Z biogeochemických cyklů je nejvíce studován dusík. Zkontrolujte shrnutí a znáte jeho důležitost
Dusík je nezbytný chemický prvek pro existenci života na Zemi, protože kromě dusíkatých bází (které tvoří molekuly DNA a RNA) je součástí všech aminokyselin v našem těle. Přibližně 78% vzduchu, který dýcháme, se skládá z dusíku z atmosféry (N 2), která je jeho největším rezervoárem. Jedním z důvodů je to, že N2 je inertní forma dusíku, to znamená, že jde o plyn, který v běžných situacích není reaktivní. Hromadí se tedy v atmosféře od vzniku planety. Navzdory tomu má jen málo živých bytostí schopnost absorbovat jej v molekulární formě (N 2). Ukazuje se, že dusík, stejně jako železo a síra, se účastní přirozeného cyklu, během kterého jeho chemická struktura prochází transformacemi v každém z těchto stupňů,slouží jako základ pro další reakce a tím se stává dostupným pro jiné organismy - to je velký význam cyklu dusíku (neboli „cyklu dusíku“).
Aby se atmosférický N 2 dostal do půdy a vstupoval do ekosystému, musí projít procesem nazývaným fixace, který se provádí malými skupinami nitrifikačních bakterií, které odstraňují dusík ve formě N 2 a začleňují ho do svých organických molekul. Když je fixace prováděna živými organismy, jako jsou bakterie, nazývá se to biologická fixace nebo biofixace. V současné době lze komerční hnojiva použít také pro fixaci dusíku, což charakterizuje průmyslovou fixaci, což je metoda široce používaná v zemědělství. Kromě nich existuje také fyzická fixace, která se provádí bleskem a elektrickými jiskrami, kterými se dusík oxiduje a přenáší do půdy deštěm, ale tato metoda má sníženou kapacitu pro fixaci dusíku,což nestačí k udržení organismů a života na Zemi.
Když bakterie fixují N 2, uvolňují amoniak (NH 3). Amoniak při kontaktu s molekulami vody v půdě vytváří hydroxid amonný, který při ionizaci produkuje amonium (NH4) v procesu, který je součástí cyklu dusíku a nazývá se amonifikace. V přírodě existuje rovnováha mezi amoniakem a amoniakem, která je regulována pH. V prostředích, kde je pH kyselější, převládá tvorba NH4 a ve více bazických prostředích je nejběžnějším procesem tvorba NH3. Tento amonium má tendenci být absorbován a používán hlavně rostlinami, které mají bakterie spojené s kořeny (bakteriorrizas). Pokud je tento amonium produkován volně žijícími bakteriemi, má tendenci být v půdě k dispozici pro použití jinými bakteriemi (nitrobakteriemi).
Nitrobakterie jsou chemosyntetizátory, to znamená, že jsou autotrofní bytosti (které si vyrábějí vlastní jídlo), které z chemických reakcí odebírají energii potřebnou k jejich přežití. K získání této energie mají tendenci oxidovat amonium a přeměňovat je na dusitany (NO 2 -) a později na dusičnany (NO 3 -). Tento proces cyklu dusíku se nazývá nitrifikace.
Dusičnan zůstává v půdě volný a nemá tendenci se hromadit v přirozeně neporušeném prostředí, takže je schopen jít třemi různými cestami: být absorbován rostlinami, denitrifikován nebo dosáhnout vodních ploch. Jak denitrifikace, tak tok dusičnanů do vodních útvarů mají negativní dopady na životní prostředí.
Dopady na životní prostředí
Denitrifikace (nebo denitrifikace) je proces prováděný bakteriemi zvanými denitrifikátory, které opět přeměňují dusičnan na N2 a provádějí návrat dusíku do atmosféry. Kromě N 2 mohou být produkovány také další plyny - oxid dusnatý (NO), který se kombinuje s atmosférickým kyslíkem, což podporuje tvorbu kyselých dešťů, a oxid dusný (N 2 O), který je důležitým původcem skleníkový efekt, který zhoršuje globální oteplování.
Třetí cesta, kde se dusičnany dostávají do vodních útvarů, způsobuje ekologický problém zvaný eutrofizace. Tento proces je charakterizován zvýšením koncentrace živin (zejména sloučenin dusíku a fosforu) ve vodách jezera nebo přehrady. Tento přebytek živin upřednostňuje zrychlené množení řas, které nakonec brání průchodu světla a vyvažuje vodní prostředí. Dalším způsobem, jak zajistit tento přebytek živin ve vodním prostředí, je uvolnění splašků do něj bez řádného ošetření.
Další otázkou, kterou je třeba vzít v úvahu, je skutečnost, že dusík může být také škodlivý pro rostliny, pokud je přítomen v množství, které přesahuje jejich asimilační schopnosti. Přebytek dusíku fixovaný v půdě tak může omezit růst rostliny a poškodit plodiny. Poměr uhlík / dusík je tedy třeba brát v úvahu i v procesech kompostování, aby metabolismus kolonií mikroorganismů zapojených do procesu rozkladu byl vždy aktivní.
Absorpce dusíku člověkem
Lidé a jiná zvířata mají přístup k dusičnanům z konzumace rostlin, které tuto látku absorbovaly, nebo podle potravinového řetězce z konzumace jiných zvířat, která se těmito rostlinami živila. Tento dusičnan se vrací do cyklu po smrti nějakého organismu (organické hmoty) nebo vylučováním (močovina nebo kyselina močová, u většiny suchozemských zvířat a čpavek, ve výkalech ryb), který obsahuje sloučeniny dusíku. Rozkládající se bakterie tedy budou působit na organickou hmotu uvolňující amoniak. Amoniak lze také přeměnit na dusitany a dusičnany stejnými nitrobakteriemi, které transformují amonium a integrují se do cyklu.
Alternativa k hnojivům
Jak jsme viděli, fixace dusíku v půdě může mít pozitivní účinky, ale proces probíhá nadměrně, může mít negativní důsledky pro životní prostředí. K interferenci lidstva v cyklu dusíku dochází průmyslovou fixací (používáním hnojiv), což zvyšuje koncentraci dusíku, který má být fixován, což způsobuje problémy, jako jsou ty, které jsou uvedeny výše.
Alternativou pro používání hnojiv by bylo střídání plodin, střídání kultur dusíkatých a nefixujících rostlin. Rostliny fixující dusík jsou ty, které mají bakterie a jiné fixující organismy spojené s jejich kořeny, jak se vyskytuje u luštěnin (jako jsou fazole a sója). Rotace by upřednostňovala fixaci dusíku v bezpečnějších množstvích než použití hnojiv, poskytovala by živiny kompatibilní s asimilační schopností rostlin, podporovala by jejich vývoj a snižovala rychlost živin, které se dostanou do vodních útvarů. Podobný proces nazývaný „zelené hnojení“ lze použít také k nahrazení hnojiv.
Tento proces spočívá v pěstování rostlin vázajících dusík a jejich kartáčování před tím, než produkují semena, a ponechá je na místě jako mulčování, aby bylo možné vytvořit pozdější kultury jiných druhů. Níže vidíme obrázek, který nám přináší souhrn toho, co bylo vidět v celém článku:
ANAMMOX
Zkratka v angličtině (což znamená anaerobní oxidaci amoniaku) označuje inovativní biologický proces odstraňování amoniaku z vody a plynů.
Skládá se ze zkratky, protože amoniak by nemusel být nitrifikován na dusitany a dusičnany by měly být denitrifikovány zpět na formu N 2. Při procesu ANAMMOX by se amoniak přímo přeměňoval na plynný dusík (N2). První rozsáhlá stanice byla instalována v roce 2002 v Nizozemsku a v roce 2012 bylo v provozu již 11 zařízení.
Efektivní a udržitelný proces ANAMMOX lze použít k odstranění amoniaku z odpadních vod v koncentracích vyšších než 100 mg / l. V reaktorech koexistují nitrifikační bakterie a ANAMMOX, kde první transformují asi polovinu amoniaku na nitridy (chemické sloučeniny, které mají ve svém složení dusík) a bakterie ANAMMOX působí transformací nitridů a amoniaku na plynný dusík.
Ukázalo se, že anaerobní oxidace amoniaku je slibná a lze ji najít mimo jiné v průmyslových procesech, jako je čištění odpadních vod, pevný organický odpad, potravinářský průmysl, hnojiva.
