- Yleispiirteet, yleiset piirteet
- alkuperä
- Kemialliset muodot
- Historia
- Viraston vaatimus
- komponentit
- -Reserves
- -Mikro-organismit
- N-kiinnitysbakteerit
- Typpeä aiheuttavat bakteerit
- Denitrifying bakteerit
- Tasot
- fiksaatio
- Abioottinen kiinnitys
- Bioottinen kiinnitys
- assimilaatio
- ammonifikaatio-
- nitrifikaatio
- denitrifikaatio
- Merkitys
- Typpisyklin häiriöt
- Viitteet
Typpikierto on prosessi typen välisen liikkeen ilmakehän ja biosfäärin. Se on yksi merkityksellisimmistä biogeokemiallisista sykleistä. Typpi (N) on erittäin tärkeä tekijä, koska kaikki organismit tarvitsevat sitä kasvaakseen. Se on osa nukleiinihappojen (DNA ja RNA) ja proteiinien kemiallista koostumusta.
Suurin määrä typpeä planeetalla on ilmakehässä. Ilmakehän typpeä (N 2) ei voida käyttää suoraan useimmissa elävissä asioissa. On bakteereja, jotka kykenevät kiinnittämään sen ja sisällyttämään sen maaperään tai veteen tavalla, jota muut organismit voivat käyttää.
Typen ja fosforin kanssa rikastamalla rehevöity vesimuodostuma Lillessä (Pohjois-Ranska). Kirjoittaja: F. lamiot (oma teos), Wikimedia Commonsista
Myöhemmin autotrofiset organismit rinnastavat typen. Useimmat heterotrofiset organismit hankkivat sen ruoan kautta. Sitten ne vapauttavat ylimäärän virtsan (nisäkkäät) tai ulosteiden (linnut) muodossa.
Prosessin toisessa vaiheessa on bakteereja, jotka osallistuvat ammoniakin muuttumiseen nitriiteiksi ja nitraateiksi, jotka sisällytetään maaperään. Jakson lopussa toinen mikro-organismiryhmä käyttää typpipitoisissa yhdisteissä olevaa happea hengityksessä. Tässä prosessissa ne vapauttavat typpeä takaisin ilmakehään.
Tällä hetkellä suurin osa maataloudessa käytetystä typestä tuottaa ihmisiä. Tämä on johtanut tämän elementin ylimäärään maaperässä ja vesilähteissä, aiheuttaen epätasapainon tässä biogeokemiallisessa syklissä.
Yleispiirteet, yleiset piirteet
alkuperä
Typen katsotaan olevan peräisin nukleosynteesistä (uusien ytimien luomisesta). Tähdet, joilla on suuret heliummassat, saavuttivat paineen ja lämpötilan, joka tarvitaan typen muodostumiseen.
Maan alkuvaiheessa typpi oli kiinteässä tilassa. Myöhemmin, tulivuoren toiminnan seurauksena, tästä elementistä tuli kaasumainen tila ja se sisällytettiin planeetan ilmakehään.
Typpi oli muodossa N 2. Todennäköisesti elävien olentojen käyttämät kemialliset muodot (NH 3- ammoniakki) ilmenivät typpisyklinä meren ja tulivuorten välillä. Tällä tavalla, NH 3 olisi otettu ilmakehään ja yhdessä muiden elementtien kanssa johti orgaanisia molekyylejä.
Kemialliset muodot
Typpeä esiintyy erilaisissa kemiallisissa muodoissa, viitaten tämän elementin erilaisiin hapetustiloihin (elektronien menetykset). Nämä eri muodot eroavat sekä ominaispiirteistään että käyttäytymisstään. Typpikaasu (N 2) ei hapettu.
Hapettuneet muodot luokitellaan orgaanisiksi ja epäorgaanisiksi. Orgaaniset muodot esiintyvät pääasiassa aminohapoissa ja proteiineissa. Epäorgaaniset valtiot ovat ammoniakki (NH 3), ammoniumioni (NH 4), nitriitit (NO 2) ja nitraattien (NO 3), muiden muassa.
Historia
Typen löysivät vuonna 1770 kolme itsenäistä tutkijaa (Scheele, Rutherford ja Lavosier). Vuonna 1790 ranskalainen kappeli nimitti kaasun typeksi.
1800-luvun jälkipuoliskolla sen todettiin olevan olennainen osa elävien organismien kudoksia ja kasvien kasvua. Samoin todistettiin vakiovirtauksen esiintyminen orgaanisten ja epäorgaanisten muotojen välillä.
