چرخه نیتروژن

حرکت نیتروژن بین جو، بیوسفر و ژئوسفر به اشکال مختلف، چرخه نیتروژن نامیده می شود و یکی از چرخه های اصلی بیوژئوشیمیایی است.

همچنین ممکن است به عنوان حرکت نیتروژن در زنجیره غذایی از ترکیبات معدنی ساده، عمدتا آمونیاک، به ترکیبات آلی پیچیده در نظر گرفته شود.
این چرخه پیچیده شامل باکتری ها، گیاهان و حیوانات می شود.
همه موجودات زنده می توانند آمونیاک (NH3) را به ترکیبات نیتروژن آلی تبدیل کنند که ترکیباتی حاوی پیوندهای C-N هستند. با این حال، تنها چند میکروارگانیسم می توانند آمونیاک را از گاز نیتروژن (N2) سنتز کنند.
اگرچه گاز N2 حدود 80 درصد اتمسفر زمین را تشکیل می دهد، اما یک ترکیب شیمیایی غیر فعال است و بنابراین برای استفاده موجودات زنده نیاز به تغییر دارد.
در داخل بیوسفر، تعادلی بین کل اشکال معدنی و آلی نیتروژن وجود دارد.
تبدیل نیتروژن آلی به معدنی از طریق کاتابولیسم، نیتروژن زدایی و پوسیدگی انجام می شود.

مراحل چرخه نیتروژن

1. تثبیت نیتروژن / Nitrogen Fixation
2. نیتریفیکاسیون / Nitrification
3. جذب نیتروژن / Nitrogen Assimilation
4. آمونیفیکاسیون / Ammonification
5. نیترات زدایی / Denitrification

1. تثبیت نیتروژن

اولین مرحله در چرخه نیتروژن، کاهش گاز N2 به آمونیاک است، فرآیندی به نام تثبیت نیتروژن.

فرآیند تبدیل گاز N2 اتمسفر به آمونیاک تنها توسط چند میکروارگانیسم انجام می شود که دیازوتروف نامیده می شود. این میکروارگانیسم ها دارای آنزیمی به نام “نیتروژناز” هستند که اتم های نیتروژن را با اتم های هیدروژن ترکیب می کند.
آنها برخی از باکتری های خاک آزاد مانند کلبسیلا و آزوتوباکتر، سیانوباکترها (جلبک سبز-آبی) و باکتری های همزیست (عمدتاً ریزوبیوم) هستند.
مقدار N2 تثبیت شده توسط این میکروارگانیسم های دیازاتروفیک حدود 10¹¹ کیلوگرم در سال تخمین زده شده است که حدود 60 درصد از نیتروژن تازه تثبیت شده زمین است.
رعد و برق و تشعشعات فرابنفش 15 درصد دیگر را برطرف می‌کنند که باقیمانده از فرآیندهای صنعتی است.
آمونیاک را می توان با کاهش یون نیترات (NO3–) موجود در خاک نیز به دست آورد.
کاهش نیترات توسط اکثر گیاهان و میکروارگانیسم ها قابل انجام است.
سپس آمونیاک حاصل از این دو فرآیند می تواند توسط همه موجودات جذب شود.
واکنش: N2 + 3 H2 –> <– 2 NH3 این فرآیند توسط کمپلکس نیتروژناز انجام می شود که از یک ردوکتاز و یک نیتروژناز حاوی آهن-مولیبدن تشکیل شده است. حداقل 16 مولکول ATP برای تشکیل دو مولکول آمونیاک هیدرولیز می شوند. لگ هموگلوبین برای محافظت از نیتروژناز موجود در ریزوبیوم از غیر فعال شدن توسط O2 استفاده می شود. [/av_textblock] [av_textblock size='' av-medium-font-size='' av-small-font-size='' av-mini-font-size='' font_color='' color='' id='' custom_class='' av_uid='av-lb390km8' admin_preview_bg='']

2. نیتریفیکاسیون

نیتریفیکاسیون یک فرآیند دو مرحله ای است که در آن NH3/NH4+ به NO3- تبدیل می شود.
ابتدا باکتری‌های خاک نیتروزوموناس و نیتروکوک NH3 را به NO2– تبدیل می‌کنند و سپس یک باکتری دیگر خاک به نام نیتروباکتر، NO2 را به NO3– اکسید می‌کند.
این باکتری ها “شیمی تروف ها” هستند که انرژی خود را از مواد شیمیایی فرار به دست می آورند. آنها از طریق این تبدیل‌ها انرژی به دست می‌آورند که هر دوی این تبدیل‌ها به اکسیژن نیاز دارند.

                          Nitrosomonas                                    Nitrobacter
[NH4+]    ————————— >   NO2-       ————————->      NO3-
Ammonium            pH 4 – 10        nitrite                pH 6 – 9               nitrate

شرایط بهینه برای نیتریفیکاسیون:

1. هوادهی کافی
2. دمای مطلوب 25 – 35 درجه سانتی گراد
3. رطوبت کافی خاک
4. بازهای قابل تعویض کافی – به ویژه کلسیم (Ca)
5. در دسترس بودن NPK
6. به نسبت C/N پایین نیاز دارد.

