چرخه نیتروژن در خاک

چرخه نیتروژن یک چرخه بیوشیمیایی است که در آن نیتروژن در اشکال مختلف در خاک، اتمسفر و آب به حرکت در می آید. فرآیندهای مهم در این چرخه به صورت زیر می باشد:

• تثبیت یا Fixation
• آمونیفیکاسیون یا Ammonification
• نیتریفیکاسیون Nitritification
• دنیتریفیکیشن Denitrification

78% اتمسفر زمین را نیتروژن تشکیل می دهد که بزرگترین منبع نیتروژن می باشد. هر چند این نیتروژن به مقدار محدودی در اختیار گیاه قرار می گیرد و به همین دلیل مقدار کمی نیتروژن قابل مصرف در اکوسیستم های مختلف وجود دارد.

چرخه نیتروژن به دلیل تأثیری که بر روی سرعت یکسری فرایندهای طبیعی مثل تجزیه مواد و سنتز ترکیبات آلی دارد مورد توجه بوم شناسان قرار دارد. فعالیتهای بشر نظیر سوزاندن سوختهای فسیلی، استفاده از کودهای شیمیایی و ورود آن به آبها این چرخه را به شدت تحت تأثیر خود قرار داده است.

نیتروژن در طبیعت به فرمهای مختلفی مثل نیتروژن آلی، آمونیوم NH₄⁺ ، نیتریت NO₂^– ، نیترات NO₃^–، نیتروزاکساید   N₂O، نیتریک اکسید NO و گاز N₂ وجود دارد.

نیتروژن آلی می تواند به صورت موجود زنده، هوموس یا ترکیبات واسطه ای فرایند تجزیه وجود داشته باشد. بسیاری از این فرایندها توسط میکروبها صورت می گیرد برای مثال ترکیبات نیتروژن دار موجود در ادرار حیوانات توسط باکتریهای نیترات ساز در خاک تجزیه می شود تا مورد استفاده گیاهان قرار گیرد. دیاگرام زیر نشان می دهد که چگونه این فرایندها با هم دیگر چرخه نیتروژن را تشکیل می دهند.

تثبیت نیتروژن

تبدیل نیتروژن گازی (N₂) به نیتراتها و نیتریتها طی فرایندهای اتمسفری بیولوژیکی و صنعتی فرایند تثبیت نیتروژن نام دارد. نیتروژن اتمسفری باید به فرم قابل استفاده برای گیاهان درآید. بین 5 تا 10 میلیارد کیلوگرم در سال نیتروژن توسط رعد و برق تثبیت می شود اما بیشترین میزان تثبیت توسط موجودات زنده و باکتریهای همزیست مثل دی آزوتروف ها انجام می شود. این باکتریها آنزیم نیتروژناز دارند که نیتروژن گازی را با هیدروژن ترکیب ککرده و آمونیاک می سازد که توسط باکتریها به سایر ترکیبات آلی تبدیل می شود. بیشترین تثبیت نیتروژن بر اثر فعالیت مولیبدنیوم نیتروژناز رخ می دهد که در انواع مختلفی از باکتری ها و برخی تک یاخته ها یافت می شود.

 

ریزوبیوم نمونه ای از باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن است که معمولاً در گرهکهای (Nodules) غلاتی نظیر نخود، شبدر و … یافت می شود و یک رابطه همزیستی بین این باکتریها و گیاه وجود دارد که طی آن در ازای کربوهیدراتی که گیاه در اختیار این باکتریها قرار می دهد تولید آمونیاکک می کنند. به همین دلیل کشت حبوبات اغلب باعث افزایش نیتروژن در خاک می شود. تعداد اندکی از گیاهان غیر از حبوبات نیز این همزیستی را زا خود نشان می دهند. امروزه، حدود 30% از کل نیتروژن تثبیت شده به صورت صنعتی توسط واکنش هابر-بوش تولید می شود که در آن فشار و دمای بالا به همراه منبع هیدروژن برای تبدیل نیتروژن گازی به آمونیاک استفاده می شود.

ادغام Assimilation

گیاه می تواند نیترات یا آمونیوم را از خاک توسط ریشه جذب کند. اگر نیترات جذب شود ابتدا به یون نیتریت کاهش می یابد و سپس به یون آمونیوم تبدیل می شود تا تبدیل به امینواسید، نوکلئیک اسید و کلروفیل گردد.

