De cyclus van stikstof het is het proces van stikstofbeweging tussen de atmosfeer en de biosfeer. Het is een van de meest relevante biogeochemische cycli. Stikstof (N) is een zeer belangrijk element, aangezien het door alle organismen nodig is voor hun groei. Het maakt deel uit van de chemische samenstelling van nucleïnezuren (DNA en RNA) en eiwitten.
De grootste hoeveelheid stikstof ter wereld wordt in de atmosfeer aangetroffen. Atmosferische stikstof (N.twee) kan niet direct worden gebruikt door de meeste levende wezens. Er zijn bacteriën die het kunnen fixeren en in bodem of water kunnen opnemen op manieren die door andere organismen kunnen worden gebruikt..
Vervolgens wordt stikstof opgenomen door autotrofe organismen. De meeste heterotrofe organismen krijgen het via voedsel. Vervolgens laten ze de excessen los in de vorm van urine (zoogdieren) of uitwerpselen (vogels).
In een andere fase van het proces zijn er bacteriën die deelnemen aan de omzetting van ammoniak in nitrieten en nitraten die in de bodem worden opgenomen. En aan het einde van de cyclus gebruikt een andere groep micro-organismen de zuurstof die beschikbaar is in stikstofverbindingen bij de ademhaling. Bij dit proces geven ze stikstof weer af aan de atmosfeer.
Momenteel wordt de grootste hoeveelheid stikstof die in de landbouw wordt gebruikt, geproduceerd door mensen. Dit heeft geresulteerd in een overmaat van dit element in bodems en waterbronnen, waardoor een onbalans in deze biogeochemische cyclus is ontstaan..
Artikel index
Stikstof wordt verondersteld te zijn ontstaan door nucleosynthese (vorming van nieuwe atoomkernen). Sterren met grote hoeveelheden helium bereikten de druk en temperatuur die nodig zijn om stikstof te vormen.
Toen de aarde ontstond, bevond stikstof zich in een vaste toestand. Later, met vulkanische activiteit, werd dit element een gasvormige toestand en werd het opgenomen in de atmosfeer van de planeet..
Stikstof was in de vorm van Ntwee. Waarschijnlijk de chemische vormen die door levende wezens worden gebruikt (ammoniak NH3) verschenen door stikstofcycli tussen de zee en vulkanen. Op deze manier wordt de NH3 het zou zijn opgenomen in de atmosfeer en samen met andere elementen hebben geleid tot organische moleculen.
Stikstof komt voor in verschillende chemische vormen, verwijzend naar verschillende oxidatietoestanden (verlies van elektronen) van dit element. Deze verschillende vormen verschillen zowel in hun kenmerken als in hun gedrag. Stikstofgas (N.twee) is niet roestig.
Geoxideerde vormen worden ingedeeld in organisch en anorganisch. De organische vormen komen voornamelijk voor in aminozuren en eiwitten. De anorganische toestanden zijn ammoniak (NH3), het ammoniumion (NH4), nitrieten (NOtwee) en nitraten (NO3), onder andere.
Stikstof werd in 1770 door drie wetenschappers onafhankelijk van elkaar ontdekt (Scheele, Rutherford en Lavosier). In 1790 noemde de Franse Chaptal het gas stikstof.
In de tweede helft van de 19e eeuw bleek het een essentieel onderdeel te zijn van de weefsels van levende organismen en in de groei van planten. Evenzo werd het bestaan van een constante stroom tussen organische en anorganische vormen bewezen..
Stikstofbronnen werden aanvankelijk beschouwd als blikseminslag en atmosferische depositie. In 1838 bepaalde Boussingault de biologische fixatie van dit element in peulvruchten. Toen, in 1888, werd ontdekt dat de micro-organismen die geassocieerd zijn met de wortels van peulvruchten verantwoordelijk waren voor de fixatie van Ntwee.
Een andere belangrijke ontdekking was het bestaan van bacteriën die ammoniak konden oxideren tot nitrieten. Evenals andere groepen die nitrieten in nitraten hebben omgezet.
Al in 1885 stelde Gayon vast dat een andere groep micro-organismen het vermogen had om nitraten om te zetten in Ntwee. Op zo'n manier dat de stikstofcyclus op de planeet kon worden begrepen.
Alle levende wezens hebben stikstof nodig voor hun vitale processen, maar ze gebruiken het niet allemaal op dezelfde manier. Sommige bacteriën kunnen rechtstreeks stikstof uit de lucht gebruiken. Anderen gebruiken stikstofverbindingen als zuurstofbron.
Autotrofe organismen hebben een voorraad nodig in de vorm van nitraten. Aan de andere kant kunnen veel heterotrofen het alleen gebruiken in de vorm van aminogroepen die ze uit hun voedsel halen.
De grootste natuurlijke bron van stikstof is de atmosfeer, waar 78% van dit element gasvormig is (N.twee), met enkele sporen van lachgas en stikstofmonoxide.
Sedimentaire gesteenten bevatten ongeveer 21% die zeer langzaam worden vrijgegeven. De overige 1% zit in organische stof en de oceanen in de vorm van organische stikstof, nitraten en ammoniak.
