Z biogeochemických cyklov je najviac študovaný dusík. Skontrolujte zhrnutie a poznajte jeho dôležitosť
Dusík je nevyhnutný chemický prvok pre existenciu života na Zemi, pretože je súčasťou všetkých aminokyselín v našom tele, okrem dusíkatých báz (ktoré tvoria molekuly DNA a RNA). Približne 78% vzduchu, ktorý dýchame, je tvorený dusíkom z atmosféry (N 2), ktorá je jeho najväčšou zásobárňou. Jedným z dôvodov je to, že N2 je inertná forma dusíka, to znamená, že ide o plyn, ktorý v bežných situáciách nie je reaktívny. Hromadí sa teda v atmosfére od vzniku planéty. Napriek tomu má len málo živých bytostí schopnosť absorbovať ho v molekulárnej forme (N 2). Ukazuje sa, že dusík, rovnako ako železo a síra, sa zúčastňuje prirodzeného cyklu, počas ktorého jeho chemická štruktúra prechádza transformáciami v každej z fáz,slúži ako základ pre ďalšie reakcie, a tým sa stáva dostupným pre ďalšie organizmy - to je veľký význam cyklu dusíka (alebo „cyklu dusíka“).
Aby sa atmosférický N 2 dostal do pôdy a dostal sa do ekosystému, musí prejsť procesom nazývaným fixácia, ktorý sa vykonáva malými skupinami nitrifikačných baktérií, ktoré odstraňujú dusík vo forme N 2 a začleňujú ho do svojich organických molekúl. Ak sa fixáciu uskutočňujú živé organizmy, napríklad baktérie, nazýva sa to biologická fixácia alebo biofixácia. V súčasnosti sa na fixáciu dusíka môžu použiť aj komerčné hnojivá, ktoré charakterizujú priemyselnú fixáciu, metódu široko používanú v poľnohospodárstve. Okrem nich existuje aj fyzická fixácia, ktorá sa vykonáva bleskom a elektrickými iskrami, prostredníctvom ktorých sa dusík oxiduje a prenáša do pôdy dažďami, ale takáto metóda má zníženú kapacitu na fixáciu dusíka,čo nestačí na to, aby sa organizmy a život na Zemi udržali.
Keď baktérie fixujú N2, uvoľňujú amoniak (NH3). Amoniak pri kontakte s molekulami pôdnej vody vytvára hydroxid amónny, ktorý po ionizácii produkuje amoniak (NH4) v procese, ktorý je súčasťou cyklu dusíka a nazýva sa amoniakácia. V prírode existuje rovnováha medzi amoniakom a amóniom, ktorá je regulovaná pH. V prostrediach, kde je pH kyslejšie, prevažuje tvorba NH4 a v zásaditejších prostrediach je najbežnejším procesom tvorba NH3. Tento amónium má tendenciu byť absorbovaný a používaný hlavne rastlinami, ktoré majú s koreňmi spojené baktérie (bakteriorrizas). Ak je tento amoniak produkovaný voľne žijúcimi baktériami, má tendenciu byť dostupný v pôde na použitie pre iné baktérie (nitrobaktérie).
Nitrobaktérie sú chemosyntetizátory, to znamená, že sú to autotrofné bytosti (ktoré si vyrábajú svoje vlastné potraviny), ktoré z chemických reakcií odstraňujú energiu potrebnú na ich prežitie. Na získanie tejto energie majú tendenciu oxidovať amoniak a transformovať ho na dusitany (NO 2 -) a neskôr na dusičnany (NO 3 -). Tento proces cyklu dusíka sa nazýva nitrifikácia.
Dusičnan zostáva v pôde voľný a nemá tendenciu hromadiť sa v prirodzene neporušenom prostredí, vďaka čomu je schopný ísť tromi rôznymi cestami: vstrebávaním rastlinami, denitrifikáciou alebo dosahovaním vodných útvarov. Denitrifikácia aj tok dusičnanov do vodných útvarov majú negatívne následky na životné prostredie.
Vplyvy na životné prostredie
Denitrifikácia (alebo denitrifikácia) je proces uskutočňovaný baktériami nazývanými denitrifikátory, ktoré transformujú dusičnan opäť na N2 a vykonávajú návrat dusíka do atmosféry. Okrem N2 môžu byť tiež produkované ďalšie plyny, ktoré sú oxid dusnatý (NO), ktorý sa spája s atmosférickým kyslíkom, ktorý podporuje tvorbu kyslých dažďov, a oxid dusný (N20), ktorý je dôležitým príčinným plynom. skleníkový efekt, ktorý zhoršuje globálne otepľovanie.