3. جذب نیتروژن

مرحله بعدی در چرخه نیتروژن، جذب نیتروژن معدنی به ترکیبات آلی حاوی نیتروژن است.
این فرآیندی است که طی آن گیاهان و حیوانات NO3- و آمونیاک تشکیل شده از طریق تثبیت نیتروژن و نیتریفیکاسیون را ترکیب می کنند.
همه ارگانیسم ها آمونیاک را از طریق دو واکنش اصلی که توسط گلوتامات دهیدروژناز و گلوتامین سنتتاز کاتالیز می شوند جذب می کنند و به ترتیب اسیدهای آمینه گلوتامات (Glu) و گلوتامین (Gln) را ایجاد می کنند.
سپس آمینو نیتروژن در Glu و نیتروژن آمید در Gln در واکنش های بیوسنتزی بعدی برای ایجاد ترکیبات دیگر استفاده می شود.

گلوتامات دهیدروژناز

گلوتامات دهیدروژناز آمیناسیون احیا کننده آلفا-کتوگلوتارات میانی چرخه اسید سیتریک را کاتالیز می کند. اگرچه واکنش برگشت پذیر است، اما احیا کننده مورد استفاده در واکنش بیوسنتزی NADPH است. این آنزیم در کاتابولیسم اسیدهای آمینه نیز نقش دارد.

گلوتامین سنتتاز

گلوتامین سنتتاز ادغام آمونیاک به گلوتامین را کاتالیز می کند و انرژی را از هیدرولیز ATP بدست می آورد. این آنزیم به دلیل واکنش تشکیل پیوند زوجی با هیدرولیز ATP، به جای سنتاز، سنتتاز نامیده می شود. در مقابل، یک سنتاز به ATP نیاز ندارد.

گیاهان این اشکال نیتروژن را از طریق ریشه های خود می گیرند و آنها را در پروتئین های گیاهی و اسیدهای نوکلئیک می گنجانند. سپس حیوانات می توانند از نیتروژن بافت های گیاهی استفاده کنند.

4. آمونیفیکاسیون

جذب نیتروژن مقادیر زیادی نیتروژن آلی از جمله پروتئین ها، اسیدهای آمینه و اسیدهای نوکلئیک تولید می کند.
آمونیفیکیشن تبدیل نیتروژن آلی به آمونیاک است.
در اینجا نیتروژن آلی گیاهان مرده و موجودات خاک با کانی سازی به آمونیوم (NH4+) تبدیل می شود. کانی سازی تجزیه مواد آلی به NH4+ است که یک یون مغذی قابل استفاده است.
بسیاری از ارگانیسم های مختلف خاک در فرآیند آمونیاکاسیون از جمله باکتری ها و قارچ ها درگیر هستند. این موجودات خاک با استفاده از کربن و انرژی تولید شده، مواد آلی را تجزیه می کنند، اما نیتروژن آزاد می شود.
آمونیاک نیز با فرآیند دفع در محیط آزاد می شود و سپس برای نیتریفیکاسیون یا جذب در دسترس است.

5. نیترات زدایی در چرخه نیتروژن

نیترات زدایی به تغییر (از طریق باکتری های نیترات زدایی) نیترات به شکل های گازی نیتروژن مانند گاز نیتروژن (N2) یا اکسید نیتروژن (N2O) اشاره دارد.
این فرآیند سریع است و مقادیر زیادی N2 از سیستم خاک از بین می رود و در اتمسفر قرار می گیرد.
این فرآیند فقط در جایی اتفاق می‌افتد که اکسیژن کمی وجود داشته باشد، مثلاً در عمق خاک نزدیک سطح آب.
از این رو، مناطقی مانند تالاب ها مکان ارزشمندی را برای کاهش سطح نیتروژن اضافی از طریق فرآیندهای نیتروژن زدایی فراهم می کنند.

شرایط مطلوب نیترات زدایی:

1. عدم وجود اکسیژن کافی.
2. به منبع انرژی مواد آلی قابل اکسیداسیون برای باکتری ها نیاز دارد.
3. خاک های گرم و کمی اسیدی.

اهمیت چرخه نیتروژن

چرخه نیتروژن رابطه بین اشکال مختلف نیتروژن در خاک، آب، هوا و موجودات زنده را نشان می دهد. این یک چرخه در نظر گرفته می شود زیرا نیتروژن به اشکال مختلف از مکانی به مکان دیگر حرکت می کند اما همیشه وجود دارد. به دلایل زیر مهم است:

1. نه گیاهان و نه حیوانات نمی توانند نیتروژن را مستقیماً از جو بدست آورند و بنابراین به فرآیند تثبیت نیتروژن وابسته هستند.
2. نیتروژن (N) جزء ضروری DNA، RNA و پروتئین ها، بلوک های ساختمانی زندگی است. همه موجودات برای زندگی و رشد به نیتروژن نیاز دارند.
3. نیتروژن بخش کلیدی اسیدهای آمینه و نوکلئیک و همچنین بخش مهمی از ATP است که مولکول انرژی اولیه موجودات زنده است.

اصطلاحات کلیدی

تثبیت نیتروژن: فرآیند گاز نیتروژن توسط رعد و برق یا باکتری به آمونیاک تبدیل می شود.
نیتریفیکاسیون: فرآیند تبدیل آمونیاک به نیترات و نیتریت.
آمونیاکاسیون: فرآیند تجزیه موجودات مرده به آمونیاک.
نیترات زدایی: فرآیند تبدیل نیترات ها و نیتریت ها به گاز نیتروژن یا نیتروژن گازی.

“کیمیا زیست گستر نوین” در راستای ارتقاء تولیدات و سطح علمی کشور مبادرت به واردات و توزیع مواد شیمیایی و مصرفی آزمایشگاهی کرده است. هدف مجموعه ما تأمين مواد و تجهيزات مورد نياز در بخش هاى مختلف آزمايشگاهى، تحقيقاتى، بيمارستانى، صنعتى و … مي باشد.

مطالب مفید: