Typpisyklin ominaisuudet, säiliöt, vaiheet, merkitys



typpisykli se on typen siirtyminen ilmakehän ja biosfäärin välillä. Se on yksi tärkeimmistä biogeokemiallisista sykleistä. Typpi (N) on erittäin tärkeä elementti, koska kaikki organismit tarvitsevat kasvua. Se on osa nukleiinihappojen (DNA ja RNA) ja proteiinien kemiallista koostumusta.

Suurin määrä typpeä planeetalla on ilmakehässä. Ilmakehän typpi (N2) useimmat elävät olennot eivät voi käyttää niitä suoraan. On bakteereita, jotka pystyvät korjaamaan sen ja sisällyttämään sen maaperään tai veteen muilla organismeilla käytettävillä tavoilla.

Seuraavaksi autotrofiset organismit assimiloivat typpeä. Useimmat heterotrofiset organismit hankkivat sen syöttämällä. Sitten ne vapauttavat ylimäärät virtsan (nisäkkäiden) tai ulosteiden muodossa (linnut).

Prosessin toisessa vaiheessa on bakteereita, jotka osallistuvat ammoniakin muuntamiseen nitriitteiksi ja nitraateiksi, jotka sisällytetään maaperään. Ja syklin lopussa toinen mikro-organismiryhmä käyttää hengityksessä typpiyhdisteissä olevaa happea. Tässä prosessissa ne vapauttavat typen takaisin ilmakehään.

Tällä hetkellä suurin maataloudessa käytettävä typen määrä on ihmisten tuottamaa. Tämä on johtanut tämän elementin ylitykseen maaperässä ja vesilähteissä, mikä aiheuttaa epätasapainoa tässä biogeokemiallisessa syklissä.

indeksi

  • 1 Yleiset ominaisuudet
    • 1.1 Alkuperä
    • 1.2 Kemialliset muodot 
    • 1.3 Historia
    • 1.4 Organismeja koskevat vaatimukset
  • 2 Komponentit
    • 2.1 -Reservorios
    • 2.2 -Mikroorganismit osallistuvat
  • 3 vaihetta
    • 3.1 Kiinnitys
    • 3.2 Assimilaatio
    • 3.3 Tarkistaminen
    • 3.4 Nitrifikaatio
    • 3.5 Denitrifikaatio
  • 4 Tärkeys
  • 5 Typen kierron muutokset
  • 6 Viitteet

Yleiset ominaisuudet

lähde

Nukleosynteesistä peräisin olevan typen (uusien atomien muodostaminen) katsotaan olevan. Tähdet, joilla on suuret heliummassat, saavuttivat typen muodostumisen edellyttämän paineen ja lämpötilan.

Kun maa syntyi, typpi oli kiinteässä tilassa. Sitten tulivuoren aktiivisuuden myötä tämä elementti meni kaasumaiseen tilaan ja sisällytettiin planeetan ilmakehään.

Typpi oli N: n muodossa2. Todennäköisesti elävien olentojen käyttämät kemialliset muodot (ammoniakki NH3) ilmestyivät meren ja tulivuorien väliset typpisyklit. Tällä tavoin NH3 olisi sisällytetty ilmakehään ja yhdessä muiden elementtien kanssa syntyi orgaanisia molekyylejä.

Kemialliset muodot

Typpi esiintyy erilaisissa kemiallisissa muodoissa, viitataan tämän elementin erilaisiin hapettumisolosuhteisiin (elektronien häviöön). Nämä erilaiset muodot vaihtelevat sekä niiden ominaisuuksien että käyttäytymisen suhteen. Typpikaasu (N2) ei ole ruosteinen.

Hapettuneet muodot luokitellaan orgaanisiksi ja epäorgaanisiksi. Orgaaniset muodot ovat pääasiassa aminohapoissa ja proteiineissa. Epäorgaaniset tilat ovat ammoniakkia (NH3), ammoniumioni (NH4), nitriitit (NO2) ja nitraatit (NO3).

historia

Typpiä löysi 1770 kolme tutkijaa itsenäisesti (Scheele, Rutherford ja Lavosier). Vuonna 1790 ranskalainen Chaptal nimesi kaasuna typenä.

1800-luvun jälkipuoliskolla sen todettiin olevan olennainen osa elävien organismien kudoksia ja kasvien kasvua. Samoin todettiin jatkuvan virtauksen olemassaolo orgaanisten ja epäorgaanisten muotojen välillä.

Alussa katsottiin, että typen lähteet olivat salama ja ilmakehän laskeuma. Vuonna 1838 Boussingault määritteli tämän elementin biologisen kiinnityksen palkokasveihin. Sitten vuonna 1888 havaittiin, että palkokasvien juuriin liittyvät mikro-organismit olivat vastuussa N: n kiinnittämisestä.2.

