Определение

Азотный цикл относится к циклу атомов азота через живые и неживые системы Земли. Азотный цикл жизненно важен для жизни на Земле. Через цикл атмосферный азот превращается в форму, которую растения могут включать в новые белки.

Азотный цикл объяснил

Первоначально азот образовывался в сердцах звезд в процессе ядерного синтеза. Когда древние звезды взорвались, они выбросили азотсодержащие газы по всей Вселенной. Когда Земля сформировалась, газообразный азот был главным компонентом в ее атмосфере.

Сегодня атмосфера Земли содержит около 78% азота, около 21% кислорода и около 1% других газов. Это идеальный баланс, потому что слишком много кислорода может быть токсичным для клеток. Кроме того, кислород легко воспламеняется. Азот, с другой стороны, инертен и безвреден в своей газообразной форме. Однако газообразный азот не доступен для растений и животных для использования в их клетках.

Здесь мы обсудим, как азот играет жизненно важную роль в химии жизни – и как он попадает из атмосферы в живые организмы и обратно.

Азотный цикл

Основные этапы азотного цикла иллюстрируются здесь:

Азот Фиксация

В процессе азотфиксация, бактерии превратить газообразный азот из атмосферы в аммиак.

Эти азотфиксирующие бактерии, часто называемые «диазотрофами», имеют фермент, называемый «нитрогеназой», который объединяет атомы азота с атомами водорода. Аммиак является азотным соединением, которое может растворяться в воде, и ферментам других организмов легче взаимодействовать с ним.

Интересно, что фермент нитрогеназа может функционировать только в отсутствие кислорода. В результате у организмов, которые его используют, возникли бескислородные отсеки, в которых они могли бы осуществлять фиксацию азота!

Распространенными примерами таких не содержащих азот компартментов являются клубеньки ризобия, обнаруженные в корнях азотфиксирующих бобовых растений. Жесткий корпус этих клубеньков удерживает кислород в карманах, где бактерии ризобия выполняют свою ценную работу по превращению газообразного азота в аммиак.

На корнях этой вигны видны не содержащие кислорода узелки ризобия, видимые в виде больших круглых комков. растение :

Во-первых, почвенные бактерии, такие как Nitrosomonas или Nitrococcus, превращают аммиак в диоксид азота. Затем другой тип почвенной бактерии, называемый Nitrobacter, добавляет третий атом кислорода для создания нитрата.

Эти бактерии не превращают аммиак для растений и животных по доброте их сердец. Скорее онихемотрофы ”Которые получают свою энергию из летучих химических веществ. Метаболизируя азот вместе с кислородом, они получают энергию для питания собственных жизненных процессов.

Процесс можно рассматривать как грубый (и гораздо менее эффективный) аналог клеточное дыхание в исполнении животных, которые извлекают энергию из углерод-водородных связей и используют кислород в качестве акцептора электронов, выделяя углекислый газ в конце процесса.

Нитраты – конечный продукт этой жизненно важной цепочки бактериальных реакций – могут быть получены искусственно и являются основным ингредиентом многих почвенных удобрений. Вы действительно можете услышать такое удобрение, которое называется «нитратное удобрение». Закачивая почву, полную нитратов, такие удобрения позволяют растениям быстро расти большими, не завися от скорости, с которой азотфиксирующие бактерии выполняют свою работу!

Интересно, что высокоэнергетические среды, такие как удары молнии и извержения вулканов, могут превращать газообразный азот непосредственно в нитраты – но этого не достаточно, чтобы сохранить современные экосистемы здоровыми сами по себе!

ассимиляция

В усвоение азота растения, наконец, потребляют нитраты, вырабатываемые почвенными бактериями, и используют их для получения нуклеотидов, аминокислоты и другие жизненно важные химические вещества для жизни.

Растения поглощают нитраты через свои корни и используют их для производства аминокислот и нуклеиновых кислот с нуля. Животные, которые питаются растениями, могут использовать эти аминокислоты и нуклеиновые кислоты в своих собственных клетках.

Аммонификация

Теперь мы перенесли азот из атмосферы в клетки растений и животных.

