دورة النيتروجين: الخصائص والخزانات والمراحل - بيئة - 2026

في دورة النيتروجين هي عملية حركة النيتروجين بين الغلاف الجوي والغلاف الحيوي. إنها واحدة من أكثر الدورات البيوجيوكيميائية ذات الصلة. النيتروجين (N) عنصر ذو أهمية كبيرة ، لأنه مطلوب من قبل جميع الكائنات الحية لنموها. إنه جزء من التركيب الكيميائي للأحماض النووية (DNA و RNA) والبروتينات.

توجد أكبر كمية من النيتروجين على الكوكب في الغلاف الجوي. لا يمكن استخدام نيتروجين الغلاف الجوي (N ₂) مباشرة بواسطة معظم الكائنات الحية. هناك بكتيريا قادرة على تثبيتها ودمجها في التربة أو الماء بطرق يمكن أن تستخدمها الكائنات الحية الأخرى.

المسطح المائي المغذى بالتخصيب بالنيتروجين والفوسفور ، في ليل (شمال فرنسا). المؤلف: F. lamiot (عمل خاص) ، من ويكيميديا ​​كومنز

بعد ذلك ، يتم استيعاب النيتروجين بواسطة الكائنات ذاتية التغذية. معظم الكائنات غيرية التغذية تكتسبها من خلال الطعام. ثم يطلقون الفائض على شكل بول (ثدييات) أو فضلات (طيور).

في مرحلة أخرى من العملية ، هناك بكتيريا تشارك في تحويل الأمونيا إلى نتريت ونترات يتم دمجها في التربة. وفي نهاية الدورة ، تستخدم مجموعة أخرى من الكائنات الحية الدقيقة الأكسجين المتاح في المركبات النيتروجينية في التنفس. في هذه العملية يطلقون النيتروجين مرة أخرى في الغلاف الجوي.

حاليًا ، ينتج الإنسان أكبر كمية من النيتروجين المستخدم في الزراعة. وقد أدى ذلك إلى زيادة هذا العنصر في التربة ومصادر المياه ، مما تسبب في اختلال التوازن في هذه الدورة البيوجيوكيميائية.

الخصائص العامة

الأصل

يعتبر النيتروجين قد نشأ عن طريق التخليق النووي (إنشاء نوى ذرية جديدة). وصلت النجوم ذات الكتل الكبيرة من الهيليوم إلى الضغط ودرجة الحرارة اللازمين لتكوين النيتروجين.

عندما نشأت الأرض ، كان النيتروجين في حالة صلبة. في وقت لاحق ، مع النشاط البركاني ، أصبح هذا العنصر حالة غازية وتم دمجه في الغلاف الجوي للكوكب.

كان النيتروجين على شكل N ₂. ربما ظهرت الأشكال الكيميائية المستخدمة من قبل الكائنات الحية (الأمونيا NH ₃) من خلال دورات النيتروجين بين البحر والبراكين. وبهذه الطريقة ، يكون NH ₃ قد تم دمجه في الغلاف الجوي ومع عناصر أخرى يؤدي إلى ظهور جزيئات عضوية.

أشكال كيميائية

يحدث النيتروجين في أشكال كيميائية مختلفة ، في إشارة إلى حالات الأكسدة المختلفة (فقدان الإلكترونات) لهذا العنصر. تختلف هذه الأشكال المختلفة في خصائصها وسلوكها. لا يتأكسد غاز النيتروجين (N ₂).

تصنف الأشكال المؤكسدة إلى عضوية وغير عضوية. تحدث الأشكال العضوية بشكل رئيسي في الأحماض الأمينية والبروتينات. الحالات غير العضوية هي الأمونيا (NH ₃) ، أيون الأمونيوم (NH ₄) ، النتريت (NO ₂) والنترات (NO ₃) ، من بين أمور أخرى.