Toinen tärkeä havainto oli sellaisten bakteerien olemassaolo, jotka kykenivät hapettamaan ammoniakkia nitriitteiksi. Sekä muut ryhmät, jotka muuttivat nitriittejä nitraatiksi.

Jo vuonna 1885 Gayon totesi, että toisella mikro-organismiryhmällä oli kyky muuttaa nitraatteja N: ksi2. Tällä tavalla voidaan ymmärtää, että planeetalla oleva typpisykli olisi ymmärrettävissä.

Organismien vaatimus

Kaikki elävät olennot vaativat typpeä elintärkeissä prosesseissaan, mutta kaikki eivät käytä sitä samalla tavalla. Jotkut bakteerit pystyvät käyttämään ilmakehän typpeä suoraan. Toiset käyttävät typen yhdisteitä happilähteenä.

Autotrofiset organismit tarvitsevat nitraatteja. Monet heterotrofit voivat puolestaan ​​käyttää sitä vain aminoryhmien muodossa, jotka ne saavat elintarvikkeestaan.

komponentit

-tekoaltaat

Suurin luonnollinen typpilähde on ilmakehä, jossa 78% tästä elementistä on kaasumaisessa muodossa (N2), jossa on vähän jälkiä typpioksidista ja typpimonoksidista.

Sedakivet sisältävät noin 21%, joka vapautuu hyvin hitaasti. Loput 1% sisältyy orgaaniseen aineeseen ja valtameriin orgaanisen typen, nitraattien ja ammoniakin muodossa.

-Osallistuvat mikro-organismit

On olemassa kolmenlaisia ​​mikro-organismeja, jotka osallistuvat typpisykliin. Nämä ovat kiinnittimiä, nitrierejä ja denitriereerejä.

N-kiinnittävät bakteerit2

Ne koodittavat typpeä entsyymien kompleksia, jotka ovat mukana kiinnitysprosessissa. Useimmat näistä mikro-organismeista kolonisoivat kasvien risosfäärin ja kehittyvät kudoksissaan.

Yleisin kiinnitysbakteerien tyyppi on Rhizobium, joka liittyy palkokasvien juuriin. On muitakin lajityyppejä Frankia, Nostoc ja Pasasponia jotka tekevät symbioosin muiden kasvi- ryhmien juurilla.

Vapaassa muodossa olevat syaanibakteerit voivat vahvistaa ilmakehän typpeä vesiympäristöissä

Nitrifisoituvat bakteerit

Nitrifikaatioprosessiin osallistuu kolme mikro-organismityyppiä. Nämä bakteerit kykenevät hapettamaan ammoniakkia tai maaperässä olevaa ammoniumionia. Ne ovat kemolitotrofisia organismeja (jotka pystyvät hapettamaan epäorgaanisia materiaaleja energialähteenä).

Eri sukupolvien bakteerit puuttuvat prosessiin peräkkäin. Nitrosoma ja Nitrocystis hapettaa NH3 ja NH4 nitriitteiksi. sitten Nitrobacter ja Nitrosococcus hapettaa tämä yhdiste nitraatiksi.

Vuonna 2015 löydettiin toinen tähän prosessiin osallistunut bakteeriryhmä. Ne kykenevät suoraan hapettamaan ammoniakkia nitraatiksi ja sijaitsevat sukussa Nitrospira. Jotkut sienet kykenevät myös nitrifioimaan ammoniakkia.

Denitrifioivat bakteerit

On todettu, että yli 50 eri bakteerien sukua voi vähentää Nitraatteja2. Tämä tapahtuu anaerobisissa olosuhteissa (hapen puuttuminen).

Yleisimmät denitrifioivat suvut ovat Alcaligenes, Paracoccuksen, pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus ja Thiosphaera. Suurin osa näistä ryhmistä on heterotrofisia.

Vuonna 2006 löydettiin bakteeri (Methylomirabilis oxyfera) joka on aerobinen. Se on metanotrofinen (saa hiilen ja metaanienergian) ja pystyy saamaan happea denitrifikaatioprosessista.

vaiheet

Typpisykli kulkee useita vaiheita mobilisoinnissa koko planeetalla. Nämä vaiheet ovat:

vahvistamisesta

Ilmakehän typen muuntaminen muoteiksi, joita pidetään reaktiivisina (joita voi käyttää elävät olennot). N-molekyyliä sisältävien kolmen sidoksen rikkominen2 Se vaatii paljon energiaa, ja se voi tapahtua kahdella tavalla: abiotiikka tai bioottinen.