Typpilähteitä pidettiin alun perin salaman ja ilmakehän laskeumina. Vuonna 1838 Boussingault määritteli tämän alkuaineen biologisen kiinnittymisen palkokasveihin. Sitten, vuonna 1888, havaittiin, että mikro-organismit, jotka liittyvät juuret palkokasveja olivat vastuussa kiinnittäminen N 2.
Toinen tärkeä löytö oli sellaisten bakteerien olemassaolo, jotka pystyivät hapettamaan ammoniakin nitriiteiksi. Sekä muut ryhmät, jotka muuttivat nitriittejä nitraateiksi.
Jo 1885, Gayon määritetään, että toinen ryhmä mikro-organismeja oli kyky muuttaa nitraatteja N 2. Sillä tavalla, että typpisykli planeetalla voitaisiin ymmärtää.
Viraston vaatimus
Kaikki elävät asiat tarvitsevat typpeä elintärkeisiin prosesseihinsa, mutta kaikki eivät käytä sitä samalla tavalla. Jotkut bakteerit kykenevät käyttämään ilmakehän typpeä suoraan. Toiset käyttävät typpiyhdisteitä hapen lähteenä.
Autotrofiset organismit tarvitsevat tarvikkeita nitraattien muodossa. Omasta puolestaan monet heterotrofit voivat käyttää sitä vain aminoryhmien muodossa, joita he saavat ruoastaan.
komponentit
-Reserves
Suurin luonnollinen typen lähde on ilmakehä, jossa 78% tästä alkuaineesta on kaasumaisessa muodossa (N 2), ja siinä on jonkin verran typpioksidia ja typpimonoksidia.
Sedimenttikivet sisältävät noin 21%, joka vapautuu erittäin hitaasti. Jäljelle jäävä 1% sisältyy orgaaniseen aineeseen ja valtameriin orgaanisen typen, nitraattien ja ammoniakin muodossa.
-Mikro-organismit
Typpisykliin osallistuu kolmen tyyppisiä mikro-organismeja. Nämä ovat kiinnitysaineita, typenpoistoaineita ja puhdistusaineita.
N-kiinnitysbakteerit
Ne koodaavat kiinnitysprosessiin osallistuvien nitrogenaasientsyymien kompleksia. Suurin osa näistä mikro-organismeista siirtää kasvien risosfäärin ja kehittyy niiden kudoksissa.
Kiinnitysbakteerien yleisin suvu on Rhizobium, joka liittyy palkokasvien juuriin. On myös muita suvuja, kuten Frankia, Nostoc ja Pasasponia, jotka tekevät symbioosin muiden kasviryhmien juurten kanssa.
Vapaassa muodossa olevat sinilevät voivat kiinnittää ilmakehän typpeä vesiympäristöihin
Typpeä aiheuttavat bakteerit
Nitrifikaatioprosessissa on kolmen tyyppisiä mikro-organismeja. Nämä bakteerit kykenevät hapettamaan maaperässä olevaa ammoniakkia tai ammoniumionia. Ne ovat kemolyttrofisia organismeja (kykenevät hapettamaan epäorgaanisia materiaaleja energialähteenä).
Eri sukujen bakteerit puuttuvat prosessiin peräkkäin. Nitrosoma ja nitrosykstis hapettavat NH3: n ja NH4: n nitriiteiksi. Sitten nitrobacter ja nitrosococcus hapettavat tämän yhdisteen nitraateiksi.
Vuonna 2015 havaittiin toinen bakteeriryhmä, joka puuttuu tähän prosessiin. Ne kykenevät suoraan hapettamaan ammoniakin nitraateiksi ja sijaitsevat Nitrospira-suvussa. Jotkut sienet kykenevät myös nitroimaan ammoniakkia.
Denitrifying bakteerit
On ehdotettu, että yli 50 erilaista bakteerisukua voi pelkistää nitraatit N 2: ksi. Tämä tapahtuu anaerobisissa olosuhteissa (hapen puuttuminen).
Yleisimmät denitrifikatiiviset suvut ovat Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus ja Thiosphaera. Suurin osa näistä ryhmistä on heterotrofeja.
Vuonna 2006 löydettiin aerobinen bakteeri (Methylomirabilisxyfera). Se on metaanitrofinen (se saa hiiltä ja energiaa metaanista) ja pystyy saamaan happea denitrifikaatioprosessista.
Tasot
Typpisykli kulkee eri vaiheissaan mobilisaatiossaan ympäri planeettaa. Nämä vaiheet ovat:
fiksaatio
Se on ilmakehän typen muuttaminen reaktiivisiksi muodoiksi (joita elävät olennot voivat käyttää). Murtamisen kolme sidosta sisältyvät N- 2 -molekyyli vaatii suuren määrän energiaa ja voi ilmetä kahdella tavalla: abioottisten tai bioottisten.
