Cicle del nitrogen

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Representació esquemàtica del cicle del nitrogen, els bacteris hi tenen un paper principal.

El cicle del nitrogen és un cicle biogeoquímic amb el qual el nitrogen es converteix en diverses formes químiques. El nitrogen es mou principalment entre l'atmosfera, el terreny i els éssers vius. Aquest cicle és denominat "gasós" car el pou de reserva, és a dir, els reservoris d'aquest element químic, és justament l'atmosfera, on el nitrogen ocupa prop del 78% del volum total.[1] La transformació del nitrogen pot ser portada a terme tant per processos biològics com no biològics. Els processos en el cicle del nitrogen inclouen la fixació del nitrogen, la mineralització i la desnitrificació. La disponibilitat de nitrogen afecta la taxa de processos clau en els ecosistemes, incloent la producció primària i la putrefacció. Les activitats humanes com són la combustió de combustibles fòssils, l'ús de fertilitzants artificials nitrogenats i l'alliberament de nitrogen en les aigües residuals han alterat molt el cicle del nitrogen.

La importància del cicle pels organismes vivents es deu a la seva necessitat d'assimilar nitrogen per la formació de compostos orgànics vitals, com les proteïnes i els àcids nucleics, però, amb l'excepció de certs bacteris, en el procés anomenat fixació de nitrogen, el nitrogen atmosfèric no pot ser absorbit directament pels organismes i això representa un factor limitant del desenvolupament forestal.

Les plantes, tanmateix, poden assimilar el nitrogen per mitjà de l'absorció d'alguns compostos nitrogenats (nitrits, nitrats i nitrat amònic) que, dissolts a l'aigua, arriben a les seves arrels. Un cop organitzat a la fitomassa, el nitrogen és transferit als organismes heteròtrofs, com els animals, mitjançant la cadena tròfica. La putrefacció de les restes orgàniques retorna al terreny l'element, que pot tornar a l'atmosfera gràcies a l'acció d'alguns bacteris especialitzats.

Aquest cicle resulta molt complex car l'àtom de nitrogen pot entrar a formar part d'un elevat nombre de molècules: el nitrogen molecular, l'amoníac i sals d'amoníac, nitrits, nitrats i nitrogen orgànic. Els processos químics implicats en la seva formació es poden subdividir en quatre tipus: fixació del nitrogen, amonificació, nitrificació i desnitrificació.

Funció ecològica[modifica | modifica el codi]

El nitrogen és essencial en molts processos i és crucial per a la vida en la Terra. Gran part del nitrogen es fa servir en les molècules de clorofil·la essencials per a la fotosíntesi .[2] Malgrat que en l'atmosfera terrestre abunda el nitrogen la majoria no el poden usar les plantes.[3] Cal un procés químic o el natural de la fixació del nitrogen per convertir el gas nitrogen en formes útils pels organismes vius.

Els processos del cicle del nitrogen[modifica | modifica el codi]

El nitrogen està present en el medi ambient en diverses formes incloent la del nitrogen orgànic, amoni (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), i gas nitrogen (N2). El nitrogen orgànic pot estar en forma de qualsevol organisme viu, o en r humus, i en productes intermedis. Els processos del cicle del nitrogen transformen el nitrogen d'una forma química a una altra. Molts del processos els porten a terme els microbis ja sigui per produir energia o per acumular nitrogen en la forma necessària pel creixement.

Fixació del nitrogen[modifica | modifica el codi]

Article principal: Fixació del nitrogen

El nitrogen atmosfèric ha de ser processat, o "fixat" per a poder ser usat per les plantes. Part de la fixació ocorre per llamps però la maoria la fan bacteris simbiòtics que tenen l'enzim nitrogenasa que combina el gas nitrogen amb hidrogen per produir amoni.

Conversió de N2[modifica | modifica el codi]

La conversió de nitrogen (N2) de l'atmosfera en una forma disponible per les plantes i per tant per animals i humans és un important pas en el cicle del nitrogen. Hi ha quatre vies per convertir el N2 (gas nitrogen atmosfèric) en formes més reactives químicament:[2]

  1. Fixació biològica: a càrrec de bacteris com per exemple els Rhizobium que viuen en els nòduls de les lleguminoses. Azotobacter, en canvi, és un exemple de bacteri de vida lliure
  2. Fixació industrial: Es fa a grans pressions i temperatures d'uns 600 C, catalitzada pel ferro i amb el gas nitrogen atmosfèric i hidrogen es combinen per formar amoni (NH3). En l'anomenat Procés Haber-Bosch s'aconsegueix amoni per fer fertilitzants i explosius..
  3. Combustió de combustibles fòssils: que fan els motors dels automòbils i les centrals tèrmiques de producció d'energia els quals alliberen diverses formes d'òxids de nitrogen (NOx).
  4. Altres processos: A més la formació de NO del N2 i O2 pels fotons i especialment pels llamps, poden fixar nitrogen.