التاريخ

تم اكتشاف النيتروجين في عام 1770 من قبل ثلاثة علماء بشكل مستقل (شيل ، رذرفورد ، ولافوسير). في عام 1790 أطلق الفرنسيون شابتال على الغاز اسم نيتروجين.

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، وجد أنه عنصر أساسي في أنسجة الكائنات الحية وفي نمو النباتات. وبالمثل ، تم إثبات وجود تدفق مستمر بين الأشكال العضوية وغير العضوية.

كانت مصادر النيتروجين في الأصل تعتبر البرق والترسب الجوي. في عام 1838 ، حدد Boussingault التثبيت البيولوجي لهذا العنصر في البقوليات. ثم ، في عام 1888 ، تم اكتشاف أن الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بجذور البقوليات كانت مسؤولة عن تثبيت N ₂.

اكتشاف مهم آخر هو وجود البكتيريا القادرة على أكسدة الأمونيا إلى النتريت. وكذلك المجموعات الأخرى التي حولت النتريت إلى نترات.

في وقت مبكر من عام 1885 ، قرر جايون أن مجموعة أخرى من الكائنات الحية الدقيقة لديها القدرة على تحويل النترات إلى N ₂. بهذه الطريقة ، يمكن فهم دورة النيتروجين على الكوكب.

متطلبات الوكالة

تتطلب جميع الكائنات الحية النيتروجين لعملياتها الحيوية ، ولكن لا تستخدمها جميعها بنفس الطريقة. بعض البكتيريا قادرة على استخدام النيتروجين الجوي مباشرة. يستخدم البعض الآخر مركبات النيتروجين كمصدر للأكسجين.

تتطلب الكائنات ذاتية التغذية إمدادًا في شكل نترات. من جانبهم ، لا يمكن للعديد من الكائنات غيرية التغذية استخدامها إلا في شكل مجموعات أمينية يحصلون عليها من طعامهم.

مكونات

-محميات

أعظم مصدر طبيعي للنيتروجين هو الغلاف الجوي ، حيث يوجد 78٪ من هذا العنصر في صورة غازية (N ₂) ، مع بعض آثار أكسيد النيتروز وأول أكسيد النيتروجين.

تحتوي الصخور الرسوبية على حوالي 21٪ يتم إطلاقها ببطء شديد. النسبة المتبقية 1٪ موجودة في المواد العضوية والمحيطات في شكل نيتروجين عضوي ونترات وأمونيا.

- مشاركة الكائنات الحية الدقيقة

هناك ثلاثة أنواع من الكائنات الحية الدقيقة التي تشارك في دورة النيتروجين. هذه هي مثبتات ، نترات ، ومزيلات.

البكتيريا N- تحديد

يقومون بتشفير مركب من إنزيمات النيتروجين التي تشارك في عملية التثبيت. معظم هذه الكائنات الدقيقة تستعمر جذور النباتات وتتطور داخل أنسجتها.

النوع الأكثر شيوعًا لتثبيت البكتيريا هو Rhizobium ، والذي يرتبط بجذور البقوليات. هناك أجناس أخرى مثل Frankia و Nostoc و Pasasponia تكافلية مع جذور مجموعات أخرى من النباتات.

يمكن للبكتيريا الزرقاء في شكل حر إصلاح النيتروجين الجوي في البيئات المائية

البكتيريا الآزوتية

هناك ثلاثة أنواع من الكائنات الحية الدقيقة تشارك في عملية النترجة. هذه البكتيريا قادرة على أكسدة الأمونيا أو أيون الأمونيوم الموجود في التربة. وهي كائنات حية كيميائية (قادرة على أكسدة المواد غير العضوية كمصدر للطاقة).

تتدخل البكتيريا من مختلف الأجناس في العملية بالتتابع. يؤكسد Nitrosoma و Nitrocystis NH3 و NH4 إلى نيتريت. ثم يؤكسد Nitrobacter و Nitrosococcus هذا المركب إلى النترات.