Typpisykli. Uusinut YanLebrel kuvan ympäristönsuojeluvirastolta: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, Wikimedia Commonsin kautta
Abioottinen kiinnitys
Nitraatit saadaan kiinnittämällä energiaan ilmakehässä korkea energia. Se tulee salaman ja kosmisen säteilyn sähköenergiasta.
N 2, yhdistyy hapen kanssa muodostaen hapettuneet muodot typen kuten NO (typpidioksidin) ja NO 2 (dityppioksidi). Myöhemmin nämä yhdisteet kulkeutuvat maan pinnalle sateen avulla typpihappona (HNO 3).
Korkean energian kiinnitys sisältää noin 10% typpisyklin läsnä olevista nitraateista.
Bioottinen kiinnitys
Sitä suorittavat mikro-organismit maaperässä. Nämä bakteerit liittyvät yleensä kasvien juuriin. Vuotuisen bioottisen typen kiinnittymisen arvioidaan olevan noin 200 miljoonaa tonnia vuodessa.
Ilmakehän typpi muuttuu ammoniakkiksi. Ensimmäisessä vaiheessa reaktion, N- 2 pelkistetään NH 3 (ammoniakki). Tässä muodossa se sisällytetään aminohappoihin.
Tässä prosessissa on mukana entsymaattinen kompleksi, jossa on erilaisia hapettumisen pelkistyskeskuksia. Tämä nitrogenaasikompleksi koostuu reduktaasista (tuottaa elektroneja) ja nitro- naasista. Jälkimmäinen käytöt elektronit vähentää N 2 NH 3. Prosessissa kuluu suuri määrä ATP: tä.
Nitrogenaasin kompleksi on peruuttamattomasti estyy, kun läsnä on suuria pitoisuuksia O 2. Radikaali kyhmyt, proteiini (leghemoglobin) on läsnä, joka pitää O 2 sisällön erittäin alhainen. Tätä proteiinia tuottaa juurten ja bakteerien vuorovaikutus.
assimilaatio
Kasveja, jotka eivät ole symbioosissa yhdessä N- 2- sitovien bakteerien ottaa typpeä maaperään. Tämän elementin imeytyminen tapahtuu nitraattien muodossa juurten läpi.
Kun nitraatit saapuvat kasviin, juurisolut käyttävät osaa siitä. Toinen osa jaetaan ksyleemillä koko kasvelle.
Kun sitä aiotaan käyttää, nitraatti pelkistetään nitritiksi sytoplasmassa. Tätä prosessia katalysoi nitraattireduktaasi-entsyymi. Nitriittien kuljetetaan viherhiukkasiin ja muihin plastideihin, jossa ne pelkistetään ammoniumionin (NH 4).
Suuret määrät ammoniumionia ovat myrkyllisiä kasvelle. Joten se sisällytetään nopeasti karbonaattiluurankoihin aminohappojen ja muiden molekyylien muodostamiseksi.
Kuluttajien typpi saadaan ruokkimalla suoraan kasveista tai muista eläimistä.
ammonifikaatio-
Tässä prosessissa maaperässä olevat typpiyhdisteet hajoavat yksinkertaisemmiksi kemiallisiksi muodoiksi. Typpi sisältyy kuolleisiin orgaanisiin aineisiin ja jätteisiin, kuten ureaan (nisäkkään virtsa) tai virtsahappoon (lintujen eritteet).
Näiden aineiden typpi on monimutkaisten orgaanisten yhdisteiden muodossa. Mikro-organismit käyttävät näiden aineiden aminohappoja proteiinien tuottamiseen. Tässä prosessissa ne vapauttavat ylimääräistä typpeä ammoniakin tai ammoniumionin muodossa.
Nämä yhdisteet ovat saatavilla maaperässä, jotta muut mikro-organismit voivat toimia syklin seuraavissa vaiheissa.
nitrifikaatio
Tämän vaiheen aikana maaperän bakteerit hapettavat ammoniakin ja ammoniumionin. Prosessissa vapautuu energiaa, jota bakteerit käyttävät aineenvaihdunnassaan.
Ensimmäisessä osassa Nitrosomas-suvun nitrosifioivat bakteerit hapettavat ammoniakin ja ammoniumionin nitriiteiksi. Ammoniakkamoksigenaasi-entsyymi löytyy näiden mikro-organismien kalvoista. Tämä hapettuu NH 3 hydroksyyliamiinia, joka sitten hapetetaan nitriitiksi, bakteerien periplasmaan.
Seuraavaksi nitratoivat bakteerit hapettavat nitriitit nitraateiksi käyttämällä nitriittioksidoreduktaasi-entsyymiä. Nitraatteja on edelleen saatavilla maaperässä, missä kasvit voivat absorboida ne.
denitrifikaatio
Tässä vaiheessa typen hapettuneet muodot (nitriitit ja nitraatit) muuttuvat takaisin N 2: ksi ja vähemmässä määrin typpioksidiksi.