Tretia cesta, ktorou sa dusičnan dostáva k vodným útvarom, spôsobuje environmentálny problém, ktorý sa nazýva eutrofizácia. Tento proces je charakterizovaný zvýšením koncentrácie živín (hlavne zlúčenín dusíka a fosforu) vo vodách jazera alebo priehrady. Tento nadbytok živín podporuje urýchlené množenie rias, ktoré nakoniec bráni prechodu svetla a nevyváži vodné prostredie. Ďalším spôsobom, ako zabezpečiť tento prebytok živín vo vodnom prostredí, je uvoľnenie splaškov do neho bez náležitého ošetrenia.
Ďalším problémom, ktorý je potrebné vziať do úvahy, je skutočnosť, že dusík môže byť tiež škodlivý pre rastliny, ak sú prítomné v množstvách, ktoré presahujú ich asimilačné schopnosti. Prebytok dusíka viazaného v pôde môže teda obmedziť rast rastliny a poškodiť plodiny. Preto je potrebné pri kompostovacích procesoch brať do úvahy aj pomer uhlík / dusík, aby bol metabolizmus kolónií mikroorganizmov zapojených do procesu rozkladu vždy aktívny.
Absorpcia dusíka človekom
Ľudia a iné zvieratá majú prístup k dusičnanom pochádzajúcim z rastlín, ktoré absorbovali túto látku, alebo podľa potravinového reťazca z potravy iných zvierat, ktoré sa týmito rastlinami živili. Tento dusičnan sa vracia do cyklu po smrti nejakého organizmu (organická hmota) alebo vylučovaním (močovina alebo kyselina močová, u väčšiny suchozemských zvierat a amoniak, vo výkaloch rýb), ktorý obsahuje zlúčeniny dusíka. Rozkladajúce sa baktérie teda budú pôsobiť na organické látky uvoľňujúce amoniak. Amoniak sa môže tiež transformovať na dusitany a dusičnany rovnakými nitrobaktériami, ktoré transformujú amónium, pričom sa integrujú do cyklu.
Alternatíva k hnojivám
Ako sme videli, fixácia dusíka v pôde môže mať pozitívne účinky, ale proces prebieha nadmerne, môže mať negatívne následky na životné prostredie. K interferencii ľudstva v cykle dusíka dochádza priemyselnou fixáciou (použitím hnojív), ktorá zvyšuje koncentráciu dusíka, ktorý sa má fixovať, čo spôsobuje problémy, ako sú tie, ktoré sú uvedené vyššie.
Alternatívou pre použitie hnojív by bolo striedanie plodín, striedanie kultúr rastlín fixujúcich a nefixujúcich dusík. Rastliny fixujúce dusík sú rastliny, ktoré majú s koreňmi spojené baktérie a iné fixačné organizmy, ako sa to vyskytuje u strukovín (napríklad fazuľa a sója). Rotácia by uprednostňovala fixáciu dusíka v bezpečnejších množstvách ako použitie hnojív, poskytovala by živiny kompatibilné s asimilačnou schopnosťou rastlín, uprednostňovala ich vývoj a znižovala mieru živín, ktoré sa dostávajú do vodných útvarov. Podobný proces nazývaný „zelené hnojenie“ sa dá použiť aj na náhradu hnojív.
Tento proces spočíva v kultivácii rastlín viažucich dusík a ich očistení pred vyprodukovaním semien a ich ponechaní na mieste ako mulča, aby bolo možné vyrobiť neskoršie kultúry iných druhov. Ďalej vidíme obrázok, ktorý nám prináša súhrn toho, čo bolo vidieť v celom článku:
ANAMMOX
Skratka v angličtine (čo znamená anaeróbna oxidácia amoniaku) označuje inovatívny biologický proces odstraňovania amoniaku z vody a plynov.
Skladá sa z skratky, pretože amoniak by nemusel byť nitrifikovaný na dusitany a dusičnan by bol denitrifikovaný späť na formu N2. Pri postupe ANAMMOX by sa amoniak priamo konvertoval na plynný dusík (N2). Prvá rozsiahla stanica bola nainštalovaná v roku 2002 v Holandsku a v roku 2012 bolo v prevádzke už 11 zariadení.
Efektívny a udržateľný proces ANAMMOX je možné použiť na odstránenie amoniaku z odpadových vôd v koncentráciách vyšších ako 100 mg / l. V reaktoroch koexistujú nitrifikačné baktérie a ANAMMOX, kde prvé transformujú asi polovicu amoniaku na nitridy (chemické zlúčeniny, ktoré majú vo svojom zložení dusík) a baktérie ANAMMOX pôsobia transformáciou nitridov a amoniaku na plynný dusík.
Ukázalo sa, že anaeróbna oxidácia amoniaku je sľubná a možno ju nájsť už okrem iného v priemyselných procesoch, ako je čistenie odpadových vôd, tuhý organický odpad, v potravinárskom priemysle.