في عام 2015 تم اكتشاف مجموعة أخرى من البكتيريا التي تتدخل في هذه العملية. فهي قادرة على أكسدة الأمونيا مباشرة إلى النترات وتقع في جنس Nitrospira. بعض الفطريات قادرة أيضًا على نترت الأمونيا.

نزع النتروجين البكتيريا

لقد تم اقتراح أن أكثر من 50 جنسًا مختلفًا من البكتيريا يمكنها تقليل النترات إلى N ₂. يحدث هذا في ظل الظروف اللاهوائية (نقص الأكسجين).

الأجناس الأكثر شيوعًا لإزالة النتروجين هي Alcaligenes و Paracoccus و Pseudomonas و Rhizobium و Thiobacillus و Thiosphaera. معظم هذه المجموعات غيرية التغذية.

في عام 2006 تم اكتشاف بكتيريا (ميثيلوميرابليس أوكسيفيرا) الهوائية. إنه ميثانوتروف (يحصل على الكربون والطاقة من الميثان) وقادر على الحصول على الأكسجين من عملية نزع النتروجين.

مراحل

تمر دورة النيتروجين بمراحل مختلفة في تعبئتها عبر الكوكب. هذه المراحل هي:

تثبيت

إنه تحويل النيتروجين الموجود في الغلاف الجوي إلى أشكال تعتبر تفاعلية (يمكن للكائنات الحية استخدامها). يتطلب تكسير الروابط الثلاثة الموجودة في جزيء N ₂ كمية كبيرة من الطاقة ويمكن أن يحدث بطريقتين: غير حيوي أو حيوي.

دورة النيتروجين. تمت إعادة صنعه بواسطة YanLebrel من صورة من وكالة حماية البيئة: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

التثبيت اللاأحيائي

يتم الحصول على النترات عن طريق التثبيت عالي الطاقة في الغلاف الجوي. إنها تأتي من الطاقة الكهربائية من البرق والإشعاع الكوني.

يتحد N ₂ مع الأكسجين لتكوين أشكال مؤكسدة من النيتروجين مثل NO (ثاني أكسيد النيتروجين) و NO ₂ (أكسيد النيتروز). في وقت لاحق ، يتم نقل هذه المركبات إلى سطح الأرض بواسطة المطر مثل حمض النيتريك (HNO ₃).

يشتمل التثبيت عالي الطاقة على حوالي 10٪ من النترات الموجودة في دورة النيتروجين.

التثبيت الحيوي

يتم تنفيذه بواسطة الكائنات الحية الدقيقة في التربة. ترتبط هذه البكتيريا بشكل عام بجذور النباتات. يقدر التثبيت السنوي للنيتروجين الحيوي بحوالي 200 مليون طن في السنة.

يتحول النيتروجين الجوي إلى أمونيا. في المرحلة الأولى من التفاعل ، يتم تقليل N ₂ إلى NH ₃ (أمونيا). في هذا الشكل يتم دمجه في الأحماض الأمينية.

في هذه العملية ، يتم تضمين مركب إنزيمي مع مراكز تقليل الأكسدة المختلفة. يتكون معقد النيتروجيناز من اختزال (يوفر الإلكترونات) ونتروجيناز. يستخدم الأخير الإلكترونات لتقليل N ₂ إلى NH ₃. يتم استهلاك كمية كبيرة من ATP في هذه العملية.

يتم تثبيط مركب النيتروجيناز بشكل لا رجعة فيه في وجود تركيزات عالية من O ₂. في العقيدات الجذرية ، يوجد بروتين (ليغيموغلوبين) يحافظ على محتوى O ₂ منخفضًا جدًا. ينتج هذا البروتين عن طريق التفاعل بين الجذور والبكتيريا.

الاستيعاب

النباتات التي لم يكن لديك علاقة تكافلية مع N _2- تحديد البكتيريا تأخذ النيتروجين من التربة. يتم امتصاص هذا العنصر في شكل نترات من خلال الجذور.