Assimilació[modifica | modifica el codi]

Les plantes apoden absorbir nitrogen del sòl mitjançant els pèls de les seves arrels en la forma ja sigui d'ions de nitrat o amoni.

Ai la planta absorbeix nitrat primer es redueix a ions de nitrit i després a ions d'amoni per incorporar-los a aminoàcids, àcids nucleics i clorofil•la.[2] En les plantes que tenen relacions mutualístiques amb Rhizobium una part del nitrogen és assimilat directament en forma d'amoni dels nòduls. Els animals, els fongs i altres organismes heteròtrofs obtenen el nitrogen d'aminoàcids, nucleòtids i altres molècules orgàniques petites.

Amonificació[modifica | modifica el codi]

Quan mor una planta o un animal, o un animal excreta residus, la forma inicial de nitrogen és l'orgànica. Els bacteris, o les fongs en certs casos, converteixen el nitrogen orgànic dins les restes a amoni (NH4+), a aquest procés s'anomena amonificació o mineralització. Enzims implicats:

  • GS: Gln Synthetase (citosòlic i plàstidi)
  • GOGAT: Glu 2-oxoglutarat aminotransferasa (ferredoxina i NADH dependent)
  • GDH: Glu Deshidrogenasa:
    • Paper menor en l'assimilació d'amoni.
    • Important en el catabolisme aminoàcid.

Nitrificació[modifica | modifica el codi]

Article principal: Nitrificació

La conversió d'amoni a nitrat la fan principalment bacteris que viuen en el sòl.

Desnitrificació[modifica | modifica el codi]

Article principal: Desnitrificació

La desnitrificació és la reducció dels nitrats en la forma inert de gas nitrogen (N2), completant el cicle del nitrogen..

Oxidació anaeròbia de l'amoni[modifica | modifica el codi]

En aquest procés biològic, el, nitrit i amoni es converteixen directament en gas nitrogen elemental (N2). Aquest procés fa la major producció de nitrogen elemental en els oceans.

Influència humana[modifica | modifica el codi]

Els humans han més que doblat la transferència anual de nitrogen en formes biològicament disponibles (pel conreu de lleguminoses, producció de fertilitzants nitrogenats, contaminació etc.). A més els humans han contribuït a transferir gasos de nitrogen a l'atmosfera terrestre i de la terra a sistemes aquàtics.[4]

El N2O (òxid nitrós) ha augmentat en l'atmosfera per la fertilització agrícola, crma de biomassa, ramaderia i altres fonts industrials.[5] El N2O té efectes deleteris en l'estratosfera on es degrada i catalitza la destrucció de la capa d'ozó.

El N2O en l'atmosfera és un gas hivernacle, actualment el tercer gas que contribueix a l'escalfament global, després del diòxid de carboni i el metà.[6]

El NH3 (amoni) s'ha triplicat en l'atmosfera per l'activitat humana. Reacciona en l'atmosfera on actua com un aerosol, eventualment forma àcid nítric (HNO3) i dóna pluja àcida. Els NH3 i HNO3 danyen els sistemes respiratoris.

Totes les formes de combustió a alta temperatura han contribuït a incrementar de 6 a 7 vegades el flux de NOx a l'atmosfera. Encara que el principal sigui els combustibles fòssils, tots els combustibles hi contribueixen fins i tot els biocombustibles i la crema d'hidrogen.

Referències[modifica | modifica el codi]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Cicle del nitrogen
  1. Steven B. Carroll; Salt, Steven D. Ecology for gardeners. Timber Press, 2004, p. 93. ISBN 9780881926118. 
  2. 2,0 2,1 2,2 Smil, V. Cycles of Life. ScientificAmerican Library, New York, 2000. , 2000)
  3. Nitrogen: The Essential Element. Nancy M. Trautmann and Keith S. Porter. Center for Environmental Research, Cornell Cooperative Extension
  4. Holland, Elisabeth A.; Dentener, Frank J.; Braswell, Bobby H.; Sulzman, James M.. «Contemporary and pre-industrial global reactive nitrogen budgets». Biogeochemistry, vol. 46, 1999, pàg. 7. DOI: 10.1007/BF01007572.
  5. Chapin, S.F. III, Matson, P.A., Mooney H.A. 2002. Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology. Springer, New York 2002 ISBN 0387954430, p.345
  6. Proceedings of the Scientific Committee on Problems of the Environment (SCOPE) International Biofuels Project Rapid Assessment, 22–25 September 2008, Gummersbach, Germany, R.W. Howarth and S. Bringezu, editors. 2009 Executive Summary, p. 3