Prosessin suorittavat anaerobiset bakteerit, jotka käyttävät typpiyhdisteitä elektronekseptoreina hengityksen aikana. Denitrifikaationopeus riippuu useista tekijöistä, kuten käytettävissä olevasta nitraatti- ja maaperän kylläisyydestä ja lämpötilasta.
Kun maaperä on kyllästynyt vedellä, O 2 ei ole enää helposti saatavilla ja bakteerit käyttävät NO 3 elektronin vastaanottajana. Kun lämpötilat ovat erittäin alhaiset, mikro-organismit eivät voi suorittaa prosessia.
Tämä vaihe on ainoa tapa, jolla typpi poistuu ekosysteemistä. Tällä tavoin, N 2, joka on kiinnitetty palaa ilmakehään ja tasapainon tämän osan säilyy.
Merkitys
Tällä jaksolla on suuri biologinen merkitys. Kuten aiemmin selitimme, typpi on tärkeä osa eläviä organismeja. Tämän prosessin kautta siitä tulee biologisesti käyttökelpoinen.
Viljelykasvien kehittämisessä typen saatavuus on yksi tuottavuuden päärajoituksista. Maatalouden alusta lähtien maaperää on rikastettu tällä tekijällä.
Palkokasvien viljely maaperän laadun parantamiseksi on yleinen käytäntö. Samoin riisin istuttaminen tulvaan maaperään edistää typen käytölle välttämättömiä ympäristöolosuhteita.
1800-luvulla guanoa (lintujen ulosteita) käytettiin laajasti ulkoisena typen lähteenä viljelykasveissa. Tämän vuosisadan loppuun mennessä se ei kuitenkaan riittänyt lisäämään elintarvikkeiden tuotantoa.
Saksalainen kemisti Fritz Haber kehitti 1800-luvun lopulla prosessin, jonka myöhemmin kaupallisti Carlo Bosch. Tämä koostuu reagoimaan N 2 ja vetykaasun muodostamiseksi ammoniakkia. Se tunnetaan Haber-Bosch-prosessina.
Tämä ammoniakin keinotekoisen tuotannon muoto on yksi tärkeimmistä typen lähteistä, joita elävät olennot voivat käyttää. Katsotaan, että 40% maailman väestöstä on riippuvainen näistä lannoitteista elintarvikkeilleen.
Typpisyklin häiriöt
Nykyinen antropologinen ammoniakintuotanto on noin 85 tonnia vuodessa. Tällä on kielteisiä vaikutuksia typpisykliin.
Kemiallisten lannoitteiden suuren käytön vuoksi maaperät ja pohjavedet ovat saastuneet. Katsotaan, että yli 50% tästä saastumisesta on seurausta Haber-Bosch-synteesistä.
Typen ylimäärät johtavat vesistöjen rehevöitymiseen (rikastukseen ravintoaineilla). Antropologinen euutrifikaatio on erittäin nopeaa ja aiheuttaa kiihtyneen kasvun pääasiassa levien kasvuun.
Ne kuluttavat paljon happea ja voivat kerätä toksiineja. Hapen puutteen takia muut ekosysteemissä olevat organismit kuolevat.
Lisäksi fossiilisten polttoaineiden käyttö vapauttaa ilmakehään suuren määrän typpioksidia. Tämä reagoi otsonin kanssa ja muodostaa typpihappoa, joka on yksi happosateen komponentteja.
Viitteet
- Cerón L ja A Aristizábal (2012) Typpi- ja fosforisyklin dynamiikka maaperässä. Ilmestys Colomb. Biotechnol. 14: 285 - 295.
- Estupiñan R ja B Quesada (2010) Haber-Bosch-prosessi maatalouden teollisuusyhteiskunnassa: vaarat ja vaihtoehdot. Maatalouden ruokajärjestelmä: hyödyntäminen, kamppailut ja vastarinta. Toimituksellinen ILSA. Bogota Kolumbia. 75-95
- Galloway JN (2003) Globaali typpisykli. Julkaisussa: Schelesinger W (toim.) Tutkimus geokemiasta. Elsevier, Yhdysvallat. s. 557-583.
- Galloway JN (2005) Globaali typpisykli: menneisyys, nykyisyys ja tulevaisuus. Science in China, Ser C Life Sciences 48: 669-677.
- Pajares S (2016) Ihmisen toiminnan aiheuttama typpikaskadi. Oikos 16: 14-17.
- Stein L ja M Klotz (2016) Typpisykli. Current Biology 26: 83-101.