Er zijn drie soorten micro-organismen die deelnemen aan de stikstofcyclus. Dit zijn fixeermiddelen, nitrificeerders en denitrificeerders.
Ze coderen voor een complex van stikstofase-enzymen die betrokken zijn bij het fixatieproces. De meeste van deze micro-organismen koloniseren de rhizosfeer van planten en ontwikkelen zich in hun weefsels..
Het meest voorkomende geslacht van fixerende bacteriën is Rhizobium, die wordt geassocieerd met peulvruchtenwortels. Er zijn andere genres zoals Frankia, Nostoc Y Rozijn die symbiose maken met wortels van andere plantengroepen.
Cyanobacteriën in vrije vorm kunnen stikstof uit de lucht in aquatische omgevingen binden
Er zijn drie soorten micro-organismen die betrokken zijn bij het nitrificatieproces. Deze bacteriën zijn in staat de in de bodem aanwezige ammoniak of ammoniumionen te oxideren. Het zijn chemolyttrofische organismen (in staat anorganische materialen te oxideren als energiebron).
Bacteriën van verschillende geslachten grijpen achtereenvolgens in het proces in. Nitrosoma en Nitrocystis ze oxideren NH3 en NH4 tot nitrieten. Later Nitrobacter Y Nitrosococcus oxideer deze verbinding tot nitraten.
In 2015 werd een andere groep bacteriën ontdekt die in dit proces tussenkomen. Ze zijn in staat ammoniak direct te oxideren tot nitraten en bevinden zich in het geslacht Nitrospira. Sommige schimmels zijn ook in staat ammoniak te nitrificeren.
Er is gesuggereerd dat meer dan 50 verschillende soorten bacteriën nitraten kunnen reduceren tot Ntwee. Dit gebeurt onder anaerobe omstandigheden (zuurstofgebrek).
De meest voorkomende denitrificerende geslachten zijn Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus Y Thiosphaera. De meeste van deze groepen zijn heterotrofen.
In 2006 is een bacterie (Methylomirabilis oxyfera) die aëroob is. Het is methanotroof (het haalt koolstof en energie uit methaan) en is in staat zuurstof uit het denitrificatieproces te halen..
De stikstofcyclus doorloopt verschillende stadia van zijn mobilisatie over de hele planeet. Deze fasen zijn:
Het is de omzetting van atmosferische stikstof in vormen die als reactief worden beschouwd (die door levende wezens kunnen worden gebruikt). Het verbreken van de drie bindingen die het N-molecuul bevattwee vereist veel energie en kan op twee manieren voorkomen: abiotisch of biotisch.
Nitraten worden verkregen door fixatie met hoge energie in de atmosfeer. Het is van de elektrische energie van bliksem en kosmische straling.
Dantwee combineert met zuurstof om geoxideerde vormen van stikstof te vormen, zoals NO (stikstofdioxide) en NOtwee (lachgas). Vervolgens worden deze verbindingen door regen als salpeterzuur (HNO3.
Bij hoogenergetische fixatie wordt ongeveer 10% van de nitraten in de stikstofcyclus gebruikt.
Het wordt uitgevoerd door micro-organismen in de bodem. Deze bacteriën worden over het algemeen geassocieerd met de wortels van planten. De jaarlijkse biotische stikstofbinding wordt geschat op ongeveer 200 miljoen ton per jaar.
Atmosferische stikstof wordt omgezet in ammoniak. In een eerste fase van de reactie, de Ntwee wordt teruggebracht tot NH3 (ammoniak). In deze vorm wordt het opgenomen in aminozuren.
Bij dit proces is een enzymatisch complex betrokken met verschillende oxidatie-reductiecentra. Dit stikstofase-complex bestaat uit een reductase (levert elektronen) en een stikstofase. De laatste gebruikt elektronen om N te verminderentwee naar NH3. Daarbij wordt een grote hoeveelheid ATP verbruikt.
Het stikstofase-complex wordt onomkeerbaar geremd in aanwezigheid van hoge concentraties Otwee. In radicale knobbeltjes is een eiwit (leghemoglobine) aanwezig dat het O-gehalte erg laag houdt.twee. Dit eiwit wordt geproduceerd door de interactie tussen de wortels en de bacteriën.
Planten die geen symbiotische associatie hebben met N-fixerende bacteriëntwee, ze halen stikstof uit de bodem. De opname van dit element vindt plaats in de vorm van nitraten via de wortels.
Zodra nitraten de plant binnenkomen, wordt een deel ervan door de wortelcellen gebruikt. Een ander deel wordt door het xyleem over de hele plant verdeeld.
Wanneer het moet worden gebruikt, wordt nitraat in het cytoplasma gereduceerd tot nitriet. Dit proces wordt gekatalyseerd door het enzym nitraatreductase. Nitrieten worden getransporteerd naar chloroplasten en andere plastiden, waar ze worden gereduceerd tot het ammoniumion (NH4.