Abioottinen kiinnitys

Nitraatit saadaan korkealla energian kiinnityksellä ilmakehään. Se on peräisin salaman ja kosmisen säteilyn sähköenergiasta.

N2 se yhdistetään hapen kanssa hapettuneiden typpimuotojen, kuten NO: n (typpidioksidi) ja NO: n muodostamiseksi2 (typpioksidi). Tämän jälkeen nämä yhdisteet tuodaan maan pinnalle sateella typpihappona (HNO3).

Suuri energian kiinnitys sisältää noin 10% typpisyklin nitraateista.

Biotinen kiinnitys

Se suoritetaan maaperän mikro-organismeilla. Yleensä nämä bakteerit liittyvät kasvien juuriin. On arvioitu, että typen vuosittainen bioottinen kiinnitys on noin 200 miljoonaa tonnia vuodessa.

Ilmakehän typpi transformoidaan ammoniumiksi. Reaktion ensimmäisessä vaiheessa N2 pelkistetään NH: ksi3 (Ammoniakki). Tällä tavoin se sisällytetään aminohappoihin.

Tässä prosessissa on mukana entsymaattinen kompleksi, jossa on erilaisia ​​oksidien pelkistyskeskuksia. Tämä typpikaasukompleksi koostuu reduktaasista (joka sisältää elektronit) ja typpikaasusta. Jälkimmäinen käyttää elektroneja N: n vähentämiseksi2 NH: lle3. Prosessissa kuluu suuri määrä ATP: tä.

Typpikaasukompleksi inhiboidaan peruuttamattomasti suurten O: n pitoisuuksien läsnä ollessa2. Radikaalisissa solmuissa on läsnä proteiini (leghemoglobiini), joka pitää O-pitoisuuden hyvin alhaisena2. Tämä proteiini syntyy juurien ja bakteerien välisestä vuorovaikutuksesta.

assimilaatio

Kasvit, joilla ei ole symbioottista yhteyttä N-kiinnittävien bakteerien kanssa2, ne ottavat typen maaperästä. Tämän elementin imeytyminen tapahtuu nitraattien kautta juurien läpi.

Kun nitraatit tulevat laitokseen, juuren solut käyttävät osaa. Toinen osa jakautuu xylemin kautta koko laitokseen.

Kun sitä käytetään, nitraatti pelkistyy sytoplasmassa nitriitiksi. Tätä prosessia katalysoi nitraatti-reduktaasientsyymi. Nitritit kuljetetaan kloroplasteihin ja muihin muoveihin, joissa ne pelkistetään ammoniumioniksi (NH4).

Ammoniumioni suurina määrinä on myrkyllistä laitokselle. Niinpä se sisällytetään nopeasti karbonaattirunkoon, jolloin muodostuu aminohappoja ja muita molekyylejä.

Kuluttajien osalta typpi saadaan syöttämällä suoraan kasveista tai muista eläimistä.

amonificación

Tässä prosessissa maaperässä olevat typpiyhdisteet hajoavat yksinkertaisemmiksi kemiallisiksi muodoiksi. Typpi on kuollut orgaaninen aine ja jätteet, kuten urea (nisäkkäiden virtsa) tai virtsahappo (lintujen ulosteet)..

Näissä aineissa oleva typpi on monimutkaisten orgaanisten yhdisteiden muodossa. Mikro-organismit käyttävät näissä aineissa olevia aminohappoja tuottamaan proteiinejaan. Tässä prosessissa ne vapauttavat ylimääräistä typpeä ammoniakin tai ammoniumionin muodossa.

Nämä yhdisteet ovat käytettävissä maaperässä muiden mikro-organismien toimimiseksi syklin seuraavissa vaiheissa.

nitrifikaatio

Tämän vaiheen aikana maaperän bakteerit hapettavat ammoniakkia ja ammoniumionia. Prosessissa vapautuu energiaa, jota bakteerit käyttävät aineenvaihdunnassaan.

Ensimmäisessä osassa suvun nitrosoivat bakteerit Nitrosomas hapettaa ammoniakki ja ammoniumioni nitriitiksi. Näiden mikro-organismien kalvossa on ammoniakin mooxigenasa-entsyymi. Tämä hapettaa NH: n3 hydroksyyliamiiniin, joka sitten hapetetaan nitriittiksi bakteerin periplasmassa.

Tämän jälkeen nitrat- tavat bakteerit hapettavat nitriitit nitraateiksi käyttämällä entsyymiä nitriittioksidoreduktaasia. Nitraatteja on saatavilla maaperässä, jossa kasvit voivat imeytyä.

denitrifikaatio

Tässä vaiheessa hapettuneet typpimuodot (nitriitit ja nitraatit) muunnetaan takaisin N: ksi2 ja vähäisemmässä määrin typpioksidia.

