācija veicinātu slāpekļa fiksāciju drošākos daudzumos nekā mēslošanas līdzekļu izmantošana, nodrošinot barības vielas, kas ir saderīgas ar augu asimilācijas spējām, veicinot to attīstību un samazinot barības vielu daudzumu, kas nonāk ūdenstilpēs. Līdzīgu procesu, ko sauc par "zaļo mēslu", var izmantot arī mēslošanas līdzekļu aizstāšanai.

Šis process sastāv no slāpekli piesaistošo augu kultivēšanas un suku tīrīšanas pirms sēklu rašanās, atstājot tos vietā kā mulču, lai vēlāk varētu izveidot citu sugu kultūras. Zemāk redzams attēls, kas mums sniedz kopsavilkumu par visā rakstā redzēto:

ANAMMOKS

Akronīms angļu valodā (tas nozīmē amonjaka anaerobo oksidēšanu) nosauc novatorisku bioloģisko procesu amonjaka atdalīšanai no ūdens un gāzēm.

Tas sastāv no saīsnes, jo amonjaku nevajadzētu nitrificēt nitrītā un nitrātu, lai to denitrifikētu atpakaļ N 2 formā. Ar ANAMMOX procesu amonjaks tiktu tieši pārveidots par slāpekļa gāzi (N 2). Pirmā liela mēroga stacija tika uzstādīta 2002. gadā Nīderlandē, un 2012. gadā jau darbojās 11 iekārtas.

Efektīvu un ilgtspējīgu ANAMMOX procesu var izmantot, lai amonjaku noņemtu no notekūdeņiem, ja koncentrācija pārsniedz 100 mg / l. Reaktoros līdzās pastāv nitrificējošās baktērijas un ANAMMOX, kur pirmie aptuveni pusi amonjaka pārveido par nitrīdiem (ķīmiskiem savienojumiem, kuru sastāvā ir slāpeklis), un ANAMMOX baktērijas darbojas, pārveidojot nitrīdus un amonjaku slāpekļa gāzē.

Ir pierādīts, ka amonjaka anaerobā oksidēšana ir daudzsološa, un to jau var konstatēt tādos rūpnieciskos procesos kā notekūdeņu attīrīšana, organiskie cietie atkritumi, pārtikas rūpniecība, mēslošanas līdzekļi.