بمجرد دخول النترات إلى النبات ، يتم استخدام بعض منه بواسطة الخلايا الجذرية. يتم توزيع جزء آخر بواسطة نسيج الخشب على النبات بأكمله.

عندما يتم استخدامه ، يتم تقليل النترات إلى نتريت في السيتوبلازم. يتم تحفيز هذه العملية بواسطة إنزيم اختزال نترات الإنزيم. يتم نقل النتريت إلى البلاستيدات الخضراء والبلاستيدات الأخرى ، حيث يتم اختزالها إلى أيون الأمونيوم (NH ₄).

أيون الأمونيوم بكميات كبيرة سام للنبات. لذلك يتم دمجها بسرعة في الهياكل العظمية الكربونية لتكوين الأحماض الأمينية والجزيئات الأخرى.

في حالة المستهلكين ، يتم الحصول على النيتروجين عن طريق التغذية مباشرة من النباتات أو الحيوانات الأخرى.

Ammonification

في هذه العملية ، يتم تقسيم المركبات النيتروجينية الموجودة في التربة إلى أشكال كيميائية أبسط. يوجد النيتروجين في المواد العضوية الميتة والنفايات مثل اليوريا (بول الثدييات) أو حمض البوليك (فضلات الطيور).

يكون النيتروجين الموجود في هذه المواد في شكل مركبات عضوية معقدة. تستخدم الكائنات الحية الدقيقة الأحماض الأمينية الموجودة في هذه المواد لإنتاج بروتيناتها. في هذه العملية ، يطلقون النيتروجين الزائد على شكل أمونيا أو أيون أمونيوم.

هذه المركبات متوفرة في التربة للكائنات الحية الدقيقة الأخرى للعمل في المراحل التالية من الدورة.

النترتة

خلال هذه المرحلة ، تقوم بكتيريا التربة بأكسدة الأمونيا وأيون الأمونيوم. في هذه العملية يتم إطلاق الطاقة التي تستخدمها البكتيريا في عملية التمثيل الغذائي.

في الجزء الأول ، تقوم بكتيريا النتروجين من جنس Nitrosomas بأكسدة الأمونيا وأيون الأمونيوم إلى نتريت. تم العثور على إنزيم الأمونيا mooxygenase في غشاء هذه الكائنات الحية الدقيقة. يؤدي هذا إلى أكسدة NH ₃ إلى هيدروكسيل أمين ، والذي يتأكسد بعد ذلك إلى نتريت في الطبقة المحيطة بالبكتيريا.

بعد ذلك ، تقوم بكتيريا النترات بأكسدة النتريت إلى نترات باستخدام إنزيم النتريت أوكسيريدوكتاز. تبقى النترات متوفرة في التربة ، حيث يمكن أن تمتصها النباتات.

نزع النتروجين

في هذه المرحلة ، يتم تحويل الأشكال المؤكسدة من النيتروجين (النيتريت والنترات) مرة أخرى إلى N ₂ وبدرجة أقل إلى أكسيد النيتروز.

يتم تنفيذ العملية بواسطة البكتيريا اللاهوائية ، التي تستخدم المركبات النيتروجينية كمستقبلات للإلكترون أثناء التنفس. يعتمد معدل نزع النتروجين على عدة عوامل ، مثل النترات المتوفرة وتشبع التربة ودرجة الحرارة.

عندما تكون التربة مشبعة بالماء ، _لم يعد O ₂ متاحًا بسهولة وتستخدم البكتيريا NO ₃ كمتقبل للإلكترون. عندما تكون درجات الحرارة منخفضة جدًا ، لا تستطيع الكائنات الحية الدقيقة تنفيذ العملية.

هذه المرحلة هي الطريقة الوحيدة لإزالة النيتروجين من النظام البيئي. بهذه الطريقة ، يعود N ₂ الذي تم إصلاحه إلى الغلاف الجوي ويتم الحفاظ على توازن هذا العنصر.

