Азотен цикъл: определение и ключови процеси в природата

Цикълът на азота е начинът, по който азотът в природата се превръща в много различни форми, които се използват от живите организми.

Въздухът съдържа около 78% азот. Азотните химикали са необходими за живота. Азотът е необходима част от протеините, ДНК и РНК. При растенията азотът е необходим за фотосинтезата и растежа. Живите същества обаче не могат да използват елементарния азот във въздуха за тези цели. За да се промени азотът във въздуха (N2) във форми, които могат да се използват от живота, е необходимо азотното свързване. Най-често азотното свързване се извършва от микроорганизми, наречени бактерии. Тези бактерии имат ензим, който комбинира N2 с водороден газ (_{H2), за} да се получи амоняк (NH3).

Някои от тези бактерии живеят в корените на растенията (най-вече бобовите). В тези корени те произвеждат амоняк за растението, а растението им дава въглехидрати. Други растения извличат азотни съединения от почвата чрез корените си. Целият азот при животните идва от храненето с растения.

Амоният (NH4) в почвата се образува от азотфиксиращи бактерии и декомпозитори - бактерии и гъби, които разграждат мъртвия живот на части. Този процес се нарича амонификация. Амоният има положителен заряд. Той лесно се свързва с глината и хумуса в почвата. Амонякът и амоният са отровни за рибите и други животни. Заради това редовно се измерват канализационните и други отпадни води. Ако нивата на амоняк са твърде високи, трябва да се извърши нитрификация.

Нитрификацията е окисление на амоняка и амония до нитрити (NO2-) и след това до нитрати (NO3-^{) от} бактерии. Тъй като нитритите и нитратите имат отрицателен заряд, те не се свързват лесно с почвата и се отмиват от нея по време на дъжд и напояване. Високите нива на нитрати в питейната вода са вредни за бебетата и могат да причинят синдрома на синьото бебе. Високите нива на нитрати могат също така да причинят твърде голям растеж на водорасли в езера и басейни. Тази еутрофикация може да бъде вредна за рибите и другите водни животни. Поради тази причина използването на торове се контролира.

Когато няма кислород, някои бактерии превръщат нитратите в азотен газ (N2), за да извлекат енергия. Така азотният цикъл започва отново. Този процес се нарича денитрификация.

Защо азотът е важен и в какви форми се среща

Азотът е жизнено важен елемент за всички организми. Той участва в изграждането на аминокиселини, протеини, нуклеинови киселини и други биомолекули. В природата азотът циркулира в няколко основни форми:

• N2 – молекулен азот във въздуха; стабилен и почти нереактивен поради силната тройна връзка между двата атома.
• NH3 (амоняк) и NH4+ (амоний) – форми, получени при азотфиксация и при разграждане на органична материя.
• NO2- (нитрит) и NO3- (нитрат) – продукт на нитрификацията; нитратите са лесно разтворими и подвижни в почвата.
• Органичен азот – азот, свързан в съединения като протеини, аминокиселини и урея.

Ключови процеси в азотния цикъл

Основните биологични и химични процеси в азотния цикъл са:

• Азотфиксация – преобразуване на атмосферния N2 в амоняк (NH3) или амоний (NH4+). Тя може да бъде:
• Биологична – извършвана от свободно живеещи или симбиотични бактерии (например род Rhizobium при бобовите растения), които притежават ензима нитрогеназа.
• Абиотична – чрез мълнии или промишлени процеси (напр. Haber–Bosch), които също превръщат N2 в реактивни форми.
• Амонификация (минерализация) – разграждане на органичния азот (мъртви растения и животни, отпадъци) до амоняк/амоний от декомпозиторни бактерии и гъби.
• Нитрификация – двустепенен процес при наличие на кислород, при който амоняк/амоний се окислява първо до нитрит (NO2-) и след това до нитрат (NO3-). Тези стъпки се извършват от различни групи бактерии и са чувствителни на температура и pH.
• Денитрификация – при липса на кислород някои бактерии използват нитратите като крайни електронни акцептори и превръщат NO3- обратно в газообразни форми (N2 и частично N2O). Този процес връща азота във въздуха, но може да генерира и парниковия газ N2O (засяга глобалното затопляне).
• Асимилация – растенията и микробите поемат амонячни и нитратни форми и ги превръщат в органични молекули (аминокиселини и протеини), които след това влизат в хранителните мрежи.
• Измиване (leaching) и отток – тъй като нитратите имат отрицателен заряд, те не се задържат добре в почвата и лесно се отмиват с водата, замърсявайки подземни и повърхностни води.

Влияние върху околната среда и здравето

Неправилно управление на азота води до редица проблеми:

• Високи нива на нитрати в питейната вода могат да причинят метхемоглобинемия (известна като "синдром на синьото бебе") при кърмачета и други здравословни проблеми.
• Еутрофикация на водни басейни – свръхналичие на азот стимулира растежа на водорасли, което след разпадане води до намален кислород и масови който рибни умират.
• Отделяне на N2O при денитрификация и други процеси – мощен парников газ и участник в разрушаването на стратосферния озон.
• Замърсяване на подпочвени води с нитрати – дългосрочен проблем за питейни водоизточници.

Как човешката дейност променя азотния цикъл

Интензивното използване на синтетични торове, изгарянето на изкопаеми горива и промишлените процеси увеличават входа на реактивни азотни форми в екосистемите. Това води до загуба на биоразнообразие, смущения в екосистемните функции и здравни рискове за хората.

Практики за по-добро управление

За намаляване на негативните ефекти се прилагат различни мерки:

• Оптимално и целево приложение на торове (точно количество, време и място).
• Използване на покривни и междинни култури, които поемат излишния нитрат и предотвратяват измиване.
• Връщане на бобови растения в сеитбообръщението (симбиотична азотфиксация).
• Буферни зони и филтриращи пояси около водни тела, за да се намали оттичането на нитрати.
• Подобряване на пречистването на отпадни води и контрол на животинските отпадъци.

Кратко резюме

Азотният цикъл е серия от природни процеси, които променят азота между газообразни, неорганични и органични форми. Той е от съществено значение за живота, но и чувствителен към човешка намеса. Разбирането и управлението на тези процеси помагат да се съхрани здравето на екосистемите и хората.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява азотният цикъл?

В: Колко от въздуха се състои от азот?

В: Каква роля играе азотът в живите организми?

В: Как елементарният азот става полезен за живота?

Въпрос: Как растенията си набавят необходимия им азот?

В: Какви процеси протичат, когато нивото на амоний е твърде високо?

Въпрос: Как денитрификацията започва цикъла отново?

Търсене по буква