Ammoniumionen in grote hoeveelheden zijn giftig voor de plant. Het wordt dus snel opgenomen in carbonaatskeletten om aminozuren en andere moleculen te vormen..
In het geval van consumenten wordt stikstof verkregen door rechtstreeks te voeren van planten of andere dieren.
In dit proces worden de stikstofverbindingen die in de bodem aanwezig zijn, afgebroken tot eenvoudigere chemische vormen. Stikstof zit in dood organisch materiaal en afval zoals ureum (urine van zoogdieren) of urinezuur (uitwerpselen van vogels).
De stikstof in deze stoffen heeft de vorm van complexe organische verbindingen. Micro-organismen gebruiken de aminozuren in deze stoffen om hun eiwitten te produceren. Bij dit proces geven ze overtollige stikstof af in de vorm van ammoniak of ammoniumionen..
Deze verbindingen zijn beschikbaar in de bodem zodat andere micro-organismen kunnen werken in de volgende fasen van de cyclus.
Tijdens deze fase oxideren bodembacteriën ammoniak en ammoniumionen. Daarbij komt energie vrij die door de bacteriën wordt gebruikt bij hun stofwisseling..
In het eerste deel de nitrosificerende bacteriën van het geslacht Nitrosomen ze oxideren ammoniak en ammoniumionen tot nitriet. Het enzym ammoniak mooxygenase wordt aangetroffen in het membraan van deze micro-organismen. Het oxideert de NH3 tot hydroxylamine, dat vervolgens wordt geoxideerd tot nitriet in het periplasma van de bacteriën.
Vervolgens oxideren de nitrerende bacteriën de nitrieten tot nitraten met behulp van het enzym nitrietoxidoreductase. Nitraten blijven beschikbaar in de bodem, waar ze door planten kunnen worden opgenomen.
In dit stadium worden geoxideerde vormen van stikstof (nitrieten en nitraten) weer omgezet in Ntwee en in mindere mate lachgas.
Het proces wordt uitgevoerd door anaërobe bacteriën, die stikstofverbindingen gebruiken als elektronenacceptoren tijdens de ademhaling. De mate van denitrificatie is afhankelijk van verschillende factoren, zoals beschikbaar nitraat en bodemverzadiging en temperatuur..
Wanneer de grond verzadigd is met water, is de Otwee het is niet meer direct beschikbaar en de bacteriën gebruiken NO3 als een elektronenacceptor. Bij zeer lage temperaturen kunnen micro-organismen het proces niet uitvoeren.
Deze fase is de enige manier waarop stikstof uit een ecosysteem wordt verwijderd. Op deze manier kan de Ntwee dat was opgelost keert terug naar de atmosfeer en het evenwicht van dit element wordt gehandhaafd.
Deze cyclus heeft een grote biologische relevantie. Zoals we eerder hebben uitgelegd, is stikstof een belangrijk onderdeel van levende organismen. Door dit proces wordt het biologisch bruikbaar.
Bij de ontwikkeling van gewassen is de beschikbaarheid van stikstof een van de belangrijkste beperkingen van de productiviteit. Sinds het begin van de landbouw is de bodem verrijkt met dit element.
Het telen van peulvruchten om de bodemkwaliteit te verbeteren is een gangbare praktijk. Evenzo bevordert het zaaien van rijst in overstroomde gronden de omgevingscondities die nodig zijn voor het gebruik van stikstof..
In de 19e eeuw werd guano (vogelpoep) veel gebruikt als externe bron van stikstof in gewassen. Tegen het einde van deze eeuw was het echter onvoldoende om de voedselproductie te verhogen.
De Duitse chemicus Fritz Haber ontwikkelde eind 19e eeuw een proces dat later door Carlo Bosch werd gecommercialiseerd. Dit bestaat uit het reageren van Ntwee en waterstofgas om ammoniak te vormen. Het staat bekend als het Haber-Bosch-proces.
Deze vorm van kunstmatige productie van ammoniak is een van de belangrijkste bronnen van stikstof die door levende wezens kunnen worden gebruikt. Aangenomen wordt dat 40% van de wereldbevolking voor hun voedsel afhankelijk is van deze meststoffen.
De huidige antropische productie van ammoniak is ongeveer 85 ton per jaar. Dit heeft negatieve gevolgen voor de stikstofkringloop..
Door het hoge gebruik van kunstmest is er sprake van vervuiling van bodems en watervoerende lagen. Aangenomen wordt dat meer dan 50% van deze verontreiniging het gevolg is van de Haber-Bosch-synthese.
Stikstofoverschotten leiden tot eutrificatie (nutriëntenverrijking) van waterlichamen. Antropische euutrificatie is erg snel en veroorzaakt een versnelde groei van voornamelijk algen.
Ze verbruiken veel zuurstof en kunnen gifstoffen verzamelen. Door het gebrek aan zuurstof sterven de andere organismen die in het ecosysteem aanwezig zijn.
Bovendien komt bij het gebruik van fossiele brandstoffen een grote hoeveelheid lachgas vrij in de atmosfeer. Dit reageert met ozon en vormt salpeterzuur, een van de componenten van zure regen..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.