أهمية

هذه الدورة لها أهمية بيولوجية كبيرة. كما أوضحنا سابقًا ، يعد النيتروجين جزءًا مهمًا من الكائنات الحية. من خلال هذه العملية يصبح قابلاً للاستخدام بيولوجيًا.

في تنمية المحاصيل ، يعد توافر النيتروجين أحد القيود الرئيسية للإنتاجية. منذ بداية الزراعة ، تم إثراء التربة بهذا العنصر.

تعتبر زراعة البقوليات لتحسين جودة التربة ممارسة شائعة. وبالمثل ، فإن زراعة الأرز في التربة المغمورة تعزز الظروف البيئية اللازمة لاستخدام النيتروجين.

خلال القرن التاسع عشر ، كان ذرق الطائر يستخدم على نطاق واسع كمصدر خارجي للنيتروجين في المحاصيل. ومع ذلك ، بحلول نهاية هذا القرن ، لم يكن كافيًا لزيادة إنتاج الغذاء.

طور الكيميائي الألماني فريتز هابر ، في أواخر القرن التاسع عشر ، عملية تم تسويقها لاحقًا بواسطة كارلو بوش. يتكون هذا من تفاعل N ₂ وغاز الهيدروجين لتكوين الأمونيا. تُعرف باسم عملية هابر بوش.

هذا الشكل من أشكال الإنتاج الاصطناعي للأمونيا هو أحد المصادر الرئيسية للنيتروجين الذي يمكن للكائنات الحية استخدامه. يعتبر أن 40٪ من سكان العالم يعتمدون على هذه الأسمدة في غذائهم.

اضطرابات دورة النيتروجين

يبلغ الإنتاج البشري الحالي من الأمونيا حوالي 85 طنًا سنويًا. هذا له عواقب سلبية على دورة النيتروجين.

بسبب الاستخدام الكبير للأسمدة الكيماوية ، هناك تلوث للتربة وخزانات المياه الجوفية. يعتبر أن أكثر من 50٪ من هذا التلوث ناتج عن تخليق هابر بوش.

تؤدي فائض النيتروجين إلى تغذية المسطحات المائية (التخصيب بالعناصر الغذائية). التغذية البشرية سريعة جدًا وتسبب نموًا سريعًا للطحالب بشكل رئيسي.

تستهلك الكثير من الأكسجين ويمكن أن تتراكم السموم. بسبب نقص الأكسجين ، تنتهي الكائنات الحية الأخرى الموجودة في النظام البيئي بالموت.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام الوقود الأحفوري يطلق كمية كبيرة من أكسيد النيتروز في الغلاف الجوي. يتفاعل هذا مع الأوزون ويشكل حمض النيتريك ، وهو أحد مكونات المطر الحمضي.

المراجع

1. Cerón L and A Aristizábal (2012) ديناميات دورة النيتروجين والفوسفور في التربة. القس كولوم. التكنولوجيا الحيوية. 14: 285-295.
2. Estupiñan R and B Quesada (2010) عملية هابر بوش في مجتمع الصناعة الزراعية: المخاطر والبدائل. نظام الزراعة الغذائية: التسليع ، الكفاح والمقاومة. افتتاحية ILSA. بوغوتا كولومبيا. 75-95
3. Galloway JN (2003) دورة النيتروجين العالمية. في: Schelesinger W (محرر) رسالة في الجيوكيمياء. إلسفير ، الولايات المتحدة الأمريكية. ص 557-583.
4. Galloway JN (2005) دورة النيتروجين العالمية: الماضي والحاضر والمستقبل. العلوم في الصين Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) سلسلة النيتروجين التي تسببها الأنشطة البشرية. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L and M Klotz (2016) دورة النيتروجين. علم الأحياء الحالي 26: 83-101.