گیاهانی که با باکتری ریزوبیا همزیستی دارند فرایند ادغام در گرهکهای آن رخ می دهد و قسمتی از نیتروژن به طور مستقیم به آمونیوم تبدیل می شود. امروزه دانشمندان متوجه رابطه پیچیده تری بین گیاه و باکتری ریزوبیا شده اند که طی آن گیاه آمینواسید مورد نیاز این باکتری را تأمین می کند و باکتری آمینواسید با نیتروژن تثبیت شده جدید را به گیاه برمی گرداند. در حالی که بسیاری از حیوانات، قارچها و هتروتروفیکها نیتروژن را از طریق مصرف آمینواسیدها، نوکلئوتیدها و سایر مولکولهای آلی کوچک به دست    می آورند، برخی از هتروتروف ها (مثل بسیاری از باکتریها) قادر به مصرف نیتروژن معدنی مثل آمونیوم هستند. استفاده منابع مختلف نیتروژن به طور ظریفی در همه موجودات رخ می دهد.

آمونیفیکاسیون Ammonification

وقتی یک گیاه یا حیوان می میرد یا عمل دفع را انجام می دهد فرم اولیه نیتروژن آلی است. باکتری یا قارچ نیتروژن ارگانیک را به یون آمونیوم تبدیل می کند، پروسه ای که به آن آمونیفیکاسیون یا معدنی شدن می گویند.

 

نیتریفیکاسیون Nitrification

تبدیل آمونیوم به نیترات توسط باکتری های موجود در خاک و سایر باکتریهای نیترات کننده رخ می دهد. در وهله اول یون آمونیوم توسط باکتریهایی نظیر گونه های نیتروزوموناس اکسید می شود و سپس آمونیوم به نیتریت تبدیل می گردد. در مرحله بعد گونه های باکتریایی دیگری مانند نیتروزو باکتر مسئول اکسید نیتریت به نیترات هستند. تبدیل آمونیاک به نیتریت و نیترات از اهمیت به سزایی برخوردار است زیرا گاز آمونیاک برای گیاه سمی است. به دلیل خاصیت انحلال پذیری بالا و عدم توانایی خاک در نگهداری مقادیر زیادی آنیون، نیترات وارد منابع آب زیرزمینی می شود.

 

اوتریفیکاسیون Eutrophication

افزایش نیترات در آبهای زیرزمینی خطر بزرگی است که آب آشامیدنی را تهدید می کند. زیرا نیترات موجب اختلالاتی در سطح اکسیژن خون در نوزادان می شود که منجر به سندروم نوزاد آبی ،Blue-Baby Syndrome، می شود.

در جاهایی که آبهای زیرزمینی به رودخانه و آبهای سطحی جاری می شود، فرایند اوتریفیکاسیون (Eutrophication) رخ می دهد. فرایندی که منجر به افزایش رشد و جمعیت جلبکها می شود. هر چند این پدیده به خودی خود برای آبزیان سمی نیست ولی تأثیر مستقیم بر روی زندگی آبزیان دارد. از پیامدهای بوم شناختی اوتریفیکاسیون به موارد زیر می توان اشاره نمود:

1. کاهش شفافیت آب
2. افزایش زیست توده پلانکتونها
3. مشکلات تصفیه آب
4. ایجاد شکوفایی زوپلانکتونی
5. افزایش گونه های سمی پلانکنونها
6. کاهش عبور نور خورشید
7. مرگ ماهی ها

 

نیترات زدایی Denitrification

به تبدیل نیترات به گاز N₂ نیترات زدایی می گویند. این فرایند توسط گونه های باکتری مانند پسودوموناز و پاراکوکوس در شرایط غیرهوازی رخ می دهد. این باکتریها از نیترات خاک برای تنفس خود استفاده می کنند و آن را تبدیل به گاز نیتروژن کرده که برای گیاه غیرقابل مصرف است.

آمونیفیکاسیون نیتریت/نیترات Nitrate/Nitrite Ammonification

یک فرایند  بی هوازی است که در آن میکروبها طی آن مواد آلی خود را اکسید می کنند و از نیترات به عنوان دریافت کننده اکسیژن استفاده می کنند تا آن را به نیتریت و سپس به آمونیوم تبدیل کنند.

اکسیداسیون بی هوازی آمونیاک ANearobic AMMonia Oxidation Process

این فرایند به طور خلاصه به صورت ANAMMOX نشان داده می شود و یک فرایند زیستی اکسایش_کاهشی است که در آن آمونیاک و نیترات 3 الکترون داد و ستد می کنند و تبدیل به گاز نیتروژن و آب می شوند. بخش وسیعی از واکنش چرخه نیتروژن در اقیانوسها ANNAMOX می باشد.