Поскольку в атмосфере так много азота, может показаться, что процесс может там остановиться. но запас атмосферы не бесконечен, и содержание азота в клетках растений и животных в конечном итоге приведет к большим изменениям в нашей почве, атмосфере и экосистемах!

К счастью, этого не происходит. В надежном экосистема Как и у нас, где бы эта энергия ни была направлена ​​на создание органического химического вещества, существует другая форма жизни, которая ожидает извлечения этой энергии путем разрушения этих химических связей.

Процесс под названием «аммонификация »Осуществляется почвенными бактериями, которые разлагают мертвые растения и животных. В ходе процесса эти разложители расщепляют аминокислоты и нуклеиновые кислоты на нитраты и аммиак и выпускают эти соединения обратно в почву.

Там аммиак может снова поглощаться растениями и нитрифицирующими бактериями. Альтернативно, аммиак может быть преобразован обратно в атмосферный азот посредством процесса денитрификации.

денитрификация

На последнем этапе азотного цикла анаэробные бактерии могут превращать нитраты обратно в газообразный азот.

Этот процесс, как процесс превращения газообразного азота в аммиак, должно произойти в отсутствие кислорода. Как таковое, оно часто происходит глубоко в почве или во влажной среде, где грязь и грязь удерживают кислород в страхе.

В некоторых экосистемах это денитрификация является ценным процессом предотвращения накопления азотных соединений в почве до опасного уровня.

Почему азотный цикл важен?

Азот является важным ингредиентом для жизни, как мы его знаем. Его уникальные свойства химической связи позволяют ему создавать структуры, такие как нуклеотиды ДНК и РНК, а также аминокислоты, из которых строятся белки. Без азота эти молекулы не смогли бы существовать.

Считается, что первые нуклеотиды и аминокислоты естественным образом образовались в условиях нестабильности ранней Земли, где источники энергии, такие как удары молнии, могут вызывать реакцию азота и других атомов и формировать сложные структуры.

Этот процесс мог естественным образом производить самовоспроизводящиеся органические химические вещества, но чтобы размножаться и развиваться, нужно было выяснить, как производить эти азотные соединения по требованию.

Сегодня «азотфикаторы» – это организмы, которые могут превращать газообразный азот из атмосферы в соединения азота, которые другие организмы могут использовать для производства нуклеиновых кислот, аминокислот и многого другого. Эти азотфикаторы являются настолько важной частью экосистемы, что сельское хозяйство не может существовать без них.

Древние народы узнали, что если они не будут чередовать выращивание азотосодержащих культур с азотфиксирующими культурами, их фермы станут парами и не смогут поддерживать рост. Сегодня большинство искусственных удобрений содержат живительные азотные соединения в качестве основного ингредиента, чтобы сделать почву более плодородной.

Опасность слишком большого количества азота

Хотя важность азота для жизни растений и животных может свидетельствовать о том, что такой вещи не бывает слишком много, на самом деле существуют некоторые опасности, которые могут возникнуть из-за попадания в почву слишком большого количества нитратов.

Как и все остальное, соединения азота могут быть токсичными в высоких концентрациях. Точно так же, как слишком много кислорода токсично для дыхательных аппаратов, Растения могут страдать от передозировки азота.

В людях

Нитраты также могут быть непосредственно токсичными для человека – при употреблении в больших количествах в пищу или воду, нитраты могут увеличивать риск рака и мешать кровь химияоставляя кровь неспособной правильно переносить кислород.

«Синдром голубого малыша» – это один из побочных эффектов, наблюдаемый у людей, которые потребляют большое количество нитратов в пище или воде.

В экосистемах

Еще одно острое беспокойство – это опасность нарушения баланса экосистем. Некоторые организмы могут использовать соединения азота, чтобы расти быстрее, чем другие, и это означает, что когда вокруг много азота, эти организмы могут расти так быстро, что наносят вред другим организмам.

Одна проблема, которая была поднята относительно использования искусственного нитратного удобрения, состоит в том, что, когда оно попадает в реки, озера и даже океан, оно может вызвать безудержный рост жизни растений там,

Большая жизнь растений может звучать как хорошая вещь – но не тогда, когда водные растения включают водоросли которые могут блокировать попадание солнца и кислорода в другие водные организмы и даже производить токсины, которые делают людей и других животных больными!