Prosessi suoritetaan anaerobisilla bakteereilla, jotka käyttävät typen yhdisteitä elektronin vastaanottajina hengityksen aikana. Denitrifikaation nopeus riippuu useista tekijöistä, kuten käytettävissä olevasta nitraatista ja maaperän kylläisyydestä ja lämpötilasta.

Kun maa on kyllästetty vedellä, O2 se ei ole helposti saatavilla ja bakteerit käyttävät NO: ta3 elektronin vastaanottimena. Kun lämpötilat ovat hyvin alhaiset, mikro-organismit eivät voi suorittaa prosessia.

Tämä vaihe on ainoa tapa, jolla typpi poistetaan ekosysteemistä. Tällä tavoin N2 kiinteä paluu ilmakehään ja tämän elementin tasapaino säilyy.

tärkeys

Tällä jaksolla on suuri biologinen merkitys. Kuten aiemmin selitettiin, typpi on tärkeä osa eläviä organismeja. Tämän prosessin kautta siitä tulee biologisesti käyttökelpoinen.

Kasvien kehittämisessä typen saatavuus on yksi tärkeimmistä tuottavuuden rajoituksista. Maatalouden alusta lähtien maaperää on rikastettu tällä elementillä.

Palkokasvien viljely maaperän laadun parantamiseksi on yleinen käytäntö. Samoin riisin istuttaminen tulviin maaperään edistää typen käytön kannalta välttämättömiä ympäristöolosuhteita.

1900-luvulla guanoa (lintujen uloste) käytettiin laajalti ulkoisena typpilähteenä kasveissa. Tämän vuosisadan loppuun mennessä se ei kuitenkaan riittänyt lisäämään elintarviketuotantoa.

Saksalainen kemisti Fritz Haber kehitti 1800-luvun lopulla prosessin, jota Carlo Bosch myöhemmin myi. Tämä edellyttää, että N reagoi2 ja kaasumainen vety ammoniakin muodostamiseksi. Sitä kutsutaan Haber-Bosch-prosessiksi.

Tämä keinotekoinen ammoniakin muoto on yksi tärkeimmistä typenlähteistä, joita elävät olennot voivat käyttää. On katsottu, että 40% maailman väestöstä riippuu näistä lannoitteista niiden ruokaa varten.

Typpisyklin muutokset

Nykyinen antropogeeninen ammoniakin tuotanto on noin 85 tonnia vuodessa. Tämä aiheuttaa negatiivisia seurauksia typen kierrossa.

Kemiallisten lannoitteiden käytön ansiosta on maaperän ja pohjavesien saastuminen. Katsotaan, että yli 50% tästä saastumisesta on seurausta Haber-Bosch-synteesistä.

Typen ylimäärät johtavat vesistöjen rehevöitymiseen (ravintoaineiden rikastumiseen). Antropogeeninen eutrifikaatio on erittäin nopea ja aiheuttaa nopeutettua kasvua lähinnä levät.

Nämä kuluttavat suuria määriä happea ja voivat kerätä toksiineja. Hapen puutteen vuoksi muut ekosysteemin läsnä olevat organismit kuolevat.

Lisäksi fossiilisten polttoaineiden käyttö vapauttaa suuria määriä typpioksidia ilmakehään. Tämä reagoi otsonin kanssa ja muodostaa typpihappoa, joka on yksi happosateiden komponenteista.

viittaukset

  1. Cerón L ja A Aristizábal (2012) Typpi- ja fosforisyklin dynamiikka maaperässä. Kolumb. Biotechnol. 14: 285-295.
  2. Estupiñan R ja B Quesada (2010) Haber-Bosch-prosessi maatalouden teollisuudessa: vaarat ja vaihtoehdot. Agroalement-järjestelmä: commodification, kamppailut ja vastustuskyky. ILSA: n toimituksellinen. Bogotá, Kolumbia 75-95
  3. Galloway JN (2003) Maailmanlaajuinen typpisykli. Julkaisussa: Schelesinger W (toim.) Treatise on Geochemistry. Elsevier, Yhdysvallat. s. 557-583.
  4. Galloway JN (2005) Maailmanlaajuinen typpisykli: menneisyys, nykyisyys ja tulevaisuus. Tiede Kiinassa Ser C Life Sciences 48: 669-677.
  5. Pajares S (2016) Ihmisen toiminnan aiheuttama typpikaskaasi. Oikos 16: 14-17.
  6. Stein L ja M Klotz (2016) Typpisykli. Current Biology 26: 83-101.