Нитратные удобрения в водоснабжении обвиняют в некоторых расцветах «красных приливов», «коричневых приливов» и бактерий Pfiesteria, которые вырабатывают токсины, которые могут вызывать отравление или убивать людей и других животных.

Вопрос о том, как сохранить плодородные земли без нитратных удобрений, все еще исследуется учеными. Есть надежда, что когда-нибудь устойчивые методы с использованием естественных или генно-инженерных азотфиксирующих растений могут позволить фермерам получать высокие урожаи без добавления высоких концентраций искусственных нитратов в почву.

Примеры азотного цикла

История Благодарения

История первого Дня благодарения гласит, что пилигримы пировали вместе с индейцами, чтобы отпраздновать свой первый урожай в Новом Свете. Но почему этот урожай был достаточно большим, чтобы перевернуть праздник? И почему именно так важно, чтобы индийцы и европейские поселенцы ели вместе?

Когда европейские поселенцы приехали в Америку, они очень мало представляли, как здесь выжить. Поработав на фермах в Англии в течение нескольких поколений, паломники предполагали, что сельское хозяйство здесь будет почти таким же. Оказалось, что это не так. Паломникам было трудно расти или находить достаточно еды, чтобы пережить их в течение зимы.

Одной из причин этого было то, что в почве, где приземлялись паломники, было мало азота. Их посевы не были азотфиксирующими, и они не приносили крупного скота. Это было серьезной проблемой, так как навоз был распространенным источником удобрений в старом мире. После неудовлетворенной попытки вырастить урожай на американской земле европейцам показали, как американские индейцы решают свои проблемы.

Погребая мертвую рыбу на своих полях, паломники восстанавливали азот из белков и нуклеотидов рыбы на землю. В результате их урожай процветал – и первые европейские поселенцы узнали от американских индейцев, как выжить в Новом Свете.

Три сестры

Некоторые племена коренных американцев традиционно выращивают вместе три урожая – кукурузу, бобы и тыкву.

Эта комбинация культур, которую часто называют «тремя сестрами», изобретательна по нескольким причинам. Во-первых, употребление этих трех растений в комбинации дает людям белки, содержащие все незаменимые аминокислоты.

С другой стороны, это азотфиксирующее растение – бобы.

Бобы содержат в своих корнях клубеньки ризобия, которые содержат бактерии, способные превращать атмосферный азот в форму, которую могут использовать почвенные бактерии и, в конечном счете, растения.

Так же, как хоронить рыбу на полях, выращивание бобов вместе с кукурузой и тыквой гарантирует, что почва не станет слишком истощенной, чтобы вырастить новые растения. Даже один урожай кукурузы или тыквы может расти лучше вместе с азотфиксирующими бобами, поскольку их бактерии Rhizobium питают окружающую почву!

Искусственное удобрение

Люди впервые начали удобрять свои культуры, используя природные азотсодержащие вещества, такие как мертвая рыба и навоз. Эти продукты жизнедеятельности животных содержали белки, аминокислоты и нуклеотиды, которые почвенные бактерии и растения могли использовать для роста.

Сегодня люди открыли промышленные процессы, которые могут превращать аммиак в нитраты, как и те, которые вырабатываются почвенными бактериями. Растения могут использовать эти нитраты напрямую, а человеческая промышленность может производить их в больших количествах.

К сожалению, воздействие человека на азотный цикл вносит изменения в окружающую среду, что может иметь непредвиденные последствия. Подобно тому, как искусственные нитраты способствуют росту «хороших» растений, таких как зерновые культуры, они также могут способствовать росту «плохих» растений и водорослей, которые производят токсины и вытесняют другие формы жизни.

Это может быть особенно проблематичным, когда искусственные удобрения переносятся дождевой водой с сельскохозяйственных угодий и газонов в реки и озера. Результатом может стать рост токсичных водорослей, которые могут задушить водно-болотные угодья и даже попасть в питьевую воду человека.

викторина

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *